Research facilities

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中心研究設施

 

氣膠真空紫外光電子光譜儀

 

在諸多氣膠的基礎物理化學特性中,價電子(valence electronic shell) 能級結構最能直接反映出特定化學組成之氣膠微粒與其他物質發生反應(如氧化還原反應)時的特性。而紫外光光電子光譜則是能夠探測物質價電子能級結構之強大工具。雖然光電子光譜技術在探測氣態及固態物質的發展上已臻成熟,然而光電子光譜在探測液態物質及氣膠在技術上卻具高度挑戰性 !! 然而, 在眾多光譜技術中,光電子光譜是能夠探測氣膠或PM2.5細懸浮微粒之電子能級結構及其可能對應的化學特性最強而有力的工具。而在電子能級結構中,價電子(valence electronic shell)能級結構又較核心電子(core electronic shell)能級結構更能直接反映出特定化學組成之PM2.5細懸浮微粒與其他物質發生反應(如氧化還原反應)時的特性

       本實驗室自行開發建置了一套高解析度之氣膠VUV光電子光譜儀,能夠探測氣膠的價電子能級甚至振動能級結構,及其隨週遭之化學環境的變化都能夠解析出來,為探測奈米級氣膠的量子能級結構提供強而有力的實驗工具。由於一物質的價電子能級結構是決定該物質如何與其他物質發生化學反應最直接的量測,因此透過氣膠紫外光光電子光譜儀將可提供有關特定PM2.5氣膠之價電子能級特性及其可能如何與環境中之週邊化學物質或體內其他生物分子反應的寶貴資訊。

       大氣中的氣膠,很大部分是以微細水溶液滴的形態存在。另一方面,許多生物分子在行使其生物功能時,也是處於水溶液的環境,因此探測物質在液態或水溶液狀態下的特性是許多科學家致力追求的目標。此尖端新穎之氣膠光譜技術透過將物質引入奈米級水溶液滴的狀態,提供了一絕佳的微觀水溶液環境進行光電子光譜偵測,並藉以釐清一些重要體系在水溶液環境下的價電子能級結構、溶劑效應甚至溶液酸鹼性對其造成的影響。

       氣膠真空紫外光光電子光譜儀可以分成三大部分: 包括: (I) 氣膠束源腔體,(II) 微分抽氣腔體,以及 (III) 光電子能譜主腔體。各實驗腔體區域則由不同大小的噴嘴(skimmers)所連接。聚焦後的氣膠粒子束將引入到微分抽氣腔體區使腔體壓力更進一步降低以使主腔體的壓力能夠達到光電子光譜之高真空需求。一旦氣膠粒子束進入光電子能譜主腔體後,將透過照射特定光能之游離光源致使氣膠粒子發生游離。游離出的光電子則被引入到高解析度之半球形電子能量分析儀中進行光電子動能分布之分析,以得到特定氣膠粒子之光電子能譜藉此了解該氣膠之價電子能級結構。

 

 

 

1.  可調式氣動聚焦系統 Adjustable aerodynamics lens system: 本實驗室客製化設計之可調式氣動聚焦進樣系統 (adjustable aerodynamic lens (AADL) system)。此AADL系統有以下的幾個目的: (1)樣品採集 (2)粒徑大小的選擇 (3)粒子準直並聚焦。而AADL的主要零件包括: (1)入口噴嘴 (2)粒子透鏡組 (3)粒子加速噴嘴。此AADL 系統已取得中華民國專利 (專利證號104126305)。

2. 游離光源: 由於我們希望了解氣膠懸浮微粒的化學特性,而價電子能級結構直接關係到一物質的化學活性,因此我們選擇利用由國家同步輻射研究中心所提供的真空紫外光 (U9, BL21B2) 作為游離光源。由同步輻射所提供之VUV光源具有高光通量以及光能可調之優點,因此為量測氣膠光電子能譜的優越游離光源。

VUV Synchrotron radiation at NSRRC : 1016~1017  photons/sec/mm2/mrad2 in the range of 5-30 eV, with a 0.1 % bandwidth

3. 半球型電子能量分析儀 (VG Scienta, R3000):

       一旦氣膠粒子束進入光電子能譜主腔體後,將透過照射特定光能之游離光源致使氣膠粒子發生游離。游離後所產生的光電子則被引入到高解析度之半球形電子能量分析儀 (hemispherical electron energy analyzer) 中進行光電子動能分布之分析,以得到特定氣膠粒子之光電子能譜,並從而了解該氣膠之價電子能級結構。

 

 

時間解析傅立葉轉換紅外光譜儀耦合

可變溫氣膠生成腔

 

由於氣膠的物理,化學及光學特性往往隨著其周邊環境之溫度, 壓力以及其他物質的存在而改變,我們實驗室架建了一套時間解析之低溫氣膠紅外光譜儀。藉由精確控制氣膠生成腔的溫度及壓力,氣膠的組成分子直接在氣膠腔中聚集(aggregate)成團簇(clusters) 並進而結核(nucleate) ,包括同質及異質結核(homogeneous and heterogeneous nucleation) 而形成。氣膠之相變化過程,結構特性以及其與周邊環境(如懸浮氣體之種類,壓力,溫度及其他粒子之存在與否等)之關聯性可由時間解析之傅立葉轉換紅外光譜儀 (time-resolved Fourier Transform Infrared Spectrometer)偵測而得。此實驗技術不僅可以偵測捕捉到細懸浮微粒發生化學反應過程中的反應中間體,更能在貼近實際大氣溫度及壓力下探測特定化學組成之PM2.5之生長及演變過程(如尺寸、結構或相變化)。由於溫度及壓力是影響細懸浮微粒之生成及轉化及反應速率相當關鍵的一重要因素,本技術能夠有系統地調整PM2.5實驗進行時所需溫度及壓力,使所得之實驗結果能夠更能如實呈現在實際大氣狀態下該特定成份之PM2.5的物理化學特性及反應快慢。此外,PM2.5如何受周遭其他物質影響或與週遭物質(如:臭氧或NOx, SO2等) 發生化學反應而轉變為其他次級氣膠 (secondary aerosols) 亦能透過此套設備進行系統性的探究。

時間解析低溫氣膠紅外光譜儀 time-resolved Fourier Transform Infrared Spectrometer 由於氣膠的物理,化學及光學特性往往隨著其周邊環境之溫度壓力而改變,我們實驗室架建了一套時間解析之低溫氣膠紅外光譜儀。藉由精確控制氣膠生成腔的溫度及壓力,氣膠的組成分子直接在氣膠腔中聚集(aggregate)成團簇(clusters) 並進而結核(nucleate) ,包括同質及異質結核(homogeneous and heterogeneous nucleation) 而形成。氣膠之相變化過程,結構特性以及其與周邊環境(如懸浮氣體之種類,壓力,溫度及其他粒子之存在與否等)之關聯性可由時間解析之傅立葉轉換紅外光譜儀 (time-resolved Fourier Transform Infrared Spectrometer)偵測而得。

 

■ 溫控式低溫氣膠 in-situ 生成腔

■ 可調光徑可大幅提高靈敏度及訊噪比

■ 可直接觀測氣膠粒子生成及其隨時間及週邊環境影響的結構變化過程

 
 

拉曼光學鑷子

為能全方位深入了解及掌握PM2.5氣膠 (含原生性及衍生性) 之生成演化機制及界面化學特性,本中心於107年起由張元賓教授負責拉曼光學鑷子之建置及其於氣膠科學之應用,結合光鑷技術、拉曼光譜與非線性光譜研究氣膠的化學特性,並達到單粒子的精準度。光鑷技術之發明者Dr. Arthur Ashkin於107年10月剛獲得諾貝爾物理獎的殊榮肯定,顯見本技術之重要性。光鑷技術係利用光的輻射壓力,讓研究者能夠精確抓取/移動單細胞、病毒顆粒物質,此技術已經被廣泛應用於生物學領域,並在近年來也開始被廣泛應用於氣膠科學研究的領域,請見我們近日所發表有關氣膠捕捉技術與應用的回顧文章(連結)。

我們將運用光鑷光譜系統探討化學反應在氣膠生成各階段中的角色,以及如何影響氣膠的各項特性。此系統結合光鑷與振動拉曼光譜技術,能偵測單粒子的分子光譜,物化特性與各相的動態行為。拉曼光譜與螢光相關光譜偵測氣膠的分子光譜以及物化特性。本計劃將針對與大氣化學或生物化學的自然有機物氣膠的氧化反應,例如臭氧化反應加以探討,如最近發表的抗壞血酸氣膠與臭氧反應的研究(連結)。本計劃希望藉此光鑷光譜系統深入解析這些反應與前驅分子在氣膠生成與演進各階段所扮演的角色,以及如何與氣膠各項性質相互耦合。

