气溶胶测量原理、技术及应用

气溶胶科学是环境科学、大气物理、大气化学、气象学、工业卫生等许多专业必不可少的基础课程。气溶胶测量是气溶胶研究的重要手段。 随着对城市燃煤、扬尘等的治理，气溶胶中粗粒子的污染得到控制，细粒子污染凸显，如区域性灰霾，细粒子的成分和来源更加复杂，因此，气溶胶需要长期深入研究，对监测技术也提出了更高的要求。随着国家环境空气质量标准的修订稿的征求意见，将增加PM2.5新指标，并加严PM10的限值。社会各界对颗粒物的关注空前增加。“十二五”期间，国家更加关注气溶胶的区域性污染，各大区域和城市都在加强气溶胶监测能力的建设，对监测仪器和相关理论知识有很大需求，但国内缺少系统全面介绍气溶胶测量新技术应用的著作。现有资料已经不能完全满足气溶胶研究、监测人员对气溶胶测量发展的了解需求。该专著的出版可以弥补国内学术专著和参考资料的不足，便于读者深入了解国际上气溶胶领域的研究情况以及成果，满足环境、卫生、气象等领域研究气溶胶的需求，解答研究中遇到的问题和疑惑。对培养一批能从事现代气溶胶监测、研究的业务人员和相关专业研究生有现实意义。 Aerosol Measurement（气溶胶测量）是国际上的知名著作。主要包括气溶胶测量的基础知识、相关技术和应用，从理论到实际应用，囊括了气溶胶测量的方方面面，是一本汇集从上世纪60年代到近年来众多专家潜心研究成果，浓缩了气溶胶研究领域之精华的学术著作。 新版Aerosol Measurement （第三版），2011年由JOHN WILEY&SONS有限公司出版，第三版气溶胶测量在第二版的基础上进行了深度拓展，与第二版相比，它总结增加了气溶胶在热点前沿研究领域的成果和技术应用，如气溶胶测量技术在公众健康、气候变化、纳米技术、药学研究、核废物处置方面的应用，内容更加丰富，领域更加广阔，使相关领域从业人员能更系统全面地了解近几年气溶胶测量的新发展。 在第三版的翻译中，我们还将根据自身研究经历和成果，增加中国环境科学研究院大气化学和气溶胶科技创新基地和国家环境保护城市颗粒物污染控制重点实验室在气溶胶测量仪器开发、技术应用和理论研究方面的部分成果，将气溶胶测量在国内的应用和研究与国际上气溶胶的发展结合起来，为读者提供更开阔的视野。 第三版是第二版的更新和升华，与第二版相比，它增加了气溶胶测量的新成果和技术应用，如气溶胶测量技术在公众健康、气候变化、纳米技术、药学研究、核废物处置方面的应用，内容更加丰富，满足相关领域从业人员参考学习的需求。

