CN106449348A - 一种用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，包括依次连接的通用接头、缓冲腔、毛细管、聚焦透镜和差分腔室；通用接头设有与气溶胶颗粒物预处理仪器相连接的气溶胶入口及限流小孔；差分腔室内部包括与缓冲腔相连接的毛细管、固定毛细管所用的定位陶瓷和定位螺钉、毛细管后侧的聚焦透镜、固定聚焦透镜和定位陶瓷所用的绝缘直筒、聚焦透镜后端的差分腔室出口。在毛细管表面施加电压，通过电场作用力补偿纳米颗粒物传输中的布朗运动影响，使带上电荷的纳米颗粒物能够汇聚于毛细管的轴线上，差分腔室连接的真空泵能够去除带电纳米颗粒物的气体伴随物，聚焦透镜能够进一步汇聚带电纳米颗粒物，实现纳米颗粒物大气压进样和高效率传输。
Description
技术领域
本本发明属于气溶胶质谱技术领域，特别涉及一种用于纳米颗粒物(直径小于50nm)化学组分在线检测气溶胶质谱仪的毛细管大气压进样和传输的质谱接口装置。
背景技术
气溶胶颗粒物是大气污染物的重要组成部分。大气中纳米颗粒物的数密度非常大，其比例能占到总颗粒物数目的80％以上，它们在大气中吸收和散射光使大气能见度降低，形成雾霾，影响空气质量和全球气候；而且由于其比表面积大，单位面积上吸附的有害物质多，更容易沉积到人的呼吸和心血管系统，危害人们的身体健康。同时，纳米颗粒物，尤其是大气新粒子是气溶胶颗粒物的重要来源。实时在线测量大气中纳米颗粒物的化学组分，对于理解我国新粒子的成核和生长机制、认清二次细粒子的来源和揭示我国大气复合污染的成因等具有重要意义。
气溶胶颗粒物的化学组分测量依赖于气溶胶质谱检测技术和仪器的发展。由于纳米颗粒物的粒径非常小，直径仅为一到几十个nm，测量其化学组分极为困难，存在着很大的技术挑战，其中，如何实现纳米颗粒物的大气压进样和高效率传输是关键。
空气动力学透镜作为通用的气溶胶颗粒物进样装置，已经大量应用于各种类型的气溶胶质谱仪器中。然而，由于受布朗运动的影响，空气动力学透镜对粒径小于60nm纳米颗粒物的传输效率非常低，不能够作为纳米颗粒物的质谱进样装置。
我们研制的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，发展了全新的带电毛细管气溶胶质谱仪接口技术，能够实现纳米颗粒物的大气压进样、聚焦和高效率传输，通过外接一台质谱仪就能够用于实现大气中纳米颗粒物的化学组分实时在线测量。
发明内容
为解决现有技术中的诸多问题，本发明提供所述毛细管进样接口装置包括依次连接的通用接头、缓冲腔和差分腔室；通用接头设有与气溶胶颗粒物预处理仪器相连接的气溶胶入口及限流小孔；缓冲腔设有压力计接口；差分腔室设有压力计接口、电压接口、真空泵接口，差分腔室内部包括毛细管、固定毛细管所用的定位陶瓷和定位螺钉、聚焦透镜、固定聚焦透镜和定位陶瓷所用的绝缘直筒和差分腔室出口。
其中，缓冲腔与差分腔室通过毛细管连接，毛细管的入口与缓冲腔的出口相连，定位陶瓷与毛细管保持同轴心，毛细管垂直穿过定位陶瓷的几何中心孔，且定位陶瓷设置于毛细管的中前部。
其中，聚焦透镜由5块电极片组成，第一块电极片位于定位陶瓷的前侧，第二块位于毛细管的末端，从第三块到第五块依次位于毛细管出口后侧，并且所有的电极片都与毛细管保持同轴心，且与毛细管垂直设置。
其中，气溶胶颗粒物预处理仪器是扫描式电迁移率颗粒物粒径谱仪SMPS。
本发明能够实现纳米颗粒物的大气压进样和高效率传输，具体过程如下：
1、气溶胶颗粒物预处理仪器(如扫描式电迁移率颗粒物粒径谱仪SMPS)对大气中的纳米颗粒物进行预处理，使纳米颗粒物带上电荷，并实现粒径选择；带电纳米颗粒物和载气通过管道连接至本毛细管进样接口装置的通用接头，通过限流小孔传输至缓冲腔；
