A spectrometer for measuring particle size distributions in the range of 3 nm to 10 μm

Abstract

A spectrometer combining electrical mobility sizing and aerodynamic sizing was developed to measure aerosol size distributions in the range of 3 nm to 10 μm. It includes three instruments which cover different size ranges (a nano scanning mobility particle sizer (NSMPS, 3 – 60 nm), a regular scanning mobility particle sizer (RSMPS, 40 – 700 nm), and an aerodynamic particle sizer (APS, 550 nm – 10 μm)). High voltage and sheath flow of the NSMPS and RSMPS were supplied using two home-built control boxes. A LabVIEW program was developed for spectrometer automatic operation. A linear inversion method was applied to correct particle multiple charging effects and to integrate data from the three instruments into a wide-range size distribution. Experiments were conducted to compare distributions in the overlap size ranges measured by three instruments. Good agreement between the NSMPS and RSMPS was achieved after correcting for the difference in counting efficiencies of the two particle counters. Aerodynamic size distributions reported by the APS were converted to mobility size distributions by applying an effective density method. Distributions measured by the RSMPS and APS were consistent in the overlap size range of 550 – 700 nm. A full spectrum in the size range of 3 nm to 10 μm was demonstrated by measuring aerosol generated using a mixture of different sized polystyrene latex spheres.

Keywords

spectrometer / particle size distribution / electrical mobility / aerodynamic diameter / linear inversion

References

[1] Brook R D, Franklin B, Cascio W, Hong Y, Howard G, Lipsett M, Luepker R, Mittleman M, Samet J, Smith S C Jr, Tager I. Air pollution and cardiovascular disease: a statement for healthcare professionals from the Expert Panel on Population and Prevention Science of the American Heart Association. Circulation, 2004, 109(21): 2655–2671

[2] Nel A. Atmosphere. Air pollution-related illness: effects of particles. Science, 2005, 308(5723): 804–806

[3] Pope C A 3rd, Dockery D W. Health effects of fine particulate air pollution: lines that connect. Journal of the Air & Waste Management Association (1995), 2006, 56(6): 709–742

[4] Oberdörster G, Stone V, Donaldson K. Toxicology of nanoparticles: a historical perspective. Nanotoxicology, 2007, 1(1): 2–25

[5] Shah J J, Watson J G, Cooper J A, Huntzicker J J. Aerosol chemical composition and light scattering in Portland, Oregon: the role of carbon. Atmospheric Environment (1967), 1984, 18(1): 235–240

[6] Sloane C S, Watson J, Chow J, Pritchett L, Willard Richards L. Size-segregated fine particle measurements by chemical species and their impact on visibility impairment in Denver. Atmospheric Environment. Part A, General Topics, 1991, 25(5–6): 1013–1024

[7] Patterson E, Gillette D, Grams G. The relation between visibility and the size-number distribution of airborne soil particles. Journal of Applied Meteorology, 1976, 15(5): 470–478

[8] McMurry P H, Shepherd M F, Vickery J S. Particulate Matter Science for Policy Makers: A NARSTO Assessment. Cambridge: Cambridge University Press, 2004

[9] Hao J, He K, Duan L, Li J, Wang L. Air pollution and its control in China. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China, 2007, 1(2): 129–142

[10] IPCC. Climate Change 2007: IPCC Fourth Assessment Report (AR4). Cambridge: Cambridge University Press, 2007

[11] Shi X, He K, Zhang J, Ma Y, Ge Y, Tan J. A comparative study of particle size distribution from two oxygenated fuels and diesel fuel. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China, 2010, 4(1): 30–34

[12] Wang S C, Flagan R C. Scanning electrical mobility spectrometer. Aerosol Science and Technology, 1990, 13(2): 230–240

[13] Knutson E O, Whitby K T. Aerosol classification by electric mobility: apparatus, theory, and applications. Journal of Aerosol Science, 1975, 6(6): 443–451

[14] Baron P A, Mazumder M K, Cheng Y S, Peters T M. Real-time Techniques for Aerodynamic Size Measurement, in Aerosol Measurement, 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 2011, 313–338