原著前言
谨将此书献给我们的同事和合编者，已故的Paul Baron。经过与癌症病魔的长期斗争，Paul于2009年5月20日离开了我们，直到他生命的最后几天，他还积极地参与到本书的编辑筹备工作中。在气溶胶科学领域，他是一名充满热情的斗士，他为气溶胶测量做出了突出的贡献，他的谦逊、活力和睿智激励着缅怀他的同事和朋友们继续前进。
近几十年，气溶胶测量科学发展迅速。从20世纪早期简单的大气尘重量测量到最先进的接近实时的粒径和组分测量，这些进步令人振奋，而且测量技术广泛应用于公众健康、环境保护、气候研究、医学和工业技术领域。20世纪80年代末，由于需要评估颗粒物污染控制设备，并且需要找到更好的方法来监测“不良”室内和室外气溶胶，促使新的测量方法发展起来。随后几年，很多监测方法和设备开发出来，以应对新发布的环境和职业健康法规。最近，气溶胶测量仪器的发展推动了我们对大气气溶胶过程的了解，尤其是在大气和气候研究方面。在工业领域，监测“良性”气溶胶的测量技术也充分发展起来。随着纳米科技的到来，气溶胶测量技术不仅应用在功能性纳米材料生产领域中，而且在最小化环境和职业暴露风险中，也要用到气溶胶测量技术。在很多领域中，气溶胶测量都至关重要，包括工业卫生、空气污染、流行病学、大气科学、材料科学、粉末技术、纳米技术、过滤、颗粒毒理学和给药。因而，近年来选修气溶胶科学和测量课程的大学生和研究生明显增加。美国、欧洲和亚洲气溶胶研究学者的快速增多，也体现出这个领域的日益重要性。
本书全面展示了基本理论、技术以及气溶胶测量的仪器设备和方法。从发展历史来看，从公众健康和空气污染、气候研究，到工业技术的实际应用都促进了气溶胶测量技术的发展。反过来说，大多数测量技术源自物理科学中的各种原理，比如斯托克斯定律、米利肯实验或者布朗运动。因此，本书分为三部分：原理、技术和应用。本书的第一部分介绍了与气溶胶测量有关的基本物理概念，并让读者对各种类型的设备有大概认识。第二部分按照测量技术的原理分类，分章介绍一种或者一组设备。第三部分讨论第二部分介绍的仪器设备在不同领域的应用，从环境空气监测、工作场所大气监测、生物质气溶胶、飞行器测量、材料合成到药物气溶胶，每个领域都需要测量特定的气溶胶特征，因此要应用一种或一组测量技术。希望本书能成为气溶胶测量科学和应用之间的桥梁。
本书第三版在第二版的基础上做了很多改变，删除或合并了一些章节，增加了新的章节。删掉了“气溶胶测量的历史回顾”，因为大家都能找到此类资料。其余冗长的内容，包括无组织尘排放、矿井气溶胶测量和放射性氡，只将一些关键性的内容整合到相应的章节中。介绍光学设备的两个章节合并成了一个章节。有些章节介绍的设备已经不再使用或者已不再商业化，也进行了浓缩。所有章节都进行了升级，可以反映出第二版出版以来气溶胶测量的发展。增加了一些新的在其他地方没出现过的章节，包括电喷技术、气溶胶卫星测量技术、新粒子形成、5nm以下气溶胶粒子测量、大粒子（>10μm）测量、电传感气溶胶测量设备，最后还介绍了可吸入粒子的健康效应。健康效应这一章，虽然和气溶胶测量没有直接关系，但是，可以为那些应用气溶胶测量来研究健康效应的科学家和工程师们提供更广阔的前景，对他们应该有所帮助。
对这类书来说，在有限的内容空间里，兼顾气溶胶测量理论和应用两方面内容的平衡不太容易。著者们在确保高质量章节的同时，为达到这一高难度的平衡而做出的尝试值得称赞。我们感谢他们在本次工作量极大、单调乏味的修订中表现出的耐心。在编辑过程中，我们力求本书的内容和表现形式能被更广泛的读者群接受，包括研究生、大学生、从事气溶胶测量工作的新成员，以及有经验的气溶胶科学家和工程师。我们还力求确保每个章节的术语和定义尽可能地保持一致。在每个章节的最后，列出了本章中出现的符号清单。很多章节中还列举了大量例子来解释主要的概念。
我们在章节间大量运用了前后对照，以便读者能在不同的章节中快速找到相关主题。书后的各个附录可以提供快速有用的参考。
我们要真心感谢许多来自气溶胶领域的同仁们，他们给予了本书大力支持。100余名校对者帮助我们校对了每个章节，感谢他们为本书付出的时间和专业技能。感谢Prasoon Diwakar、Chaolong Qi和Greg Deye在最后的手稿准备阶段给予的帮助。还要感谢John Wiley出版社的Bob Esposito、Michael Leventhal和Christine Punzo在本书准备阶段给予的帮助。感谢Mary Safford Curioli优秀的编辑技术和Nick Barber的高效协调。P.K.要感谢他的夫人Debjani在这个漫长的过程中给他的支持和鼓励。K.W.自2003年从辛辛那提大学退休后，就居住在加利福尼亚州的奥林达，在此，他感谢夫人Audrone给予的支持。

Pramod Kulkarni
俄亥俄州 辛辛那提
Klaus Willeke
加利福尼亚州 奥林达

白志鹏，中国环境科学研究院，国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室主任，南开大学环境科学研究中心主任，天津市城市空气污染防治技术推广中心主任，教授 博导，1986.09-1990.07 南开大学环境科学系环境化学专业，获理学学士学位
1990.09-1992.07 南开大学环境科学系环境化学专业，攻读硕士学位
1992.09-1995.06 南开大学环境科学系环境化学专业，获理学博士学位
1995.06-1997.12 南开大学环境科学系讲师
1995.09-1997.10 南开大学环境科学系环境规划与管理教研室副主任
1997.12-2000.10 破格晋升为南开大学副教授
1997.10-2000.07 美国环境和职业健康科学研究所暴露测量和评价室 博士后
2000.07-2000.10 美国沙漠研究所大气科学中心访问教授
2000.10-2011.12 引进人才，南开大学教授，南开大学环境科学与工程学院
2012.1至今 中国环境科学研究院气溶胶室引进专家
2000.10-至今 南开大学环境科学研究中心大气室主任，城市空气污染防治研究中心主任
2002.01-至今 南开大学博士生指导教师
2002.09-至今 南开大学环境科学研究中心主任
2002.12 入选教育部"跨世纪优 秀人才培养计划"
2003.12-至今 天津市空气污染防治技术推广中心负责人
2004.12-至今 国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室主任
2005.01-至今 天津市气象科学研究所客座研究员
2007年入选“新世纪百千万人才工程”国家 人选 (国人部发〔2007〕155号

研究领域：空气颗粒物基准与标准，城市环境空气污染防治，灰霾的形成、危害与防控研究，开放源、燃油源、燃煤源表征与控制技术研究，源与环境采样技术研发，室内空气污染防治，暴露测量与环境风险评价，信息技术在环境科学中的应用。