2、在缓冲腔中，气体的压强将从一个大气压(105Pa)下降至千帕量级，实现第一级真空差分，并满足毛细管对纳米颗粒物的传输聚焦要求；载气包裹着的带电纳米颗粒物通过毛细管传输汇聚进入差分腔室；
3、在毛细管的表面施加电压，带电纳米颗粒物在毛细管内的传输过程中还将受到电场作用力，克服纳米颗粒物的布朗运动影响，使得纳米颗粒物能够聚集在毛细管的中心轴线上，减小纳米颗粒物的传输损耗；由于毛细管的直径小，大的长度/直径比能够满足真空度的变化梯度，实现第二级真空差分；
4、在毛细管的出口处，真空泵接口外接的真空泵抽走载气；聚焦透镜对带电纳米颗粒物进行再次汇聚，只有带电纳米颗粒物通过差分腔室的出口(第三级真空差分)，通过后接质谱仪器就能够检测纳米颗粒物的化学组分。
本发明具有如下优点：
1、本发明采用新的气溶胶质谱仪器接口技术，将毛细管应用于纳米颗粒物的大气压进样和传输；
2、在毛细管表面施加电压，通过电场作用力补偿纳米颗粒物传输中的布朗运动影响，使带上电荷的纳米颗粒物能够汇聚于毛细管的轴线上，实现纳米颗粒物大气压进样和高效率传输；
3、差分腔室连接的真空泵能够去除带电纳米颗粒物的气体伴随物，避免了大气中气体污染物的干扰，检测获得的化学组分仅来源于纳米颗粒物的贡献；聚焦透镜能够进一步汇聚带电纳米颗粒物，使得带电纳米颗粒物能够高效率传输，到达腔室的出口，；
4、本发明提出的纳米颗粒物大气压进样质谱接口具有通用性，容易与商品化的前处理仪器(如扫描式电迁移率颗粒物粒径谱仪SMPS)相连接，后面连接质谱仪器即可实现纳米颗粒物粒径分布和化学组分的同时检测。
附图说明
图1是本发明的结构剖面示意图。
图2是不同粒径大小带电纳米颗粒物在毛细管中的传输及聚焦效果。
图中，1-通用接头，2-缓冲腔，3-差分腔室，4-与气溶胶颗粒物预处理仪器相连接的气溶胶入口，5-限流小孔，6-压力计接口，7-毛细管，8-定位陶瓷，9-定位螺钉，10-压力计接口，11-绝缘直筒，12-电压接口，13-聚焦透镜，14-真空泵接口，15-差分腔室出口。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪大气压进样的质谱接口装置，包括依次连接的通用接头1、缓冲腔2和差分腔室3；所述通用接头1设有与气溶胶颗粒物预处理仪器相连接的气溶胶入口4、以及连接缓冲腔2所用的限流小孔5；所述缓冲腔2设有压力计接口6；所述差分腔室3设有压力计接口10、电压接口12、腔体底部的真空泵接口14，差分腔室3内部包括毛细管7、固定毛细管7所用的定位陶瓷8和定位螺钉9、聚焦透镜13、固定聚焦透镜13和定位陶瓷8所用的绝缘直筒11和差分腔室出口15。
缓冲腔2与差分腔室3通过毛细管7连接，定位陶瓷8与毛细管7保持同轴心且垂直设置于毛细管7的中前部。毛细管7通过电压接口12外接电源来施加电压。
聚焦透镜13由5块电极片组成，第一块电极片位于定位陶瓷8的前侧，第二块位于毛细管的末端，从第三块到第五块依次位于毛细管后侧，并且所有的电极片都与毛细管7保持同轴心。
气溶胶颗粒物预处理仪器(如扫描式电迁移率颗粒物粒径谱仪SMPS)对大气中的纳米颗粒物进行预处理，使纳米颗粒物带上电荷，并实现粒径选择；单色化后的带电纳米颗粒物和载气通过管道连接至本毛细管进样接口装置的通用接头1，通过限流小孔5传输至缓冲腔2；载气通过缓冲腔2，气压从一个大气压下降至千帕量级，载气包裹着带电纳米颗粒物通过毛细管7进入差分腔室3；带电纳米颗粒物在毛细管7内，在毛细管电场力的作用下克服布朗运动而被聚焦在中心轴线上，毛细管7的长度/直径比较大，能够满足真空度的变化梯度；在毛细管7出口处，聚焦透镜13再一次汇聚带电纳米颗粒物，从而到达腔室出口15，真空泵接口14外接的真空泵抽走载气，最后，只有带电纳米颗粒物通过腔室出口15进入质谱仪器进行化学组分分析。
