CN107764824A - 浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的离线检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的离线检测装置及测定方法，包括：分液器、PCR板、PCR支架、水浴槽、电脑、镜头和CCD相机；电脑中设置温度控制、温度记录、图片采集和数据处理模块；PCR板置于PCR支架上，并连同PCR支架一起放在水浴槽中的冷凝液中；水浴槽、CCD相机均与电脑相连接；通过图片采集模块控制图像采集、图像存储和数据处理。本发明实现液体盛放槽能盛放更多的液滴；减少了待测颗粒物的损失；采用PCR板减少了降温过程中液滴相互影响的问题，增大可测定的液滴体积，降低分液的难度，减少由于液滴体积定量不准引起的误差。本发明操作简单，可同步进行温度记录、图像采集和数据处理。
Description
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和颗粒物成冰活性的离线检测装置和检测方法。
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，最终对全球辐射和水文循环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。而液滴冻结技术以其原理简单、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。主要是对含有浸润核的液滴冷却进行降温，然后通过判断每个对应温度下冻结的液滴数，从而判断其成冰活性的强弱。
通过近年来的发展，这一技术也得到了一些改进，无论是在实验设计还是数据采集方面。液滴冷冻方法仍然存在以下不足：
(一)冷冻过程中液滴之间会存在相互影响。
(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)对大气进行膜采样后，颗粒物很难从膜上完全提取下来，可能导致测量结果偏低。
(四)缺乏同时记录温度和图片的软件，缺乏判断每个温度下结冰液滴占总液滴比例的数据计算软件。
(五)现有传统冷热台样品盛放范围较小约10-20cm2，从而要求液滴测定所需液滴的体积较小约几个微升，液滴的体积定量可能存在误差。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种离线测定冰核的装置和测量方法，用于测量大气中的冰核浓度及成冰活性。
本发明提供的技术方案是：
一种浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的离线检测装置，包括：分液器、PCR板(Polymerase Chain Reaction)、PCR支架、水浴槽、电脑、镜头和CCD相机；水浴槽设有电源和冷凝水循环开关；分液器用于移取液体到PCR板上单独的离心管中，随后PCR板盛放在PCR支架上，并连同支架一起放在水浴槽中的冷凝液中，通过温度控制模块使冷浴槽降温，并用镜头和CCD相机对PCR板的状态进行连续拍照，电脑中的图像采集模块和温度记录模块对图像和温度进行记录，最终输入到数据处理模块中进行数据处理。PCR板由多个(96个)小离心管连接而成，每个离心管里面可以独立盛放液体，每个PCR板只使用一次以保证液体存在环境的干净；水浴槽内设有特制的支架(PCR支架)用于盛放PCR板；
PCR支架包括两层，下面一层包括PCR盛放槽、左旋钮和右旋钮；PCR盛放槽根据PCR板的大小设计，左旋钮和右旋钮可以用于固定PCR板；上面一层包括PCR板支架盖子；盖子是开盖设计，可开合；当进行实验图像采集时，盖子揭开使得PCR板的状态可以被CCD相机和镜头记录，当不进行实验图像采集时可以将盖子盖上，减少冷凝液(水或者乙醇)的挥发；左右两根螺杆连接上下两层，可以调节PCR盛放槽的高度，从而调节PCR板在冷凝液中的位置；
电脑中设置温度控制模块、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；水浴槽、CCD相机均于电脑相连，带镜头的CCD相机置于水浴槽的上方，用于采集图像，获得PCR板的状态；CCD相机与电脑的图片采集模块相连接，通过电脑设置的图片采集模块控制图像采集、图像存储和数据处理；
本发明的核心是采用水浴槽增大了样品可放置的面积，并且采用PCR板来进行样品的存放，PCR板为单次利用，使得杂质更少，可放置的液滴体积更大，测定结果更可靠。另外，本发明装置设置了PCR支架使得PCR板可以调整在水浴槽中的深度。此外，本发明还包括了温度及图片的同时记录和采集模块，能够将温度和图片一一对应起来；冷冻液滴RGB值的变化可以通过数据处理模块进行分析，从而获得相应温度对应下的具有冰核活性的分支，使得数据处理更加完善。
本发明还提供一种测定浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的方法，具体如下。
大气样品采集后根据需求的不同进行不同的前处理，不能清洗或难于清洗的一些材料(石英膜)的膜采样样品可以直接将采样所得的膜打孔裁剪后浸润于水中，易于清洗的膜样品(如Nuclepore Polycarbonate Hydrophilic膜)也可直接形成悬浮水溶液后利用分液器吸取溶液形成相应体积的液滴。
