CN107478653B - 浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置及方法，包括分液器、液滴冷热台、样品间隔槽、疏水性载玻片、温度控制模块、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；用分液器移取待测定溶液；将液滴置于疏水性载玻片上并置于样品间隔槽内；样品间隔槽为圆形；调整样品间隔槽的高度；通过图片采集模块收集图片；通过温度控制模块和温度记录模块控制和记录冷热台降温过程中的温度变化；将图片和温度输入到数据处理模块中进行处理，获得大气中的冰核浓度和成冰活性。本发明操作简单、成本低廉，可解决检测过程中液滴损失问题，使液滴温度稳定，光源稳定，提高检测的稳定性和精确性。

Description

浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于大气物理测量技术领域，涉及云内冰核测量技术，尤其涉及一种在浸润模式下的大气冰核浓度及成冰活性检测装置和测定方法。

背景技术

大气冰核是指大气中可以引起水汽蒸发产生凝华或过冷水滴产生冻结而形成冰晶的气溶胶粒子。人为或自然过程排放的颗粒物可以作为冰核，从而影响混合云和高云中冰晶形成的数量和尺寸，进一步影响云的微物理过程和存在形态、寿命，最终对全球辐射有着至关重要的影响。因此，测定大气中冰核的浓度不仅可以加深对云物理过程的理解，更可以为研究气溶胶的间接气候效应提供依据。

云内冰晶的形成主要通过两种途径，均质成核和非均质成核。均质成核主要是纯液滴在低温下(低于-40℃)和过饱和度极高的情况下冻结形成冰晶，而非均质成核是指在有冰核参与的情况下形成冰晶，分为凝华成核(deposition mode)、浸润成核(immersionfreezing)、凝结冻结(condensation freezing)、接触冻结(contact freezing)4种，所需温度较高、饱和度较低。在混合云中，浸润成核被认为是主导的冰晶形成方式。

目前，对冰核的测量按照不同的成冰模式和侧重点，主要分为在线测量和离线测量两种主要方法，常用的方法包括:滤膜法、云室法、液滴冷台实验法等多种分析方法。在线技术主要是各种云室，但这些云室的造价偏高，主要集中于凝华核化和凝结核化模式下的测量，且不能观察在连续降温条件下颗粒物的核化效果。而液滴冷台实验技术以其原理简单、操作便捷的优点，成为了浸润核模式下，测量各类型冰核成冰活性的常用分析手段。主要是将含有浸润核的液滴放置在冷热台上，然后通过控制冷热台的温度使液滴在低温下冻结，记录并比较不同类型冰核冻结的温度，从而判断其成冰活性的强弱。

通过近年来的发展，无论是在实验装置设计还是数据采集方面，液滴冷台实验技术也得到了一些改进。但冷热台装置和方法仍然存在以下不足：

(一)冷冻过程中液滴之间的相互影响和蒸发，Wegener-Bergeron-Findeisen过程(即已冻结液滴通过水汽传质过程，消耗其余的过冷液滴实现自我增长)。之前的研究者采用给液滴覆油膜的方式，但对于某些具有疏水性质的冰核来说，所含的疏水性物质可能会分散到油相中，增加了测量的不确定性从而导致测量偏差。

(二)实现过程中，一次性能够测定的液滴数量太少，当计算每个温度下冻结液滴占总液滴的比例时，单个液滴可以引入的不确定性很大，从而使相应冻结温度的下冰核的浓度估算不准确。

(三)缺乏规范的间隔槽的制作流程和其他材料制备的间隔槽的差异性对比；

(四)缺乏同时记录温度和图片的模块，缺乏判断每个温度下结冰液滴占总液滴比例的计算模块。

(五)液滴与疏水性载玻片的接触角会影响液滴与冷热台之间的接触面积，从而影响二者之间的传热效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种在浸润模式下的大气冰核浓度及成冰活性检测装置和检测方法，可对冰核进行离线测定，从而解决大气中冰核浓度的测量问题。本发明能够解决检测过程中液滴损失的问题，使得液滴冷冻温度稳定，检测光源稳定，提高了检测的稳定性和精确性；同时本发明操作简单、成本低廉。

