CN107946165A - 一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其包括纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪、第一差分室、第二差分室、光电离室以及反射式飞行时间质谱装置，其中，所述纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪的气溶胶出口与所述第一差分室进口连接，所述第一差分室的出口与所述第二差分室进口连接，所述第二差分室的出口与所述光电离室的进口连接，所述光电离室出口与所述反射式飞行时间质谱装置连接。本发明的气溶胶质谱系统通过纳米扫描式电迁移率粒径谱仪实现对纳米颗粒物的荷电、粒径选择和粒谱分析，用于实时、在线测量获得粒径小于60nm纳米颗粒物的化学组分信息。检测过程简单、实现了纳米颗粒物的快速和高效率传输。

Description

一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱仪
技术领域
本发明涉及大气气溶胶检测装置技术领域，具体涉及一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱仪。
背景技术
目前，气溶胶颗粒物是大气污染物的重要成分，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。纳米颗粒物(尤其是大气中的新粒子)是大气中气溶胶颗粒物的重要来源。纳米颗粒物在大气中可以进一步长大，能够吸收和散射太阳光使大气的能见度降低，形成雾霾，影响空气质量和全球气候等；而且，由于纳米颗粒物的比表面积大，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。实时、在线测量纳米颗粒物的化学组分，对于理解大气新粒子的成核和生长机制、认清二次细粒子的来源和揭示大气污染的形成原因等具有重要意义。
气溶胶颗粒物化学组分的测定依赖于检测技术的不断发展，早期人们常采用离线方法检测颗粒物的化学组分，即通过滤膜收集和样品预处理，结合色谱和质谱等仪器进行颗粒物的化学组分分析，但离线方法往往需要很长的样品收集和准备时间，时间响应慢，且容易引入人为的误差。质谱技术具有灵敏度高、时间响应快等特点，是实现颗粒物化学组分实时测量和研究的理想方法。用于颗粒物化学组分测量的气溶胶质谱仪主要分成两大类，即美国Aerodyne公司John Jayne等人发明的基于热解析气化-电子碰撞电离技术的气溶胶质谱仪(Aerosol Mass Spectrometer,AMS)和美国加州大学圣地亚哥分校KimberlyPrather等人发明的基于激光解析电离的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(Aerosol Time-of-Flight Mass Spectrometer,ATOFMS)，这两类气溶胶质谱仪都采用空气动力学透镜作为颗粒物的进样装置，且都有商品化的仪器。然而，由于受布朗运动等因素的影响，空气动力学透镜对于粒径小于60nm纳米颗粒物的传输效率非常低，使得AMS和ATOFMS都难以用于纳米颗粒物的化学组分测量。
由于纳米颗粒物的粒径非常小，仅为一到几十个纳米，测量其化学组分极为困难，存在着很大的技术挑战。例如，对于上述范围内的纳米颗粒物，目前全世界主要有两款质谱仪用于测量其化学组分，即美国Delaware大学Johnston等研制的纳米颗粒物气溶胶质谱仪(Nano Aerosol Mass Spectrometer,NAMS)和美国大气研究中心Smith等研制的热解析化学电离质谱仪(Thermal Desorption and Chemical Ionization Mass Spectrometer,TDCIMS)，这两款气溶胶质谱仪均没有商品化的仪器。纳米颗粒物气溶胶质谱仪能够测量获得粒径为7-25nm颗粒物的元素分布信息，但是由于采用空气动力学透镜进样，纳米颗粒物气溶胶质谱仪对纳米颗粒物的采样效率非常低，且不能获得颗粒物化学组分的分子信息。热解析化学电离质谱仪能够测量获得6-20nm颗粒物的分子信息，但需要对预先带上电荷的纳米颗粒物进行电场富集收集，时间响应较慢(约10分钟)。受粒子迁移力和布朗运动的影响，传统的气溶胶质谱仪中广泛采用的空气动力学透镜对粒径小于60nm的纳米颗粒物的传输效率非常低，而热解析化学电离质谱仪中采用静电富集的方法对纳米颗粒物进行取样，时间响应慢。
综上所述，现有技术中对粒径较小的纳米颗粒物的化学成分的检测装置存在着采样效率低，无法检测纳米颗粒物的分子信息，检测过程中，时间响应慢等缺陷，亟待进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，用以解决现有仪器对粒径较小的纳米颗粒物的化学成分的检测装置存在着采样效率低，无法检测纳米颗粒物的分子信息，检测过程时间响应慢的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，所述气溶胶质谱系统包括纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪、第一差分室、第二差分室、光电离室以及反射式飞行时间质谱装置，其中，所述纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪的气溶胶出口与所述第一差分室进口连接，所述第一差分室的出口与所述第二差分室进口连接，所述第二差分室的出口与所述光电离室的进口连接，所述光电离室出口与所述反射式飞行时间质谱装置连接。
本发明的一个实施例中，所述纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪与所述第一差分室之间通过毛细管连接。
本发明的一个实施例中，所述第二差分室的靠近出口处安装有聚焦透镜；
所述聚焦透镜由3～4块圆环状电极片组成，其与所述毛细管同轴设置。
本发明的一个实施例中，所述第二差分室与所述光电离室之间安装有圆柱电极；
所述圆柱电极为具有1～2mm内径的不锈钢管，其与所述毛细管保持同轴设置。
本发明的一个实施例中，所述光电离室内安装有热解析气化器、真空紫外灯和离子导入器；
所述真空紫外灯位于所述光电离室的进口处，所述热解析气化器靠近所述真空紫外灯，所述离子导入器位于所述光电离室的出口处。
本发明的一个实施例中，所述纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪包括颗粒物带电中和器、纳米差分式电迁移率粒径分析器、冷凝式粒子计数器CPC和机械泵；
所述颗粒物带电中和器通过所述纳米差分式电迁移率粒径分析器与所述冷凝式粒子计数器CPC连接；
所述纳米差分式电迁移率粒径分析器、冷凝式粒子计数器CPC分别与所述机械泵连接。
本发明的一个实施例中，所述第一差分室和所述第二差分室分别连接有真空泵。
本发明具有如下优点：
本发明的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统通过纳米扫描式电迁移率粒径谱仪(Nano Scanning Mobility Particle Sizer,Nano-SMPS)实现对纳米颗粒物的荷电、粒径选择和粒谱分析。可以用于实时、在线测量获得粒径小于60nm纳米颗粒物的化学组分信息，本发明的质谱系统检测过程简单、实现了纳米颗粒物的快速和高效率传输。
附图说明
图1是本发明测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统组成示意图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的具体实施例。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
如图1所示，本发明的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其包括纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪100、第一差分室200、第二差分室300、光电离室400以及反射式飞行时间质谱装置500，其中，纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪100的气溶胶出口与第一差分室200进口连接，第一差分室200的出口与第二差分室300进口连接，第二差分室300的出口与光电离室400的进口连接，光电离室400出口与反射式飞行时间质谱装置500连接。第一差分室200和第二差分室300之间设有通孔230，第二差分室300和光电离室400之间通过圆柱电极320连接，光电离室400和反射式飞行时间质谱装置500之间设有通孔。第一差分室200、第二差分室300、光电离室400和反射式飞行时间质谱装置500上均安装有真空泵220，并连接有前级机械干泵。
其中，纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(Nano-SMPS)100包括颗粒物带电中和器120(Neutralizer)、纳米差分式电迁移率粒径分析器(Nano-DMA)130、冷凝式粒子计数器CPC140和配套机械泵。第一差分室200和第二差分室300分别连接有真空泵220。颗粒物带电中和器使纳米颗粒物带上电荷，Nano-DMA选择特定粒径的带电颗粒物，冷凝式粒子计数器实现纳米颗粒物的粒谱测量。气溶胶颗粒物通过气溶胶入口110进入Nano-SMPS100，Nano-SMPS100中的颗粒物带电中和器120使纳米颗粒物带上电荷，纳米差分式电迁移率粒径分析器(Nano-DMA)选择特定粒径的带电纳米颗粒物，实现纳米粒物的粒径选择，单色化后的带电纳米颗粒物分成两路，其中的一路颗粒物送到冷凝式粒子计数器CPC140开展纳米颗粒物的粒谱测量；另一路单色化后的带电纳米颗粒物通过毛细管600到达第一差分室200，第二差分室300内的压强通过压力表测量。
纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪100与第一差分室200之间通过毛细管600连接，聚焦透镜240安装在第二差分室200的靠近出口处。圆柱电极320安装在第二差分室300光电离室400之间，圆柱电极为具有1～2mm内径的不锈钢管，其与毛细管保持同轴设置。毛细管600对单色化后的纳米颗粒物进行传输和聚焦，第一差分室200和第二差分室300两级真空差分去除毛细管600进样中携带的气态分子，第二差分室300内安装的聚焦透镜对带电纳米颗粒物进行再次聚焦和传输，带电纳米颗粒物通过第二差分室300和光电离室400之间的圆柱电极320到达光电离室400，第一差分室200上安装有压力表210，第二差分室300上安装有压力表310，第一差分室200和第二差分室300内的压力通过压力表进行测量。
光电离室400内安装有热解析气化器420、真空紫外灯410和离子导入器430；真空紫外灯410位于光电离室400的进口处，热解析气化器420靠近真空紫外灯410，离子导入器430位于光电离室400的出口处。光电离室400内带电纳米颗粒物在热解析气化器420的表面热解析成气态分子，气态的分子与真空紫外灯410发出的真空紫外光子在光电离区相交，分子吸收光子的能量后电离生成离子和电子，光电离室400内还安装有离子导入器430，离子在离子导入器430的电场作用下调制、传输到反射式飞行时间质谱装置500的加速区，离子经过离子加速电极510和离子反射极520的电场作用到达离子探测器MCP530，得到纳米颗粒物的质谱；第一差分室200、第二差分室300、光电离室400和反射式飞行时间质谱装置500的真空分别由三台分子泵220及其前级机械干泵获得，经过数据处理和分析，可以获得纳米颗粒物的粒谱分布和化学组分信息。
气溶胶经过纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪100的气溶胶进口110，经过颗粒物粒径仪处理，形成带电纳米颗粒物，带电纳米颗粒物通过毛细管600到达第一差分室200，毛细管600实现纳米颗粒物的传输和聚焦，毛细管600的直径和长度可以改变，第一差分室200连接的真空泵可以去除气态分子，第一差分室200和第二差分室300用以去除毛细管传输携带的气态分子，第二差分室300内安装有聚焦透镜，聚焦透镜由3-4块圆环状电极片组成，位于毛细管600的下游，聚焦透镜的圆环状电极片与毛细管同轴设置，并对带电纳米颗粒物进行再聚焦和传输。纳米颗粒物在热解析气化器420的表面热解析气化成气态分子，分子吸收真空紫外放电灯410的光子后阈值电离成离子，离子经过离子导入器430后，其质量由反射式飞行时间质谱装置500进行测量。
本发明纳米颗粒物气溶胶质谱系统采用全新的气溶胶颗粒物进样方式，将毛细管技术应用于纳米颗粒物的进样和传输，实现了纳米颗粒物的快速和高效率传输。真空紫外光阈值“软”电离，从分子层次上获得纳米颗粒物的化学成分信息，由于真空紫外光子的能量足够高，分子只需要吸收单个光子的能量就能在其电离阈值附近发生“软”电离过程，避免了碎片离子的产生，结合飞行时间质谱仪直接获得分子离子信号，便于对颗粒物的化学成分进行分析。此外，纳米颗粒物气溶胶质谱仪具有通用性，采用通用的接口技术，容易与现有的商品化仪器结合(如扫描电迁移率粒径谱仪和粒子计数器等)，可用于同时测量纳米颗粒物的粒谱分布和化学成分信息。本发明的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，通过纳米扫描式电迁移率粒径谱仪(Nano Scanning Mobility Particle Sizer,Nano-SMPS)实现对纳米颗粒物的荷电、粒径选择和粒谱分析。本发明的气溶胶质谱系统采用了纳米颗粒物带电技术、纳米颗粒物粒径选择技术、毛细管进样聚焦传输技术、静电场聚焦技术、热解析气化技术、真空紫外光电离技术和反射式飞行时间质谱技术等，可以用于实时、在线测量获得粒径小于60nm纳米颗粒物的化学组分信息。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明(或发明)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 (7)

1.一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其特征在于，所述气溶胶质谱系统包括纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪、第一差分室、第二差分室、光电离室以及反射式飞行时间质谱装置，其中，所述纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪的气溶胶出口与所述第一差分室进口连接，所述第一差分室的出口与所述第二差分室进口连接，所述第二差分室的出口与所述光电离室的进口连接，所述光电离室出口与所述反射式飞行时间质谱装置连接。
2.根据权利要求1所述的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其特征在于，
所述纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪与所述第一差分室之间通过毛细管连接。
3.根据权利要求2所述的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其特征在于，
所述第二差分室的靠近出口处安装有聚焦透镜；
所述聚焦透镜由3～4块圆环状电极片组成，其与所述毛细管同轴设置。
4.根据权利要求2所述的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其特征在于，
所述第二差分室与所述光电离室之间安装有圆柱电极；
所述圆柱电极为具有1～2mm内径的不锈钢管，其与所述毛细管保持同轴设置。
5.根据权利要求1所述的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其特征在于，
所述光电离室内安装有热解析气化器、真空紫外灯和离子导入器；
所述真空紫外灯位于所述光电离室的进口处，所述热解析气化器靠近所述真空紫外灯，所述离子导入器位于所述光电离室的出口处。
6.根据权利要求1所述的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其特征在于，
所述纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪包括颗粒物带电中和器、纳米差分式电迁移率粒径分析器、冷凝式粒子计数器CPC和机械泵；
所述颗粒物带电中和器通过所述纳米差分式电迁移率粒径分析器与所述冷凝式粒子计数器CPC连接；
所述纳米差分式电迁移率粒径分析器、冷凝式粒子计数器CPC分别与所述机械泵连接。
7.根据权利要求1所述的测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱系统，其特征在于，
所述第一差分室和所述第二差分室分别连接有真空泵。
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