《气溶胶测量原理、技术及应用》全面展示了气溶胶测量的基本理论、技术以及仪器设备和方法。该书分为三部分：原理、技术和应用。第一部分介绍了与气溶胶测量有关的基本概念，并让读者对各种类型的设备有大概认识。第二部分按照测量技术的原理分类，分章介绍一种或者一组设备。第三部分讨论第二部分介绍的仪器设备在不同领域的应用，涵盖从环境空气监测、工作场所大气监测、生物质气溶胶、飞行器测量、材料合成到药物气溶胶的各个领域。
本书既适合初学者阅读，又适合作为环境科研、环境监测、污染治理、大气科学、工业卫生等相关专业学者或工程师的参考资料，也可作为环境科学、环境监测、环境工程、大气科学等专业师生的教材。

第一部分基本理论
1气溶胶概论2
1.1引言2
1.2单位和公式3
1.3术语4
1.4影响气溶胶行为的参数5
1.4.1粒径和粒子形状5
1.4.2粒子浓度6
1.4.3粒径分布7
1.4.4粒子吸附和分离7
1.4.5外加力9
1.5选用气溶胶测量设备的注意事项9
1.6参考文献10

2单粒子传输基本原理14
2.1引言14
2.2连续流14
2.2.1雷诺数15
2.2.2流线15
2.2.3马赫数15
2.2.4层流和湍流16
2.2.5边界层16
2.2.6滞流16
2.2.7泊肃叶流17
2.2.8经过弯管、紧缩、扩张处的流体17
2.2.9气体密度17
2.2.10黏度18
2.3滑移流区18
2.3.1空气平均自由程19
2.3.2克努森数19
2.4曳力和迁移率19
2.4.1连续流19
2.4.2滑移流20
2.4.3曳力系数20
2.4.4机械迁移率21
2.5布朗扩散22
2.5.1气体扩散22
2.5.2粒子扩散22
2.5.3贝克来数23
2.5.4施密特数24
2.6粒子在外力场中的运动24
2.6.1粒子在重力场中的运动24
2.6.2粒子在电场中的运动27
2.6.3粒子在其他外力场中的运动29
2.7符号列表31
2.8参考文献33

3气溶胶系统中的物理化学过程34
3.1引言34
3.1.1定义34
3.1.2开尔文效应35
3.2凝结36
3.2.1生长率36
3.2.2生长所需时间38
3.3成核现象38
3.3.1均相成核38
3.3.2异相成核38
3.3.3平衡状态39
3.4蒸发39
3.4.1蒸发速率39
3.4.2干燥时间39
3.5凝聚41
3.5.1简单单分散凝聚41
3.5.2多分散凝聚42
3.5.3动力凝聚43
3.6反应44
3.6.1反应45
3.6.2吸收45
3.6.3吸附45
3.7参考文献46

4气溶胶的粒径分布特征47
4.1粒径和粒径分布的基本概念47
4.1.1粒径定义47
4.1.2粒径分布47
4.1.3粒径分布函数的应用49
4.2大气气溶胶49
4.2.1引言49
4.2.2Whitby模型51
4.2.3核模态，粒径范围0.005～0.1μm52
4.2.4积聚模态，粒径范围0.1～2μm53
4.2.5粗粒子模态，粒径范围大于2μm56
4.3室内气溶胶57
4.4工业气溶胶59
4.5粒径分布中的模态广义模型59
4.6符号列表60
4.7参考文献60

5气溶胶测量方法63
5.1引言63
5.2质量保证：测量计划63
5.3测量准确度64
5.4粒径范围64
5.5离线测量65
5.6实时测量66
5.6.1滤膜采集粒子的测量66
5.6.2单粒子实时测量66
5.7气溶胶测量误差68
5.7.1采样和传输69
5.7.2检测器响应与灵敏度70
5.7.3检测器的重合误差71
5.7.4密度和其他物理性质的校正71
5.7.5气溶胶采样统计73
5.8粒径分布的表示方法74
5.9参考文献76

第二部分技术
6气溶胶在采样入口和管路中的输送78
6.1引言78
6.1.1校准80
6.1.2样品提取80
6.1.3样品输送81
6.1.4其他采样问题81
6.1.5小结82
6.2样品提取82
6.2.1效率84
6.2.2用薄壁采样嘴在流动气体中采样86
6.2.3同轴采样87
6.2.4用钝形采样器在流动气体中采样95
6.2.5静止空气中的采样97
6.2.6低速气流中的采样100
6.3样品输送101
6.3.1采样管路中的重力沉降102
6.3.2采样管路中的扩散103
6.3.3采样管路中的湍流惯性沉积或涡流105
6.3.4弯管内的惯性沉积108
6.3.5采样管路中气流压缩元件的惯性沉积109
6.3.6采样管路中的静电沉积110
6.3.7采样管路中热迁移沉积111
6.3.8采样管路中的扩散迁移沉积112
6.3.9储存舱与储存袋内的沉积113
6.4其他采样问题114
6.4.1稀释状况下的采样114
6.4.2采样管路与入口处的阻塞115
6.4.3沉积物的再悬浮现象116
6.4.4入口和传送管道中粒子浓度的不均一性116
6.5结论117
6.6符号列表118
6.7参考文献120