本发明的原理是：首先，为解决冷冻过程中液滴之间的相互影响和蒸发的问题，本发明设计了一个间隔槽，槽的高度高于液滴高度但低于冷热台盖的高度，使得每个液滴在单独的空间里进行降温，避免了液滴之间的相互影响。而针对单次同时测定液滴数量少的问题，本发明在固定间隔槽尺寸的情况下，尽可能合理的利用面积，实现90个液滴的同时盛放。同时本发明采用圆形间隔槽，以克服方形槽中受热不均匀的情况。其次，为了规范间隔槽的具体制作流程和对比不同材料制备的间隔槽对液滴冷冻影响的差异性，本发明设计并加工了间隔槽的制作模具，并且分别制作了金属材料和硅橡胶材料的两种间隔槽，使得由间隔槽自身差异性所导致的偏差降到最低。最后，为了使不同类型液滴与疏水性载玻片之间的接触角，保持在同一范围内。本发明规范了疏水性载玻片的制作流程，在不改变其主要性质的前提下对载玻片表面进行疏水处理。在同等尺寸的载玻片表面均匀喷涂纳米防水性材料，利用接触角仪测定液滴与载玻片的接触角并进行改进，并结合相应的冷冻实验对喷涂材料的稳定性进行了测定。本发明还包括图像采集和数据处理模块，用于同时采集温度和图像，根据图片分析液滴的RGB值测定液滴亮度变化，从而判断活化分支并计算相应温度下的大气中的冰核浓度，不同类型的颗粒物可活化形成的冰核的浓度占总颗粒物总督的比例随温度的变化即为其成冰活性。

本发明提供的技术方案是：

一种浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测一体化装置，包括：分液器、液滴冷热台、样品间隔槽、疏水性载玻片、镜头和CCD相机、温度控制模块、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；其中，分液器用于移取待测定的溶液并形成特定体积的液滴，形成的液滴被放置于冷热台上的疏水性载玻片上，并放置于样品间隔槽内；图片采集模块包括镜头和CCD相机，镜头和CCD相机相连接，通过拍照收集图片记录液滴的状态；收集到的图片和冷热台降温过程中的温度变化，同时被记录到温度记录模块和图片采集模块中；两模块中的数据被输入到数据处理模块中进行处理，得到不同温度下冻结的液滴数，进而获得大气中的冰核浓度和成冰活性；由此实现浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的检测。

在上述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置中，进一步地，液滴冷热台包括冷热台腔室和冷热台盖；间隔槽上方还设有盖玻片，用于进行密封；样品间隔槽外还可配置铁环，铁环被套在间隔槽外，用于调整间隔槽的位置；在冷热台上方还设置环形光源，用于提供稳定的光线，提高成像质量。

本发明上述装置的核心主要在于间隔槽和液滴的盛放设计。在上述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置中，样品间隔槽为圆形，使得受冷均匀；样品间隔槽的高度高于液滴的高度但低于冷热台盖的高度，使得每个液滴在单独的空间里进行降温，避免了液滴之间相互影响；在样品间隔槽尺寸固定的情况下，尽可能合理的利用面积，使得间隔槽在一定尺寸下能够实现更多孔的摆放；具体实施中，本发明实现了90个孔同时将90个液滴盛放在40mm直径的间隔槽中；

样品间隔槽可由间隔槽的制作模具制作得到，本发明采用铝金属材料间隔槽，金属材料铝在空气中会立即形成致密氧化膜，从而使得间隔槽不会进一步氧化并且耐水，可以达到长期利用的目的。具体实施中，间隔槽外还配置了内径为40mm、外径为44mm的铁环，铁环被套在间隔槽外，用于调整间隔槽的位置。