[15] Sorensen C M, Gebhart J, O’Hern T, Rader D J. Optical Measurement Techniques: Fundamentals and Applications, in Aerosol Measurement, 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, 2011, 269–312

[16] Khlystov A, Stanier C, Pandis S N. An algorithm for combining electrical mobility and aerodynamic size distributions data when measuring ambient aerosol special issue of aerosol science and technology on findings from the fine particulate matter supersites program. Aerosol Science and Technology, 2004, 38(S1): 229–238

[17] Shen S, Jaques P A, Zhu Y, Geller M D, Sioutas C. Evaluation of the SMPS–APS system as a continuous monitor for measuring PM_2.5, PM₁₀ and coarse (PM_2.5−10) concentrations. Atmospheric Environment, 2002, 36(24): 3939–3950

[18] Shi J P, Harrison R M, Evans D. Comparison of ambient particle surface area measurement by epiphaniometer and SMPS/APS. Atmospheric Environment, 2001, 35(35): 6193–6200

[19] Hand J L, Kreidenweis S M. A new method for retrieving particle refractive index and effective density from aerosol size distribution data. Aerosol Science and Technology, 2002, 36(10): 1012–1026

[20] Birmili W, Stratmann F, Wiedensohler A. Design of a DMA-based size spectrometer for a large particle size range and stable operation. Journal of Aerosol Science, 1999, 30(4): 549–553

[21] Karlsson M N A, Martinsson B G. Methods to measure and predict the transfer function size dependence of individual DMAs. Journal of Aerosol Science, 2003, 34(5): 603–625

[22] Woo K S, Chen D R, Pui D Y H, McMurry P H. Measurement of Atlanta aerosol size distributions: observations of ultrafine particle events. Aerosol Science and Technology, 2001, 34(1): 75–87

[23] Shi Q. Aerosol size distribution (3nm to 2 μm) measured at the St. Louis Supersite (4/1/01–4/30/02). Dissertation for the Master Degree. Twin Cities: University of Minnesota, 2003

[24] Wiedensohler A, Birmili W, Nowak A, Sonntag A, Weinhold K, Merkel M, Wehner B, Tuch T, Pfeifer S, Fiebig M, Fjäraa A M, Asmi E, Sellegri K, Depuy R, Venzac H, Villani P, Laj P, Aalto P, Ogren J A, Swietlicki E, Williams P, Roldin P, Quincey P, Hüglin C, Fierz-Schmidhauser R, Gysel M, Weingartner E, Riccobono F, Santos S, Grüning C, Faloon K, Beddows D, Harrison R, Monahan C, Jennings S G, O’Dowd C D, Marinoni A, Horn H G, Keck L, Jiang J, Scheckman J, McMurry P H, Deng Z, Zhao C S, Moerman M, Henzing B, de Leeuw G, Löschau G, Bastian S. Mobility particle size spectrometers: harmonization of technical standards and data structure to facilitate high quality long-term observations of atmospheric particle number size distributions. Atmospheric Measurement Techniques, 2012, 5: 657–685

[25] Stolzenburg M R, McMurry P H. Equations governing single and tandem dma configurations and a new lognormal approximation to the transfer function. Aerosol Science and Technology, 2008, 42(6): 421–432

[26] Jiang J, Chen M, Kuang C, Attoui M, McMurry P H. Electrical mobility spectrometer using a diethylene glycol condensation particle counter for measurement of aerosol size distributions down to 1 nm. Aerosol Science and Technology, 2011, 45(4): 510–521

[27] TSI. Model 3772 Condensation Particle Counter Manual. TSI Incorporated, St. Paul, MN, 2007

[28] TSI. Model 3776 Ultrafine Condensation Particle Counter Manual. TSI Incorporated, St. Paul, MN, 2007

[29] Jiang J, Attoui M, Heim M, Brunelli N A, McMurry P H, Kasper G, Flagan R C, Giapis K, Mouret G. Transfer functions and penetrations of five differential mobility analyzers for sub-2 nm particle classification. Aerosol Science and Technology, 2011, 45(4): 480–492