7滤膜采样和分析123
7.1引言123
7.1.1过滤技术的应用123
7.1.2气溶胶测量124
7.2过滤采集的原理124
7.3气溶胶测量所用滤膜126
7.3.1纤维滤膜127
7.3.2薄膜滤膜128
7.3.3毛细孔滤膜130
7.3.4其他滤膜130
7.4过滤原理131
7.4.1纤维滤膜原理132
7.4.2薄膜滤膜和毛细孔滤膜过滤效率137
7.4.3压降138
7.4.4负载作用138
7.5滤膜误差139
7.5.1湿度效应139
7.5.2非水蒸气吸收产生的误差141
7.5.3滤膜采集样品的挥发141
7.5.4粒子反弹142
7.6滤膜选择142
7.6.1称重分析143
7.6.2显微分析144
7.6.3微量化学分析144
7.6.4微生物分析145
7.7符号列表145
7.8参考文献146

8惯性、重力、离心和热收集技术149
8.1引言149
8.2惯性分离器150
8.2.1惯性分离器的原理153
8.2.2概述154
8.2.3测量对策165
8.2.4设计仪器时的注意事项165
8.2.5冲击式采样器应用实例167
8.2.6粒径分布数据分析169
8.3沉降装置和离心机170
8.4热力沉降172
8.5符号列表173
8.6参考文献173

9大气气溶胶的化学分析方法177
9.1引言177
9.2范围和目的178
9.3连续方法181
9.3.1阴阳离子分析方法181
9.3.2粒子中的碳183
9.3.3微量元素187
9.3.4粒子结合水187
9.4实验室方法188
9.4.1有机物质188
9.4.2微量元素分析192
9.5总结195
9.6符号和缩写列表195
9.7参考文献197

10单粒子的显微技术微量分析204
10.1引言204
10.2光学显微镜207
10.2.1基本原理207
10.2.2仪器介绍207
10.2.3性能和应用208
10.3用电子束分析粒子213
10.3.1电子束发射原理213
10.3.2性能214
10.3.3分析时需要考虑的事项218
10.3.4采用分析电子显微镜分析超细粒子218
10.3.5用于大粒子分析的电子探针和扫描电镜224
10.3.6蒙特卡洛分析230
10.3.7低电压分析法232
10.3.8应用扫描电镜对粒子进行自动化分析236
10.3.9用电子显微镜分析纤维240
10.4激光微探针质谱分析241
10.4.1基本原理241
10.4.2相关仪器242
10.4.3分析能力243
10.5次级离子质谱分析247
10.5.1基本原理247
10.5.2相关仪器248
10.5.3分析能力248
10.5.4在粒子分析中的应用248
10.6拉曼微探针250
10.6.1振动光谱的基本原理250
10.6.2相关仪器251
10.6.3分析能力251
10.6.4在粒子分析中的应用252
10.7红外显微镜法253
10.7.1基本原理253
10.7.2相关仪器253
10.7.3分析能力253
10.7.4在粒子分析中的应用254
10.8扫描探针显微镜法254
10.8.1操作原理254
10.8.2分析能力255
10.8.3应用256
10.9基于大型设备的仪器与技术258
10.9.1扫描透射X射线显微光谱/近边X射线吸收精细结构光谱258
10.9.2质子诱导X射线发射258
10.10对微量分析仪器性能的补充说明259
10.11致谢260
10.12符号列表260
10.13参考文献260

11质谱仪实时颗粒物分析268
11.1引言268
11.2入口设计269
11.2.1粒束形成269
11.2.2设计进口时要考虑粒子束传输270
11.2.3粒子检测274
11.3粒子分级274
11.4粒子蒸发和电离276
11.4.1连续电离方法276
11.4.2单步激光消融和电离276
11.4.3两步激光消融和电离277
11.5质量分析278
11.5.1四极杆质量分析仪278
11.5.2飞行时间质量分析仪278
11.5.3离子阱质量分析仪280
11.6质谱图分类方法280
11.6.1单颗粒质谱图的聚类算法280
11.6.2颗粒物团的质谱图分类281
11.6.3质谱仪数据和其他数据的结合281
11.7综合考虑-选择仪器282
11.7.1单颗粒物分析：所有颗粒物分级284
11.7.2单颗粒物分析：扫描颗粒物粒径测试285
11.7.3颗粒物团分析：AMS系列仪器286
11.7.4颗粒物团分析：有机分子分析287
11.8符号列表288
11.9参考文献289

12半连续质量测量292
12.1引言292
12.2β衰减监测仪293
12.2.1测量原理293
12.2.2仪器设计294
12.2.3理论因素294
12.2.4潜在偏差295
12.2.5结果与应用296
12.3锥形元件微量振荡天平测量法297
12.3.1测量原理297
12.3.2锥形元件微量振荡天平的类型298
12.3.3潜在偏倚299
12.3.4结果和应用300
12.4气溶胶颗粒物质量分析仪301
12.4.1测量原理301
12.4.2应用303
12.5石英晶体微量天平303
12.6Dekati 质量监测仪304
12.7连续环境空气质量监测仪305
12.8符号列表306
12.9参考文献306