载玻片用于盛放液滴；为了保证液滴的原始形态，减少载玻片对液滴形态的改变，本发明采用疏水性载玻片。在制作疏水性载玻片的过程中，在不改变其主要性质的前提下对载玻片表面进行疏水处理；在同等尺寸的载玻片表面均匀喷涂纳米防水性材料，使得液滴在载玻片上更接近立体的球形，从而还原液滴在云内的真实状态。

此外，为了保证整个装置在稳定的光条件下进行，本装置在冷热台上方引入了无影环形灯，既保证了实验的光线稳定性又提高了成像质量。

本发明还提供一种利用上述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置的浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性测定方法，具体步骤如下。

1)大气样品采集后，根据不同需求进行前处理，形成悬浮水溶液；

2)利用分液器吸取溶液形成相应体积的液滴，将形成的液滴放置在疏水性载玻片上，盖上盖玻片进行密封，打开冷热台上方的无影灯使得视野光线稳定；

3)通入氮气至冷热台的腔室中，防止降温过程在冷热台盖上形成雾气或霜影响测定；

4)通过温度控制模块，设定降温的限制温度(-40℃-110℃)和降温速度(0.01K/min-150K/min)，设定图像采集的速率，通过镜头、CCD相机和图片采集模块采集图片，然后进行降温冷却；并用温度记录模块同时进行仪器温度的记录；

5)将采集到的图片和温度输入数据处理模块进行处理，判断液滴是否结冰，得到不同温度下冻结的液滴数；

具体通过判断连续照片之间每个液滴RGB之间的差异来判断液滴是否结冰。为了将测定结果(即不同温度下的冻结的液滴数)换算成大气中的冰核浓度K(T)，采用如下公式进行计算：

其中，K(T)是冰核浓度与温度之间的关系；f_ice是相应温度下对应的结冰的液滴(frozen droplets)占总液滴(total droplets)的数量；V_sample是均匀分配到各个液滴中的采样气体的体积量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置和检测方法，检测装置包括：分液器、液滴冷热台、样品间隔槽、疏水性载玻片、镜头和CCD相机、环形光源、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；本发明改进了整个样品间隔槽的形状、每个间隔槽的尺寸和总数量，在保证最多液滴数量的同时减少液滴之间的相互作用。制备疏水性载玻片并规范其流程，减少载玻片的影响还原液滴的真实状态，此外本发明还包括温度及图片的同时记录和采集模块，将温度和图片一一对应起来，冷冻液滴RGB值的测定模块记录相应温度对应下的具有冰核活性的分支，由此使得数据处理更加完善。本发明具有如下技术优势：如

一、本发明操作简单，实现了温度记录、图像采集和数据处理的同步进行。

二、设计了符合载玻片尺寸的间隔槽，使得每个液滴在独立的空间范围内进行降温，从而减少了降温过程中由于Wegener-Bergeron-Findeisen(WBF)过程引起的液滴损失的问题。

三、改进间隔槽的制备方法，包括间隔槽的形状、尺寸大小、可盛放液滴的数量和间隔槽固定环等方面，使得由间隔槽自身性质所引起的液滴冷冻温度的改变不确定性降到最低。

四、提供疏水性载玻片的制备方法，方法操作简单、成本低廉，使得浸润核模式下的液滴冷冻更接近于实际大气的情况。

五、环形无影灯的使用，保证了整个仪器使用过程中的光源稳定性，避免了多次重复实验过程中由于外界环境条件改变导致的光线条件的差异。

附图说明

图1为本发明提供装置中的金属间隔槽的结构图；

其中，(a)为俯视图；(b)为侧视图；图中单位为毫米；1—液滴；2—金属间隔槽的孔；3—金属间隔槽；4—间隔槽固定环；具体实施中，间隔槽为直径40mm的圆形，间隔槽厚度为0.15mm；间隔槽共有90个孔，可同时测定90个液滴的状态随温度的变化。

图2为本发明提供装置的体构造的正视图；

其中，1—液滴；2—金属间隔槽的孔；3—金属间隔槽；4—间隔槽固定环；5—冷热台；6—盖玻片；7—冷热台盖；8—氮气进出口；9—镜头；10—CCD工业相机；11—环形光源；12—载玻片。