将形成的液滴盛放在PCR板独立的孔中，封上封口胶；将处理后的PCR板盛放在水浴槽内的PCR支架上，使得PCR板上每一个离心管都浸没在冷凝液中。利用温度控制模块和图片采集模块，设定降温的限制温度(-40℃-200℃)，并控制降温速度，用图像采集模块设定图像采集的速率，然后进行降温冷却。一次实验采集到的图片被输入数据处理模块中进行处理，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。为了将测定结果换算成大气中的冰核浓度NINP(T)，本发明采用如下公式进行计算：
其中，NINP(T)是冰核浓度与温度之间的关系，fice是相应温度下对应的结冰的液滴占总液滴的数量，Vsample是均匀分配到各个液滴中的采样气体的体积量。
本发明用水浴槽代替了现有传统的冷热台台面，既增加了样品可放置的面积又可提供200℃～-40℃的温度范围，水浴槽的样品可存放面积为23cm*14cm,为PCR板提供了使用条件，而PCR板上每个离心管内可放置约为300μl的液滴，大大增大了可测定液滴的体积，降低了分液的难度，减少了由于液滴定量不准而产生的误差。本发明还设计放置了PCR支架，使得PCR板可以独立地放置于水浴槽内，并可通过旋钮调节其在水浴槽内的深度。
其次，本发明解决在冷冻过程中液滴之间的相互影响和蒸发的问题，具体通过利用PCR板进行液滴的盛放并在上部进行封口处理，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。而对于单次同时测定液滴数量少的问题，本发明在固定PCR板面积的情况下，尽可能合理的利用面积，实现96个液滴的同时盛放。
对于很多采集在膜上的难洗脱的固态颗粒物样品，现有的冷热台测定技术必须要将膜进行洗脱后生成液滴再测量，但洗脱不完全可能导致测量结果偏低；而本发明中，PCR板可放置样品的空间比较大，样品采集后的采样膜可以直接用打孔器裁剪后放入PCR板并浸润在液体内进行测定，实现了样品的直接测量。
在图像采集和数据处理方面，本发明包括了温度和图像同时采集的模块，和数据处理模块，根据图片分析液滴的RGB值测定液滴亮度的变化，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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种离线测定冰核的装置和测量方法，能够解决大气中冰核浓度的测量。本发明的技术优势包括以下几方面：
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、尽可能最大化的实现液体盛放槽能盛放更多的液滴，减少了后期计算可能导致的误差
三、对于难洗脱的膜样品，可直接利用打孔器将采样膜制成特定面积的膜片，将膜片浸润至水中进行测量。对于易洗脱的样品，可直接洗脱后形成水溶液进行测量，使得本发明同时适用于膜采样样品和水溶液样品，减少了颗粒物的损失。
四、采用了PCR板，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液滴相互影响的问题。并且增大了可测定的液滴体积，降低了分液的难度，减少了由于液滴体积定量不准引起的误差。
附图说明
图1为本发明装置结构的主视图；
其中，1—水浴槽；2—冷凝液；3—PCR板(竖直线为小的离心管)；4—镜头；5—CCD工业相机；6—PCR支架；具体实施中，水浴槽为37x 46x 71cm；冷凝液可以选择水或者乙醇，如果想要达到更低的温度则选择乙醇作为冷凝填充液；PCR板由96个内置的小离心管组成，每个小离心管独立存在，最大可以装填约300μl的液体。
图2为PCR板支架的整体构造图；
其中，(a)为支架的总装图；(b)为支架的总装拆分图；其中7—水浴槽上盖；8—PCR板；9—螺杆；10—水浴槽底盖；11—PCR板盛放槽；PCR板是由96个小离心管连接而成，均可盛放液滴。
图3为本发明实施例中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方法。
图1为本发明装置的结构图；其中，1为水浴槽；2为冷凝液；3为PCR板(竖直线为小的离心管)；4为镜头；5为CCD工业相机；6为PCR支架；具体实施中，水浴槽为37x 46x71cm；冷凝液可以选择水或者乙醇，如果想要达到更低的温度则选择乙醇作为冷凝填充液；PCR板由96个内置的小离心管组成，每个小离心管独立存在，最大可以装填约300μl的液体。
上述大气冰核在浸润核模式下的检测装置中，进一步地，PCR支架主要由两层构成，下面一层根据PCR的大小设计一个PCR的盛放槽，左右两个旋钮可以用于PCR板的固定，上面一层是开盖设计，进行实验图像采集时，盖子揭开使得PCR板的状态可以被CCD相机和镜头记录，但不进行实验图像采集时可以将盖子盖上，减少冷凝液(水或者乙醇)的挥发。左右两根螺杆，可以调节PCR盛放槽的高度，从而调节PCR板在冷凝液中的位置。图2为PCR板支架的整体构造图；其中，(a)为支架的总装图；(b)为支架的总装拆分图；其中7为水浴槽上盖；8为PCR板；9为螺杆；10为水浴槽底盖；11为PCR板盛放槽；PCR板是由96个小离心管连接而成，均可盛放液滴。
利用上述大气冰核在浸润核模式下的检测装置进行检测时，执行如下操作：
(1)打开水浴槽电源、冷凝水循环开关，待水浴槽稳定后，将温度控制模块打开。