图2为不同粒径大小带电纳米颗粒物在本发明纳米颗粒物大气压进样质谱接口中的轨迹图，结果表明粒径分别为2nm、5nm、20nm、50nm的带电纳米颗粒物都能顺利通过毛细管和聚焦透镜等部分，并且都能汇聚在质谱接口的中心轴线上，以很高的传输效率通过毛细管、聚焦透镜和腔室出口，到达后面连接的质谱仪。通过毛细管和差分腔室的多级真空差分，实现了纳米颗粒物大气压进样，满足质谱仪器的真空需求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，所述毛细管进样接口装置包括依次连接的通用接头、缓冲腔和差分腔室；其特征在于，通用接头设有与气溶胶颗粒物预处理仪器相连接的气溶胶入口及限流小孔；缓冲腔设有压力计接口；差分腔室设有压力计接口、电压接口、真空泵接口，差分腔室内部包括毛细管、固定毛细管所用的定位陶瓷和定位螺钉、聚焦透镜、固定聚焦透镜和定位陶瓷所用的绝缘直筒和差分腔室出口。
2.根据权利要求1所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，缓冲腔与差分腔室通过毛细管连接，毛细管的入口与缓冲腔的出口相连，定位陶瓷与毛细管保持同轴心，毛细管垂直穿过定位陶瓷的几何中心孔，且定位陶瓷设置于毛细管的中前部。
3.根据权利要求2所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，聚焦透镜由5块电极片组成，第一块电极片位于定位陶瓷的前侧，第二块位于毛细管的末端，从第三块到第五块依次位于毛细管出口后侧，并且所有的电极片都与毛细管保持同轴心，且与毛细管垂直设置。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，毛细管通过电压接口外接电源来施加电压。
5.根据权利要求1所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，气溶胶颗粒物预处理仪器对大气中的纳米颗粒物进行预处理，使纳米颗粒物带上电荷，并实现粒径选择；带电纳米颗粒物和载气通过管道连接至通用接头，通过限流小孔传输至缓冲腔。
6.根据权利要求4所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，在缓冲腔中，气体的压强从一个大气压下降至千帕量级，实现第一级真空差分，并满足毛细管对纳米颗粒物的传输聚焦要求；载气包裹着的带电纳米颗粒物通过毛细管传输汇聚进入差分腔室。
7.根据权利要求4所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，在毛细管的表面施加电压，实现第二级真空差分。
8.根据权利要求4所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，聚焦透镜对带电纳米颗粒物进行再次汇聚，只有带电纳米颗粒物通过差分腔室的出口，通过后接质谱仪器就能够检测纳米颗粒物的化学组分。
9.根据权利要求8所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，在毛细管的出口处，真空泵接口外接的真空泵抽走载气。
10.根据权利要求1-3、5-9中任一项所述的用于纳米颗粒物气溶胶质谱仪的毛细管进样接口装置，其特征在于，气溶胶颗粒物预处理仪器是扫描式电迁移率颗粒物粒径谱仪SMPS。
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