图3为分析得到的冰核活性分支随温度的变化图；

其中，横坐标为温度，单位为摄氏度；纵坐标为冰核浓度，单位为个/L。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种大气冰核在浸润核模式下的测量装置和测量方法。浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，包括：分液器、液滴冷热台、温度控制模块、样品间隔槽、疏水性载玻片、镜头和CCD相机、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；分液器用于移取待测定的溶液并形成特定体积的液滴，形成的液滴被放置于冷热台上的疏水性在玻片上，并放置于样品间隔槽内，利用温度控制模块控制冷热台的温度进行降温。调整镜头高度和焦距使呈像清晰，和CCD相机进行连接，环形光源保证实验过程中光强的稳定性，通过拍照记录液滴的状态。收集到的图片和冷热台降温过程中的温度变化，同时被记录到温度记录模块和图片采集模块中，最后两模块中的数据被输入到数据处理模块中进行处理。

图2为本发明具体实施提供的大气冰核在浸润核模式下的测量装置的整体结构；其中，1为液滴；2为金属间隔槽的孔；3为金属间隔槽；4为间隔槽固定环；5为冷热台；6为盖玻片；7为冷热台盖；8为氮气进出口；9为镜头；10为CCD工业相机；11为环形光源；12为载玻片。具体实施包括前期材料准备和后期测量两个阶段。前期材料准备包括疏水性载玻片的制备和间隔槽的制备。

疏水性载玻片的制备：将载玻片浸润于特氟龙液态涂料中，待均匀后取出在常温下晾干，用移液枪向载玻片上滴加体积为1微升的液滴，利用接触角仪测定液滴与载玻片之间的接触角，保证每片疏水性载玻片与液滴的接触角误差在2％内。用移液枪将超纯水液滴放置于制备完成的载玻片上，对液滴进行降温处理记录其冻结温度，将所得温度与文献纯水的冻结温度相比较，误差不超过2％即可。

间隔槽的制备：

金属间隔槽制备：如图1所示，间隔装置长宽为40x 40mm，厚度为0.2mm，用切割技术对圆形金属片进行切割，使其间均匀分布着90个直径为4mm的圆形空心槽用于盛放液滴，间隔装置由金属制作而成，且具有很好化学稳定性，在削弱液滴之间的相互作用、阻止液滴周围霜环形成的同时又不改变液滴本身的化学性质。

利用上述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，冰核浓度及成冰活性测量的具体流程如下：

(1)打开冷热台电源、冷凝水开关、氮气瓶开关，待仪器稳定后，将冷热台的温度控制模

块打开。

(2)将制备完成的疏水性载玻片放置于冷热台上，然后将制备好的金属间隔槽放置于载玻片上，用分液器吸取待测样品于间隔槽的孔中，盖上盖玻片和仪器盖。

(3)调节镜头的高度和焦距，使呈像清晰。通过冷热台控制温度模块，设定升降温速率和限值，使得液体被加热或冷冻。采用图像连续采集模式，设定图像采集速率，利用CCD相机和图片记录模块进行图像采集，利用温度记录模块进行冷热台实时温度的采集。

(4)将采集到的图片和温度输入到数据处理模块(数据处理模块可使用手动编写的MATLAB程序模块)中，测定液滴的RGB值，RGB值发生突变的温度即为液滴发生冻结或融化的温度，通过判断在不同温度下结冰的液滴占总液滴的比例然后推算该温度条件下大气中冰核的浓度。