(2)对于难洗脱的样品，用打孔器将膜裁剪成小片，直接放入PCR板内，用水浸润后用封口膜封上；对于易洗脱的样品用超纯水洗脱后，用移液器将液滴分散在PCR板的各个离心管中，之后用封口膜封上。最后将PCR的各个离心管浸没在冷凝液中，调节两根螺杆儿，使得PCR板下方浸没在冷凝液中，使位置适合，使得拍照时呈像清晰，且图片适用于数据处理模块。
(3)调节镜头高度和焦距，使呈像清晰。调用温度控制模块设定升降温速率和限值，使得液体被加热或冷冻。开启图像连续采集模式，设定图像采集速率，利用CCD相机进行图像采集。
(4)实验数据的采集和处理；利用温度控制模块和图像记录模块控制水浴槽的温度和升降温速率，将采集到的图片输入到数据处理模块(手动编写的MATLAB程序)，采集到的温度变化输入到温度记录模块中，使得液滴的RGB值被测定，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，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，本发明提供的数据处理模块能够测定在浸润核模式下，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 (10)
1.一种浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的离线检测装置，包括：分液器、PCR板、PCR支架、水浴槽、电脑、镜头和CCD相机；PCR板由多个小离心管连接而成，每个离心管里面可独立盛放液体，每个PCR板只使用一次使得液体存在环境保持干净；水浴槽内设有PCR支架用于盛放PCR板；PCR支架包括上下两层和连接上下两层的左螺杆和右螺杆；电脑中设置温度控制模块、温度记录模块、图片采集模块和数据处理模块；分液器用于移取液体到PCR板上的离心管中；PCR板置于PCR支架上，并连同PCR支架一起放在水浴槽中的冷凝液中；水浴槽、CCD相机均与电脑相连接；通过图片采集模块控制图像采集、图像存储和数据处理；通过温度控制模块使水浴槽降温；通过镜头和CCD相机对PCR板的状态进行连续拍照，图像采集模块和温度记录模块对图像和温度进行记录，再输入到数据处理模块中。
2.如权利要求1所述离线测定装置，其特征是，PCR板由96个小离心管连接而成。
3.如权利要求1所述离线测定装置，其特征是，PCR支架上下两层中，下面一层包括PCR盛放槽、左旋钮和右旋钮；左旋钮和右旋钮用于固定PCR板；上面一层包括PCR板支架盖子；盖子可开合；盖子揭开使得PCR板的状态被CCD相机和镜头记录；通过调节PCR盛放槽的高度，调节PCR板在冷凝液中的位置。
4.如权利要求1所述离线测定装置，其特征是，带镜头的CCD相机置于水浴槽的上方。
5.如权利要求1所述离线测定装置，其特征是，水浴槽的样品可存放面积设为23cm*14cm；提供的温度范围为200℃～-40℃。
6.如权利要求1所述离线测定装置，其特征是，PCR板上每个离心管内可放置液滴为约300μl。
7.一种利用权利要求1～6所述离线测定装置测定浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的方法，包括如下步骤：
(1)打开水浴槽的电源、冷凝水循环开关；
(2)对于难洗脱的样品，用打孔器将膜裁剪成小片，直接放入PCR板内，用水浸润后用封口膜封上；对于易洗脱的样品用超纯水洗脱后，用移液器将液滴分散在PCR板的各个离心管中，之后用封口膜封上；将PCR的各个离心管浸没在冷凝液中，调节左螺杆和右螺杆，使得PCR板下方浸没在冷凝液中，位置使得拍照时呈像清晰；
(3)调节镜头高度和焦距，使成像清晰；通过温度控制模块设定升降温速率和限值，使得液体被加热或冷冻；通过图像采集模块设定图像采集速率，利用CCD相机进行图像采集；
(4)利用温度控制模块和图像记录模块控制水浴槽的温度和升降温速率，将采集到的图片输入到数据处理模块，采集到的温度变化输入到温度记录模块中，测定液滴的RGB值；通过判断在不同温度下结冰的液滴占总液滴的比例，计算该温度条件下大气中冰核的浓度。
8.如权利要求7所述测定浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的方法，其特征是，利用温度控制模块和图片采集模块，设定降温的限制温度为-40℃-200℃。
9.如权利要求7所述测定浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的方法，其特征是，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，RGB值发生突变的温度即为液滴发生冻结或融化的温度。
10.如权利要求7所述测定浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的方法，其特征是，具体采用如下公式进行计算得到大气中的冰核浓度NINP(T)：
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其中，NINP(T)是冰核浓度与温度之间的关系；fice是相应温度下对应的结冰的液滴占总液滴的数量；Vsample是均匀分配到各个液滴中的采样气体的体积量。
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