第四章 結果與討論
4.1 掃描式電移動度粒徑分析儀的校正與比對
4.1.1 SMPS 粒徑量測的正確性
以定量霧化器(Constant output atomizer, Model 3076, TSI Inc., MN, USA)產生 聚苯乙烯乳膠 (PSL, Polystyrene Latex, 3000 Series, Nanosphere Size Standards, Thermo Scientific, USA) 微粒時，因水滴粒徑分佈過於廣散造成單顆水滴內可能 有超過一顆以上微粒存在，進而影響到掃描式電移動度粒徑分析儀 (SMPS, Scanning mobility particle sizer, Model 3936, TSI Inc., St. Paul, MN)量測數目濃度 分佈的結果，其中 PSL 溶液中之微粒體積濃度對於所噴出水滴內之微粒數目，
扮演了相當重要的角色。表 4.1 為水滴粒徑為微粒粒徑十倍時，懸浮液中之微粒 體積濃度與所噴出水滴內部微粒數目之關係。當溶液濃度越高單顆水滴內存在的 微粒數目越多，為降低單顆水滴內微粒的數目，本研究將 PSL 溶液的體積濃度 稀釋成 10-3，根據表 4.1 可發現當體積濃度為 10-3時，單顆水滴內只存在零顆或 單顆微粒的機率皆為 36.8%，而存在兩顆以上微粒之機率為 26.5% (Hinds, 1999)。
表 4.1 水滴粒徑為微粒粒徑十倍時，懸浮液中之微粒體積濃度與所噴出水滴內部 微粒數目之關係(Hinds, 1999)。
Volume Fraction of Spheres, Fv
Fraction of Droplets with Indicated Number of Spheres
n= 0 n= 1 n= 2 n= 3 n> 3
10-1 0 0 0 0 1.000
10-2 5.0×10-5 5.0×10-4 0.002 0.007 0.990 10-3 0.368 0.368 0.184 0.061 0.019
43
10-4 0.905 0.090 0.005 1.5×10-4 4.3×10-6 10-5 0.990 0.010 5.0×10-5 1.6×10-7 0 10-6 0.999 0.001 5.0×10-7 0 0
10-7 0.999 1.0×10-4 0 0 0
由上述結果，可發現經由霧化器所噴出之單顆水滴內，還是有一定的機率含 有兩顆以上之微粒，其將會影響後續粒徑之分散程度。本研究為了降低含多顆微 粒之大顆水滴進入後端系統之可能性，在霧化器後端加裝一個 Marple 個人多階 衝 擊 器 (Marple Series 290 Personal multistage cascade impactor, Andersen Instruments, Smyrna, Ga.)，將粒徑大於 0.53 μm 的微粒去除。
除了溶液濃度與團聚微粒之外，多電荷(multiple charges)的干擾也會對 SMPS 量測的數目濃度分佈造成影響。由於微分電移動度分析儀(DMA, Differential mobility analyzer)是以電移動度直徑(dm)篩選微粒，當 DMA 在篩選特設定 dm的 微粒時，部分帶多電荷但粒徑和所設定之 dm不同的微粒因兩者具有相同的電移 動度，因此也會被篩選出並一同進入後端的量測系統中，此一現象即為多電荷干 擾。但多電荷干擾並不會影響到我們判斷與比對 SMPS 量測微粒粒徑的能力。
結果如圖 4.1 所示。為便於數據的比較，數據均以 SMPS 掃瞄出之峰值濃度 和總微粒濃度的比例呈現。結果顯示當篩選的 PSL 微粒粒徑大於 20 nm 時，可 發現 SMPS 量測的數目濃度分佈中共有兩個峰值，其中第一個峰值為 DMA 篩選 出的粒徑，而第二個峰值即為多電荷干擾與團聚微粒所造成。當使用 Marple 個 人多階衝擊器後，在 SMPS 量測不同篩選粒徑的數目濃度分佈中，第二個峰值因 團聚微粒數目降低而明顯地下降。
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PSL 微粒的粒徑
為了確認 PSL 微粒的粒徑，本研究也將由 DMA 篩選出不同電移動度的單徑 PSL 微粒，使用加裝電場的個人奈米採樣器(E-PNS)採集微粒後，再以掃描式電 子顯微鏡(SEM)觀察其形貌與粒徑。SEM 的觀察結果如圖 4.2 所示，由該圖可看 出 PSL 微粒為圓球狀且微粒粒徑均與 DMA 篩選的 dm(分別為 20、40、64、81 及 102 nm)相近。此結果即顯示本研究所使用的 SMPS 可正確地量測粒徑。
Yes 64±2.8 62.13±0.33 61.50 88.50 81±2.7 79.87±0.14 79.15 120.45
102±3 100.72±0.50 101.82 145.90 20±1.5 19.49±0.05 19.45 N.D.
40±1.8 38.48±0.36 37.65 54.49 No 64±2.8 61.12±0.05 60.96 89.24 81±2.7 79.23±0.10 79.15 116.19
102±3 99.12±0.26 98.22 145.90
圖 4.2 DMA 篩選出電移動度直徑為(A) 20、(B) 40、(C) 64 (D) 82 與(E) 102 nm 的 PSL 微粒後，以 E-PNS 採集後，使用 SEM 觀察微粒的大小。