13光学测量技术：基本理论及应用309
13.1引言309
13.2光散射和消光理论309
13.2.1截面310
13.2.2小颗粒：瑞利散射313
13.2.3“软”颗粒：Rayleigh-Debye-Gans散射315
13.2.4任意尺寸球体与折射率：米散射理论317
13.2.5Rayleigh-Debye-Gans分形聚集散射320
13.2.6多重散射322
13.2.7粒子的整体散射322
13.2.8非球形颗粒323
13.3动态光散射323
13.3.1DLS实验323
13.3.2流动系统325
13.4实验室试验方法325
13.5光学测量技术：非原位遥感326
13.5.1引言326
13.5.2单粒子光学计数器327
13.5.3多重粒子光学技术337
13.6光学测量技术：原位传感340
13.6.1引言340
13.6.2概述341
13.6.3基于光强的单粒子计数器344
13.6.4单粒子计数器：成像351
13.7结论352
13.8符号列表352
13.9参考文献354

14空气动力学粒径测量实时技术359
14.1引言359
14.2电学-单粒子空气动力学弛豫时间分析器360
14.2.1操作原理360
14.2.2同时采用声场和电场驱动的E-SPART分析器366
14.2.3电学-单粒子空气动力学弛豫时间分析器369
14.2.4在不同的气象状况下测量：应用于火星和纳米粒子的测量372
14.3空气动力学粒径谱仪372
14.3.1测量原则372
14.3.2典型的空气动力学粒径谱仪类型373
14.3.3颗粒物大小378
14.3.4应用381
14.3.5空气动力学粒径谱仪性能简介381
14.4气溶胶粒径分级器382
14.4.1测定原理382
14.4.2用球形粒子校准383
14.4.3非球形粒子和液滴的仪器响应384
14.4.4气溶胶粒径分级器与APS 的对比385
14.5符号列表386
14.6参考文献387

15电迁移率方法表征亚微米颗粒390
15.1引言390
15.2带电粒子的运动规律391
15.2.1迁移和扩散的关系392
15.3粒子采样392
15.3.1静电除尘392
15.4粒径分布测量393
15.4.1差分电迁移率分析仪394
15.4.2差分电迁移率粒径谱仪400
15.4.3扫描电迁移率粒径谱仪401
15.5气溶胶的带电条件402
15.5.1平衡电荷分布402
15.5.2扩散带电：电荷转移动力学403
15.5.3场带电405
15.5.4离子的产生406
15.5.5光电子发射带电407
15.5.6纳米粒子带电408
15.6数据分析和反演408
15.6.1扫描和快速电迁移率分析中的瞬时效应409
15.6.2增电压扫描和减电压扫描的区别411
15.6.3飞行时间迁移率分析仪411
15.7交替迁移率分析仪设计411
15.7.1并行粒径分析411
15.7.2新型迁移率分析仪设计412
15.8符号列表413
15.9参考文献416

16扩散分离采样技术及设备419
16.1引言419
16.2扩散测量技术理论419
16.2.1管道类型420
16.2.2网筛类型422
16.3扩散溶蚀器422
16.3.1扩散溶蚀器的描述423
16.3.2涂层材料425
16.3.3取样阵列426
16.4扩散组采样器种类427
16.4.1扩散组采样器的描述427
16.4.2颗粒探测431
16.4.3数据分析431
16.5结论433
16.6符号列表433
16.7参考文献434

17凝结核粒子计数器437
17.1引言437
17.2凝结理论437
17.2.1过(度)饱和437
17.2.2液滴的生长439
17.2.3液滴的检测439
17.3凝结核粒子计数器440
17.3.1凝结核粒子计数器介绍440
17.4CPC性能446
17.4.1校准和评估446
17.4.2CPC的缺陷和发展前景446
17.5符号列表448
17.6参考文献448

18基于电学的气溶胶检测仪器450
18.1引言450
18.2单极扩散荷电451
18.2.1每个粒子的平均电荷451
18.2.2影响荷电的其他因素451
18.2.3混合电场和扩散荷电453
18.2.4荷电设计考虑因素453
18.2.5实验荷电结果453
18.2.6电晕荷电的潜在偏差455
18.3法拉第笼静电计检测455
18.4基于荷电的扩散感应器456
18.4.1TSI 电气溶胶检测仪、纳米粒子表面监测仪及便携式激光粒子计数器457
18.4.2扩散粒径分级器和纳米气溶胶监测仪458
18.5电检测迁移率光谱仪460
18.5.1电感应迁移率光谱仪的商业化和发展460
18.5.2电感应迁移率光谱仪的理论463
18.5.3电感应迁移率光谱仪的检出限和动力学范围464
18.5.4电感应迁移率光谱仪中迁移率分布的反演465
18.5.5电感应迁移率光谱仪的应用467
18.6电低压冲击式采样器467
18.6.1测量原理467
18.6.2仪器设计467
18.6.3理论考虑因素和校准468
18.6.4数据反演469
18.6.5潜在偏差470
18.6.6应用470
18.7符号列表471
18.8参考文献473

19粒子的电动悬浮476
19.1引言476
19.2电动力天平的结构476
19.3天平操作方法478
19.4悬浮原理及其应用479
19.4.1重量分析479
19.4.2作用力测量480
19.5热迁移482
19.6粒子动力学483
19.7粒子分级485
19.7.1光散射485
19.8形态依赖性共振488
19.9质量与电荷测量490
19.10克努森区蒸发492
19.11非弹性光散射493
19.12结语494
19.13符号列表495
19.14参考文献496

20锥-射流电喷雾原理499
20.1引言499
20.2基本原理500
20.2.1实验概述与实际因素500
20.2.2标度定律、所需的液滴物理性质及操作域501
20.2.3液体破裂、液滴分散以及单分散性504
20.2.4雾化区、库仑破裂505
20.2.5锥-射流模式的局限以及可能的改进506
20.3电喷雾的应用510
20.3.1电喷雾质谱511
20.3.2胶体和离子推进器511
20.3.3颗粒物合成511
20.3.4微燃烧512
20.4致谢512
20.5符号列表512
20.6参考文献513

21气溶胶测量仪器的校准516
21.1引言516
21.2测量方法和校准标准517
21.3总则517
21.3.1仪器校准的基本原理518
21.3.2监测环境518
21.3.3选择研究参数519
21.3.4设计校准程序519
21.3.5选择试验气溶胶519
21.3.6分析数据519
21.3.7溯源性520
21.3.8安全措施520
21.3.9校准的不确定性520
21.4校准设备和程序521
21.4.1仪器校准的一般通用方法523
21.5试验气溶胶发生器523
21.5.1球形单分散性气溶胶524
21.5.2单分散性非球形粒子530
21.5.3多分散性气溶胶的粒径分级530
21.5.4多分散性气溶胶531
21.5.5用标识材料测试气溶胶535
21.6流量、压力和流速校准535
21.6.1流量测量535
21.6.2压力测量538
21.6.3速度测量539
21.7校准仪器540
21.7.1粒径分级仪器540
21.7.2凝结核计数器540
21.7.3质量浓度监测仪543
21.8校准过程总结543
21.9参考文献544

22粒径分布的数据分析和表达方法548
22.1引言548
22.2粒径类型548
22.3粒子形状549
22.4粒径分布549
22.4.1平均值、中值和标准偏差549
22.4.2柱状图550
22.4.3连续分布553
22.4.4正态（高斯）分布553
22.4.5对数正态分布554
22.4.6幂律分布557
22.4.7其他分布558
22.5浓度分布558
22.5.1正态分布559
22.5.2对数正态分布559
22.5.3泊松分布559
22.5.4Hatch-Choate关系560
22.5.5幂律分布的首要问题——线性回归561
22.6粒径分布绘图摘要562
22.6.1累积分布与频数分布的表达方法562
22.6.2绘图数据与合适的曲线563
22.6.3在线性轴上绘图563
22.6.4在变换轴上绘图563
22.6.5绘制对数概率曲线564
22.7置信区间和误差分析565
22.7.1置信区间565
22.7.2误差分析：误差传递567
22.8粒径分布验证假设567
22.8.1正态分布数据的分析：student’s-t检验568
22.8.2相关性和回归568
22.8.3计数量分布的χ2检验568
22.8.4数量或质量分布的Kolmogorov-Smirnov检验569
22.9重合误差569
22.10粒径区间划分的选择570
22.11数据反演571
22.11.1问题：积分公式571
22.11.2转换成一组线性方程来解决问题572
22.11.3公式个数（N）多于未知数个数（m）时的公式解法573
22.11.4吉洪诺夫修正574
22.11.5基函数合成补偿576
22.11.6其他方法576
22.12符号列表577
22.13参考文献578

第三部分应用
23非球形粒子测量：形状因子、分形和纤维582
23.1引言582
23.2非球形粒子动力学形状因子582
23.2.1物理变量582
23.2.2动力学形状因子583
23.2.3滑流修正系数585
23.2.4动力学形状因子的测量586
23.3分形粒子588
23.3.1概述588
23.3.2分形凝聚体589
23.3.3真实空间分析591
23.3.4投射图像分析592
23.3.5二元投影分析593
23.3.6Df>2的凝聚体598
23.3.7分形凝聚体的迁移性和动力学形状因子599
23.4纤维602
23.4.1引言602
23.4.2纤维形状603
23.4.3纤维行为特征605
23.4.4在实验室内合成纤维610
23.4.5纤维对健康的影响611
23.4.6纤维的控制管理612
23.4.7检测技术613
23.5符号列表617
23.6参考文献619

24生物粒子采样627
24.1引言627
24.2生物气溶胶类型628
24.2.1细菌628
24.2.2真菌630
24.2.3病毒631
24.2.4花粉631
24.2.5猫、狗、屋尘螨和蟑螂过敏原631
24.3生物气溶胶的来源632
24.4一般采样注意事项633
24.4.1采样策略633
24.4.2生物气溶胶采样器的采样效率633
24.5生物气溶胶的采样原则635
24.5.1通过惯性冲击去除粒子637
24.5.2切割粒径的数值估计637
24.6采样时间639
24.6.1被收集粒子的表面密度639
24.6.2固体表面采样器的最佳采样时间640
24.6.3冲击式采样器和过滤式采样器的最佳采样时间641
24.7采样器的选择643
24.8校准644
24.9污染645
24.10样品分析645
24.10.1显微镜646
24.10.2基于培养的分析方法646
24.10.3其他分析方法646
24.11数据分析解释647
24.12符号列表647
24.13参考文献648

25工作场所气溶胶测量652
25.1引言652
25.2工作场所气溶胶的暴露测量653
25.2.1健康研究相关的采样653
25.2.2沉积区域653
25.3采样标准654
25.3.1按暴露规则采样656
25.3.2按采样要求选择采样器656
25.3.3选择滤膜和基底658
25.3.4泵的选择661
25.4直读仪器661
25.4.1光散射662
25.4.2锥形元件振荡微量天平663
25.4.3其他直读仪器和方法663
25.5粒径测量663
25.5.1采样策略664
25.6目前的发展趋势666
25.6.1工作场所柴油粒子666
25.6.2有毒物质667
25.6.3工程纳米材料667
25.6.4气溶胶和蒸气采样668
25.6.5渗透与沉积668
25.7符号列表668
25.8参考文献669

26环境气溶胶采样674
26.1引言674
26.2采样系统组件675
26.2.1粒径选择性采样口和粒子分级器675
26.2.2采样器结构材料679
26.2.3溶蚀器680
26.2.4滤膜托681
26.2.5滤膜681
26.2.6测量和控制流量683
26.2.7流量原动力684
26.3采样系统684
26.4采样系统的选择686
26.5结论689
26.6致谢689
26.7参考文献689

27室内气溶胶暴露评价698
27.1引言698
27.2浓度和暴露698
27.3测量、采样及分析策略699
27.3.1监测方法699
27.3.2气溶胶采样和分析705
27.4确定所需数据708
27.4.1研究设计所要考虑的事情708
27.4.2时间和空间要素709
27.4.3分析和质量保证因素709
27.5非职业暴露研究类型711
27.5.1个体/室内/室外研究712
27.5.2源解析研究713
27.5.3流行病学群组研究713
27.6暴露模型714
27.6.1个体云暴露模型714
27.6.2浓度-暴露模型714
27.6.3暴露-剂量模型715
27.6.4室内渗透模型716
27.7总结716
27.8参考文献716

28放射性气溶胶720
28.1引言720
28.2放射和放射性衰变720
28.2.1放射线种类720
28.2.2放射性衰变的半衰期721
28.2.3放射性比活度722
28.2.4放射性气溶胶源722
28.2.5吸入暴露限值723
28.2.6粒子大小和溶解度的影响724
28.3放射检测725
28.3.1闪烁计数726
28.3.2电离室设备726
28.3.3固态检测726
28.3.4放射自显影法、径迹蚀刻和其他检测系统726
28.3.5校准727
28.4放射性气溶胶的检测目的727
28.5标准测量技术的应用728
28.5.1光学粒子计数728
28.5.2用于显微镜检测的粒子采集729
28.5.3过滤729
28.5.4惯性采样730
28.5.5电学性质的测量730
28.5.6容积式表层采样器、冲击式采样器、冷阱和吸附器731
28.5.7分析化学技术731
28.6放射性气溶胶的特殊分析技术731
28.6.1利用放射自显影法检测单个粒子731
28.6.2测定粒子的溶解性和生物学行为731
28.6.3等密度梯度超速离心法测定密度732
28.6.4氪85吸附法测表面积733
28.6.5放射性核素的实时监测733
28.6.6放射性粒子的远程检测736
28.6.7从烟道和排气管中采样737
28.7结论737
28.8致谢737
28.9符号列表737
28.10参考文献738

29飞机测量云和气溶胶粒子742
29.1引言742
29.2颗粒物机载采样和测量技术743
29.2.1粒子采样及运输的测量要求743
29.2.2机舱外气溶胶测量744
29.3空气中颗粒物机载采样及检测时需考虑的影响因子745
29.3.1采样时压力与温度的变化745
29.3.2针对飞机引起的空气扰动进行气溶胶采样修正746
29.3.3传感器壳对气流的影响746
29.3.4非等速采样746
29.3.5采样口与自由气流偏离747
29.3.6采样口处的紊流附着沉积747
29.3.7输送损失747
29.3.8采样口性能和意外的检验748
29.4采样口小结748
29.5结论751
29.6参考文献751

30气溶胶的卫星测量技术754
30.1引言754
30.2卫星遥感背景755
30.3气溶胶物理和光学特性756
30.4卫星气溶胶探测和测量法则759
30.5卫星气溶胶测量系统面临的挑战762
30.6卫星数据和信息系统763
30.7应用763
30.8未来展望765
30.9致谢765
30.10缩写列表765
30.11参考文献766

31大气新粒子生成：物理和化学测量768
31.1引言768
31.2目前新粒子生成过程认识概要770
31.3新粒子生成事件个例分析771
31.4核化速率测量773
31.4.1小于3nm粒子测量仪器773
31.4.2测量直径小于3nm气溶胶粒径分布的仪器775
31.5纳米粒子生长机制的测量777
31.5.1间接测量778
31.5.2直接离线测量779
31.5.3直接在线测量779
31.6结论780
31.7致谢780
31.8符号列表781
31.9参考文献781

32直径小于3nm气溶胶的电分级和冷凝检测784
32.1引言784
32.2粒径标准785
32.3微型DMA786
32.3.1DMA分辨率的限制786
32.3.2扩散展宽、短DMA和高雷诺数787
32.3.3超临界圆柱形DMA788
32.3.4宽粒径范围、大径向尺寸的nano-DMA792
32.3.5微迁移率分析仪在适当流量下实现高分辨率793
32.3.6平面DMA与高纳米粒子传输794
32.3.7DMA和大气压力源质谱仪的串联使用794
32.4纳米凝结核计数器795
32.4.1引言795
32.4.2工作流体的作用796
32.4.3纳米级凝结核计数器类型797
32.4.4理论思考798
32.4.5理论与实验之间的对比802
32.4.6基于毛细管模型的流体选择标准803
32.5总结与结论806
32.6致谢806
32.7符号列表807
32.8参考文献809

33高温气溶胶：纳米颗粒膜的测量和沉积813
33.1引言813
33.2沉积种类的形成814
33.2.1热迁移薄膜沉积系统814
33.2.2化学汽/粒子沉积814
33.2.3单粒子沉积与凝聚粒子沉积815
33.3高温气溶胶的稀释采样和检测816
33.3.1一级稀释系统817
33.3.2一级稀释采样探头的要求819
33.3.3二级稀释系统819
33.3.4有机气溶胶稀释采样822
33.4高温气溶胶的现场实时测量822
33.5基底上的粒子烧结823
33.5.1同步烧结与沉积823
33.5.2沉积后烧结824
33.6能源和环境中的纳米技术应用825
33.6.1腐蚀保护825
33.6.2光催化净化水和空气825
33.6.3太阳能应用825
33.6.4光催化分解水826
33.7符号列表827
33.8参考文献827

34大气中大颗粒物的特征和测量830
34.1引言830
34.2大颗粒物质量粒径分布831
34.3大颗粒物的大气采样832
34.3.1概述832
34.3.2吸气装置833
34.3.3具有特殊入口的吸入采样器833
34.3.4钝物仪器（旋转臂）835
34.4大气干沉降通量的测定837
34.4.1测量大颗粒物干沉降通量的方法837
34.4.2人造光滑地表838
34.4.3沉降速度838
34.4.4大颗粒物沉降模型840
34.5结论841
34.6符号列表842
34.7参考文献843

35通过气溶胶过程生产材料844
35.1材料844
35.2气溶胶过程846
35.2.1气体-粉末转化847
35.3测量技术852
35.3.1颗粒物性质：粒径、形状和结构852
35.3.2物理性质：机械稳定性857
35.3.3化学组成：元素组成，体积857
35.3.4化学组成：元素组成，表面感应859
35.3.5化学组成：热化学性质860
35.3.6化学组成：晶像860
35.3.7其他方法861
35.4参考文献862

36洁净室中气溶胶的测量866
36.1引言866
36.2洁净室866
36.3颗粒物检测869
36.4标准和推荐做法871
36.5ISO标准14644-1和14644-2872
36.5.1ISO 14644-1分类定义872
36.5.2按照ISO 14464-2洁净室等级分类的验证程序874
36.6测量粒子排放876
36.6.1密闭箱法877
36.6.2流动管法877
36.6.3局限878
36.7有活性的气溶胶878
36.8监测879
36.9总结879
36.10结论879
36.11符号列表880
36.12参考文献881

37吸入毒理学中的采样技术882
37.1引言882
37.2基本的吸入毒理学暴露系统882
37.2.1均匀混合整体式暴露仓882
37.2.2塞流式整体暴露仓883
37.2.3鼻式或头式暴露系统883
37.2.4封闭回路式暴露系统884
37.3暴露系统的属性884
37.4基本采样技术和策略886
37.4.1一般采样系统886
37.4.2恒流暴露系统的采样技术887
37.4.3塞流式暴露系统的采样技术888
37.5结语890
37.6参考文献890

38影响肺部对颗粒物反应的因素891
38.1引言891
38.2肺的解剖结构892
38.3粒子沉积893
38.4粒子清除894
38.5影响生物活性粒子的特点896
38.6影响纳米粒子生物活性的因子897
38.7结论899
38.8参考文献899

39药用气溶胶和诊断性吸入气溶胶的测量902
39.1引言902
39.1.1给药途径902
39.1.2药用和诊断性吸入气溶胶的类型903
39.1.3药用和诊断性吸入气溶胶的物理化学性质903
39.2药用气溶胶的给药途径903
39.2.1鼻内式气溶胶903
39.2.2吸入式气溶胶904
39.3诊断性吸入气溶胶908
39.3.1诊断性吸入气溶胶的类型908
39.3.2输送原理和输送系统909
39.4药用和诊断性吸入气溶胶的特征910
39.4.1物理化学性质的测量910
39.4.2呼吸道沉积912
39.4.3药用气溶胶的非理想行为913
39.4.4呼吸道沉积物（药物代谢动力学）913
39.4.5功效和毒性914
39.5药用气溶胶和诊断性吸入气溶胶测量中存在的问题917
39.6结论917
39.7参考文献917

附录920
附录A术语汇编920
附录B单位换算930
附录C基本物理常数932
附录D空气和水的一些物理性质933
附录E重要的无量纲数934
附录F粒子性质935
附录G几何公式936
附录H常见气溶胶物质的容积密度937
附录I生产商与供应商938

索引961