拉曼與偏振光達遙測

為了解氣膠於高雄西子灣地區的垂直及水平空間分佈,並進一步分析氣膠的物理與化學性質,本中心已成功建置了氣膠雷射光達遙測技術,其中包括拉曼光達與偏振光達兩項技術。拉曼光達與偏振光達的觀測結果能同時提供以下資訊:1. 氣膠在不同時間的空間分佈;2. 不同時間在低對流層中溼度的高度分佈;3. 消光背向散射比(Lidar ratio);4. 消偏振比。藉由水氣與氣膠消偏振比的比較,可深入了解氣膠與水氣的交互作用,即氣膠吸濕性。藉由比較消偏振比與Lidar ratio,可說明不同來源的氣膠有不同的光學性質。氣膠與海陸風的作用與海洋飛沫氣膠的傳播也是本中心之研究重點之一。 此技術可同時結合實驗室光散射基本研究,幫助我們更進一步獲取遙測的數據中所獲得更多的資訊,與進一步改進光達的技術。實驗室光散射基本研究包含本中心正在開發的氣膠光鑷研究與音波懸浮實驗。

國立中山大學氣膠科學研究中心 - 氣膠光達測站:可進入此頁面瀏覽我們觀測的數據。

 

海氣介面微表層採樣儀 

 

海氣介面微表層 (air-sea interfacial microlayer) 或海洋表面微層(sea surface microlayer, SML) 是泛指海面下1000 μm 的海水表層。地球上有70 %面積為海洋覆蓋,海水與大氣透過此微表層進行海氣交換以維持地球的穩定水合循環及熱平衡。SML的化學成分以及其物理、化學及生化特性與海面下數公分的海水有顯著差異。過去研究發現SML 的成分不僅富含界面活性劑 (surfactants)及胺基酸、蛋白質、碳水化合物、脂質、脂肪酸等有機物,亦有相當高濃度的微生物包括: 細菌、病毒、浮游植物以及具有毒性的人為污染物(包含來自大氣中的粒狀污染物沉降或直接排放到海水中的污染物)。這些SML中的物質往往透過形成海洋飛沫氣膠並藉由風吹進入到大氣中, 進而形成冰晶雲層的晶核 (ice nucleating particles, INP)。

       為能深入了解海面微表層(SML)之化學組成及特性,傳統上皆以玻璃或壓克力採樣板進行人工採樣。此方法是透過人工方式將採樣板置於海水的表層,當採樣板取出水面後吸附在板子上的樣品即為海水微表層(Sea Microlayer, SML),再將所採集到的樣品刮下收集後再做後續的分析。然而,這一類傳統的SML採樣方法須大量倚賴人力 (labor intensive),且針對離岸邊較遠或風速較大的採樣位點對採樣人員之安全性亦有疑慮。為能將SML採樣自動化並改良採樣之安全性,本研究團隊重新設計建置了新一代的自動化滾筒式海面微層採樣儀以針對各種不同類型位點的海氣介面進行SML採樣。本實驗裝置是利用不鏽鋼之中空船身使SML採樣儀浮在海面,並利用玻璃或壓克力滾筒本身對水的吸附性進行採樣。進行SML採樣時可利用手動式升降裝置將採樣裝置高度調整後使其滾筒最低的部分與海面接觸,並利用一馬達驅動使滾筒發生滾動使海-氣介面微層的物質吸附在滾筒表面,最後利用壓克力刮刀將滾筒上的SML樣品收集到樣品收集槽並進行後續物化及生化特性分析。

 

微型氣膠光譜質譜儀

 

全國最靠近海港的PM2.5即時監測

本中心於2017年10月起於校區內設置全國首座最接近海港的PM2.5即時自動監測設施,每小時將測得的數值,顯示在校園內、西子灣隧道口及校門口設置的空氣品質即時看板,警醒民眾、師生及西子灣風景區的遊客,做好防護防敏等因應措施。 透過即時呈現或分析PM2.5相關數據與成份,關懷在地環境和民眾,並善盡大學社會責任。同時透過學術研究,對於港區及都會區的PM2.5污染源有更深一層的了解與掌握,以找出因應之道。2017年10月起設置全國首座最接近海港的PM2.5即時自動監測設施。除了深入了解海港週邊區域之PM2.5與都會區PM2.5的濃度高低並追溯其來源及化學本質之差異,此PM2.5即時監測設施係採用國際標準PM2.5自動監測之「貝他射線衰減法」,每小時提供一筆即時更新之PM2.5質量濃度數據,該數值已在校園內、西子灣隧道口及校門口設置PM2.5及空氣品質即時顯示看板提供校內師生、社區民眾以及前往西子灣風景區之遊客參考,以即時做好防護及防敏措施守護自身健康,以具體行動關懷在地環境和民眾,並善盡大學社會責任。