图3为经过分析得到的冰核活性分支随温度的变化图。图3表明，能够成冰的颗粒物随温度的降低而增高，且活化温度主要是-15℃到-20℃之间，本仪器成功的测定浸润核模式下，冰核浓度随温度的变化进而得到在不同温度下能够活化成为冰核的颗粒物占总颗粒物的比例。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，包括：分液器、液滴冷热台、样品间隔槽、疏水性载玻片、温度控制模块、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；所述液滴冷热台包括冷热台腔室和冷热台盖；所述疏水性载玻片置于液滴冷热台上；所述分液器用于移取待测定的溶液并形成特定体积的液滴；将形成的液滴放置于疏水性载玻片上，并放置于样品间隔槽内；样品间隔槽为圆形，使得受冷均匀；样品间隔槽实现摆放尽可能多的孔；样品间隔槽的高度高于液滴的高度但低于冷热台盖的高度，使得每个液滴在单独空间里进行降温，避免液滴之间相互影响；样品间隔槽的上方还设有盖玻片，用于进行密封；样品间隔槽外还配置铁环，铁环被套在间隔槽外，用于调整间隔槽的位置；图片采集模块包括镜头和CCD相机，位于液滴冷热台上方，镜头和CCD相机相连接，用于通过拍照收集图片记录液滴的状态；温度控制模块和温度记录模块用于控制和记录冷热台降温过程中的温度变化；图片采集模块收集到的图片和冷热台降温过程中的温度变化分别同时被记录到温度记录模块和图片采集模块中，再输入到数据处理模块中进行处理得到不同温度下冻结的液滴数，进而获得大气中的冰核浓度和成冰活性；在冷热台上方还设置环形光源，用于提供稳定的光线，提高成像质量；由此实现浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的检测。

2.如权利要求1所述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，其特征是，环形光源采用无影环形灯。

3.如权利要求1所述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，其特征是，样品间隔槽为直径40mm的圆形槽，摆放90个孔，可用于90个液滴同时盛放。

4.如权利要求1所述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，其特征是，样品间隔槽采用铝金属材料间隔槽，可由间隔槽的制作模具制作得到。

5.如权利要求1所述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，其特征是，所述疏水性载玻片通过对载玻片表面进行疏水处理得到；进一步在载玻片表面均匀喷涂纳米防水性材料，使得液滴在载玻片上更接近立体球形，从而还原液滴在云内的真实状态。

6.一种浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性的检测方法，利用权利要求1所述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性检测装置，对浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性进行检测，包括如下步骤：

1)大气样品采集后，根据不同需求进行前处理，形成悬浮水溶液；

2)利用分液器吸取溶液形成相应体积的液滴，将形成的液滴放置在疏水性载玻片上，进行密封；并放置于样品间隔槽内；样品间隔槽为圆形，使得受冷均匀；样品间隔槽实现摆放尽可能多的孔；样品间隔槽的高度高于液滴的高度但低于冷热台盖的高度，使得每个液滴在单独空间里进行降温，避免液滴之间相互影响；利用冷热台上方的环形光源使得视野光线稳定；所述疏水性载玻片通过对载玻片表面进行疏水处理，进一步在载玻片表面均匀喷涂纳米防水性材料，使得液滴在载玻片上更接近立体球形，从而还原液滴在云内的真实状态；

3)将氮气通入至冷热台腔室中，防止降温过程在冷热台盖上形成雾气或霜影响测定；

4)通过温度控制模块设定降温的限制温度和降温速度，设定图像采集的速率，通过图片采集模块采集图片，然后进行降温冷却；并通过温度记录模块同时进行仪器温度的记录；

5)将采集到的图片和温度输入数据处理模块进行处理，判断液滴是否结冰，得到不同温度下冻结的液滴数，进而获得大气中的冰核浓度K(T)和成冰活性。

7.如权利要求6所述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性的检测方法，其特征是，步骤4)通过温度控制模块设定降温的限制温度为-40℃-110℃；控制降温速度为0.01K/min-150K/min。

8.如权利要求6所述浸润核模式下的冰核浓度及成冰活性的检测方法，其特征是，步骤5)具体通过连续照片间每个液滴RGB之间的差异来判断液滴是否结冰；并通过式1将不同温度下的冻结的液滴数换算成大气中的冰核浓度K(T)：

其中，K(T)是冰核浓度与温度之间的关系；f_ice是相应温度下对应的结冰的液滴占总液滴的数量；V_sample是均匀分配到各个液滴中的采样气体的体积量。

Images