[30] Kulkarni P, Baron P A, Willeke K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2011

[31] Reineking A, Porstendörfer J. Measurements of particle loss functions in a differential mobility analyzer (TSI, model 3071) for different flow rates. Aerosol Science and Technology, 1986, 5(4): 483–486

[32] Brockmann J E. Aerosol Transport in Sampling Lines and Inlets, in Aerosol Measurement. New York: John Wiley & Sons, 2011, 68–105

[33] Fuchs N. On the stationary charge distribution on aerosol particles in a bipolar ionic atmosphere. Pure Applied Geophsics, 1963, 56(1): 185–193

[34] Hoppel W A, Frick G M. Ion—aerosol attachment coefficients and the steady-state charge distribution on aerosols in a bipolar ion environment. Aerosol Science and Technology, 1986, 5(1): 1–21

[35] Wiedensohler A. An approximation of the bipolar charge distribution for particles in the submicron size range. Journal of Aerosol Science, 1988, 19(3): 387–389

[36] Hagen D E, Alofs D J. Linear inversion method to obtain aerosol size distributions from measurements with a differential mobility analyzer. Aerosol Science and Technology, 1983, 2(4): 465–475

[37] Mai H J, Jiang J K, He Z X, Hao J M. Design and evaluation of an aerosol nanoparticle generation system. Environmental Science, 2013, 34(8): 2950–2954 (in Chinese)

[38] Liu B Y H, Pui D Y H. A submicron aerosol standard and the primary, absolute calibration of the condensation nuclei counter. Journal of Colloid and Interface Science, 1974, 47(1): 155–171

[39] Hudson P K, Gibson E R, Young M A, Kleiber P D, Grassian V H. A newly designed and constructed instrument for coupled infrared extinction and size distribution measurements of aerosols. Aerosol Science and Technology, 2007, 41(7): 701–710

[40] TSI. Model 3068B Aerosol Electrometer Manual. TSI Incorporated, St. Paul, MN, 2006

[41] Park J Y, McMurry P H, Park K. Production of residue-free nanoparticles by atomization of aqueous solutions. Aerosol Science and Technology, 2012, 46(3): 354–360

[42] Armendariz A J, Leith D. Concentration measurement and counting efficiency for the aerodynamic particle sizer 3320. Journal of Aerosol Science, 2002, 33(1): 133–148

[43] Peters T M, Leith D. Concentration measurement and counting efficiency of the aerodynamic particle sizer 3321. Journal of Aerosol Science, 2003, 34(5): 627–634

[44] Hinds W C, Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles, 1999

[45] DeCarlo P F, Slowik J G, Worsnop D R, Davidovits P, Jimenez J L. Particle morphology and density characterization by combined mobility and aerodynamic diameter measurements. Part 1: Theory. Aerosol Science and Technology, 2004, 38(12): 1185–1205

[46] Zelenyuk A, Cai Y, Imre D. From agglomerates of spheres to irregularly shaped particles: determination of dynamic shape factors from measurements of mobility and vacuum aerodynamic diameters. Aerosol Science and Technology, 2006, 40(3): 197–217

[47] Weis D D, Ewing G E. Water content and morphology of sodium chloride aerosol particles. Journal of Geophysical Research, 1999, 104(D17): 21275–21285

[48] Rose D, Gunthe S S, Mikhailov E, Frank G P, Dusek U, Andreae M O, Pöschl U. Calibration and measurement uncertainties of a continuous-flow cloud condensation nuclei counter (DMT-CCNC): CCN activation of ammonium sulfate and sodium chloride aerosol particles in theory and experiment. Atmospheric Chemistry and Physics, 2008, 8: 1153–1179

[49] Weast R C, Astle M J. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 63rd ed. Florida: CRC Press, 1982

Acknowledgements

We thank Dr. James Smith for his assistance on designing the control box and Ms. Zhiying Xie for her help on setting up the spectrometer. Financial supports from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos: 41227805, 21107060, 21190054 and 21221004), National Key Basic Research and Development Program of China (Grant No: 2013CB228505), and Beijing Natural Science Foundation (8122025) are acknowledged.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg