CN109427535A - 气溶胶质谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可以同时检测大气气溶胶粒径、浓度和化学成分的气溶胶质谱仪，该气溶胶质谱仪采用直径约100微米的采样孔对自然环境下的气溶胶进行直接采样；气溶胶颗粒经气动聚焦透镜聚焦成一直径约0.5毫米的颗粒束流；气溶胶颗粒由一个粒径选择器进行选择；粒径选择器由三个带狭缝的同轴转盘组成；粒径选择器的转盘由同步电机驱动；同步电机电源的频率连续可调；经粒径选择器选择的气溶胶颗粒由高温(600‑700℃)气化器气化；气化后的气体由电子碰撞电离器电离；产生的离子由W型反射式质谱装置检测，即得到气溶胶的质谱。通过分析采样速率、同步电机电源的频率和获得的质谱可以得到有机气溶胶的粒径、浓度和化学组成的信息。

Description

气溶胶质谱仪
技术领域
本发明涉及一种气溶胶质谱仪，它可以在线测量大气气溶胶颗粒的粒径、浓度和化学成分。
背景技术
近年来气溶胶污染已成为我国大中城市大气污染主要形式，气溶胶污染不仅危害市民的身体健康，频频出现的灰霾现象也影响城市形象、交通等诸多方面。随着经济增长，人民生活水平日益提高，气溶胶污染的监测和治理已成为城市环境的一个首要问题。大气气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐、碳氢化合物和含氧有机化合物等。传统气溶胶成分分析方法是利用收集器收集气溶胶，然后用分析仪器(如HPLC/MS或GC/MS)去分析气溶胶的化学成分，这一过程通常需要较长的时间(几个小时到数周)。虽然这种方法为气溶胶研究积累了大量的数据，但不能全面获得气溶胶的化学成分随时间的变化的信息，无法为控制气溶胶的污染找到有效的理论依据。同时，不同粒径段的气溶胶污染物对人体和环境的危害程度也有所不同。因此，传统的气溶胶成分分析方法已不能满足人们对于气溶胶检测分析的需求。
气溶胶质谱技术成熟于上世纪末，基于激光解析电离技术的气溶胶质谱仪，它利用二束连续激光来获得气溶胶粒径信息，外加一束脉冲激光(波长266纳米)来汽化气溶胶并电离产生离子，然后用反射式质谱仪检测离子信号，这台仪器是TSI公司3800气溶胶飞行时间质谱仪的雏形；John T.Jayne博士等人发明了基于热气化-电子碰撞电离技术的气溶胶质谱仪，即Aerodyne公司气溶胶质谱仪，它利用类似斩波器的高速转盘来获得气溶胶粒径信息，再由热表面汽化气溶胶后经电子碰撞电离加四极杆质谱仪来检测气溶胶的化学成分。这种仪器利用单转盘结合质谱数据矩阵的方法来解析颗粒粒径与质谱的对应关系，结构较为简单，但数据以矩阵形式存储，数据量非常大，解析困难，人员培训需很长时间，数据分析亦需大量时间。目前，国内外使用TSI和Aerodyne气溶胶时间飞行质谱仪科研单位或高校总共约有一百多家。另外还有为数不少由科研人员自己组装的各种气溶胶质谱仪，如采用真空紫外光作电离源的气溶胶质谱仪等。
不同技术路线的气溶胶质谱仪有不同的特点，基于电子碰撞电离技术的气溶胶质谱仪可以分析绝大部分无机和有机物，能较好地定量分析，但不能气化难熔的物质如二氧化硅等。基于激光解析电离技术的气溶胶质谱仪可以解析/电离所有物质，可以用于研究沙尘等难熔颗粒物，灵敏度较高，在分析气溶胶中金属元素上有明显优势，其缺点是定量测量的性能较差。目前基于这两种技术的气溶胶质谱仪均有一定的商业市场。
发明内容
为了克服现有的气溶胶质谱仪在颗粒粒径测量上的不足，本发明揉合了多种气溶胶质谱研究中的先进技术，提供了一种新的气溶胶质谱仪。该气溶胶质谱仪采用了微孔进样和气动聚焦透镜颗粒聚焦技术，转盘粒径选择器技术，高温气化技术，电子碰撞技术和W型双反射式离子检测技术。
本发明专利采用的技术方案是：1.气溶胶颗粒在大气环境下由一个直径约100μm的微孔直接吸入仪器；2.被吸入仪器的气溶胶颗粒由气动聚焦透镜加速和聚焦形成一个直径约0.5毫米的颗粒束流后入射到真空腔；3.随后颗粒流与转盘粒径选择器相遇，由于转盘转速和转盘之间距离及夹角的限定，每次只有在一定粒径范围内的颗粒可以穿过粒径选择器的狭缝；4.转盘粒径选择器由同步电机驱动；5.同步电机的转速由同步电机电源的频率控制；6.同步电机电源的频率连续可调；7.选择性通过的气溶胶颗粒撞击到气化器的高温表面后，随即被气化；8.气化后的气体由70eV电子碰撞电离器电离；9.生成的离子由W型反射式质谱装置探测；10.气溶胶颗粒的粒径、浓度和化学成分可由进样速率、同步电机频率和质谱来分析获得。
本发明的有益效果是，对空气中的气溶胶直接采样，实现颗粒粒径与质谱的一一对应，大大降低了数据的储存量和分析的难度，提高了仪器使用效率，降低了仪器使用成本，可以同时检测大气中气溶胶颗粒的粒径、浓度和化学成分，从而有效地对大气气溶胶进行分析和检测。
附图说明
图1为本发明结构的外观图，分为1.束源室，2.粒径测量室，3.气化电离室，4.W型反射式质谱装置四个部分。
图2为本发明的剖面构造图，主要部件有：5.采样孔，6.截止阀，7.气动聚焦透镜组，8.粒径选择器前转盘，9.粒径选择器中转盘，10.粒径选择器后转盘，11.电机传动组合，12.微型同步电机，13.电子碰撞电离器，14.高温气化器，15.离子迁移电极板组合，离子引出加速电极板组合，17.高电场强度离子反射镜，18.低电场强度离子反射镜，微通道板离子探测器，20、21、22.为分子泵。
具体实施方式
气溶胶质谱仪的主体部分由束源室1，粒径测量室2，气化电离室3和W型反射式质装置4四个部分构成。具体实施方式是：一、气溶胶由直径约100微米的采样孔5从大气中直接吸入；二、截止阀6可控制采样与否；三、随后气溶胶颗粒进入气动聚焦透镜组7，气动聚焦透镜组由一系列2-5mm孔径的圆片组成，在气动聚焦透镜组中气溶胶颗粒被加速和聚焦形成直径约0.5毫米的气溶胶颗粒流；四、气溶胶颗粒从束源1与粒径测量室2之间的小孔进入粒径测量室2，并在粒径测量室中的粒径选择器相遇，粒径选择器由带狭缝的转盘8、9、10、电机传动组合11和一个微型同步电机12组成，由于转盘转速和转盘之间距离及夹角的限定，每次只有在一定粒径范围内的颗粒可以穿过粒径选择器的狭缝；五、同步电机的转速由同步电机电源的频率控制，同步电机电源的频率连续可调，同步电机的转速与颗粒粒径有一一对应关系；六、选择性通过的气溶胶颗粒穿过粒径测量室2和气化电离室3之间的小孔后进入气化电离室3，随后气溶胶颗粒打到高温气化器13上被气化，气化后的气体随即被电子碰撞器14电离；七、形成的离子由W型反射式质谱装置4检测，即得到气溶胶的质谱，经过处理和分析后，就可以得到有机气溶胶颗粒的粒径、浓度和化学成分的信息。

Claims (10)

1.气溶胶质谱仪，由束源室、粒径测量室、气化电离室、和W型反射式质谱装置组成，其特征在于：束源室，粒径测量室、气化电离室和W型反射式质谱装置依次相连接，束源室与粒径测量室之间和粒径测量室与气化电离室之间有小孔相连接，W型反射式质谱装置与束源室、粒径测量室、气化电离室平行；在束源室中，安装有气溶胶气动聚焦透镜组，粒径测量室中装有粒径选择器，气化电离室中装有高温气化器和电子碰撞电离器；束源室，粒径测量室，气化电离室和W型反射式质谱装置上均连接有分子泵，分子泵连接有隔膜泵。
2.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：大气气溶胶不经处理，直接通过直径约100微米的采样孔进入到束源室中。
3.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：进样室中通过气动聚焦透镜组对气溶胶颗粒进行聚焦。
4.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：粒径测量室中，安装有粒径选择器。
5.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：粒径选择器由微型同步电机驱动的三个带狭缝的同轴转盘组成。
6.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：微型同步电机驱动的电源频率是连续可调的。
7.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：气化电离室中，安装有高温气化器。
8.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：气化电离室中，安装有电子碰撞电离器。
9.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：离子由W型反射式质谱装置探测。
10.根据权利要求1所述的气溶胶质谱仪，其特征是：W型反射式质谱装置与束源室、粒径测量室、气化电离室平行。
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