CN111681942A - 一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，包括带电器、粒径分析器、水基生长管、浓缩器、空气动力学透镜、热解析气化器、电离源、离子导入器和质量分析器等部分。带电器使超细颗粒物带上电荷，粒径分析器选择出特定粒径的颗粒物，水基生长管实现超细颗粒物粒径的快速增长，浓缩器对增长后的颗粒物进行浓缩。颗粒物由空气动力学透镜传输到质谱仪中，吸收热解析气化器的热量后形成气态分子，并由电离源离子化，经过离子导入器传输到质量分析器中，获得超细颗粒物的化学组分信息。
Description
技术领域
本发明涉及质谱技术领域，具体涉及一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪装置。
背景技术
气溶胶质谱仪是一种测量颗粒物化学成分信息的仪器，被广泛地应用于空气质量检测和环境科学研究等领域，其核心部件由气溶胶进样接口、电离源和质量分析器等组成。
气溶胶质谱仪常采用空气动力学透镜进样接口，将颗粒物传入到质谱仪中进行化学成分检测。然而，受布朗运动的影响，即气体分子与颗粒物间不断发生碰撞，小粒径的颗粒物容易偏离轨迹做无规则运动，进而使空气动力学透镜进样接口难以用于传输和聚焦超细颗粒物。此外，由于超细颗粒物的粒径小(粒径小于100nm)、质量浓度低，对质谱仪的检测灵敏度要求高。因此，在线检测超细颗粒物的化学成分具有技术挑战。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪。利用超细颗粒物在水基生长管中的冷凝生长过程，使其粒径迅速增大到微米量级，进而可以避免布朗运动对超细颗粒物的传输和聚焦影响，实现超细颗粒物的质谱仪进样和高效率传输。同时，使用浓缩器对粒径增大后的颗粒物进行富集浓缩，使其数浓度提高近一个量级，进一步提高气溶胶质谱仪的检测灵敏度。在质谱仪中，颗粒物经过热解析气化和电离过程，结合飞行时间质量分析器获得超细颗粒物的成分信息。
本发明的技术方案为：一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，所述的气溶胶质谱仪包括带电器、粒径分析器、水基生长管、浓缩器、空气动力学透镜、热解析气化器、电离源、离子导入器、质量分析器，并依次序连接；即带电器的出口与粒径分析器连接，粒径分析器后面连接水基生长管，水基生长管后面连接浓缩器，浓缩器的出口与空气动力学透镜连接，后面依次连接有热解析气化器、电离源、离子导入器和质量分析器。
进一步的，颗粒物通过带电器带上电荷，然后传入到粒径分析器中进行粒径选择；所述带电器选用软X-射线、α放射源和电场放电方式之一使颗粒物进行带电。
进一步的，通过改变粒径分析器的电压，能够选出对应粒径的单分散颗粒物；所述粒径分析器有两种工作模式，即通过扫描电压来依次分粒径选择超细颗粒物，或者固定电压使某一预定粒径的颗粒物通过。
进一步的，所述水基生长管由冷-热-冷三段不同温度分布的管道组成，内部的水汽呈过饱和状态；当颗粒物通过水基生长管时，水汽在颗粒物表面凝结生长，颗粒物的粒径增大到微米量级。
进一步的，所述浓缩器包括一大一小两个排气口，分别用于大小不同流量的颗粒物传输；排气口位于浓缩器的侧边，与抽气泵相连，浓缩器采用空气动力学原理，将气溶胶中将大部分传输颗粒物的载气抽离，粒径增大后的颗粒从中间小孔往下游传输，达到浓缩颗粒物数浓度的效果。
进一步的，所述空气动力学透镜由一系列薄片孔组成，颗粒物在空气动力学透镜中聚焦成一束粒子束，粒径增大和浓缩后的颗粒物通过空气动力学透镜传输到气溶胶质谱仪的真空腔体里。
进一步的，所述热解析气化器的加热温度能够调节，使颗粒物在热解析气化器的表面上吸收热量后气化成气态分子，同时被电离源电离成离子。
进一步的，所述离子导入器在施加电压后，将离子从电离区引出，传输进入质量分析器中，通过测量离子质量获得颗粒物的成分信息。
进一步的，所述电离源选用电子轰击、化学电离、激光照射、真空紫外灯照射、同步辐射光照射之一。
进一步的，所述质量分析器使用飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器或离子阱质量分析器之一。
有益效果：
本发明的技术方案，相对于现有技术，具有如下优点：
1、采用超细颗粒物在过饱和水蒸气环境中的冷凝生长作用，使其粒径增大，避免颗粒物传输过程布朗运动的影响，大幅度提高超细颗粒物的传输效率和检测灵敏度。
2、使用浓缩器实现颗粒物数浓度的在线富集浓缩，进一步提高气溶胶质谱仪的检测灵敏度。由于采用空气动力学的方式来抽离传输颗粒物的载气，颗粒物在浓缩过程中不会发生相变过程，从而保证了其成分不会改变。
3、使用飞行时间质谱分析器作为颗粒物成分的分析检测器，有利于快速获取成分信息。飞行时间质谱器具有灵敏度高、时间相应快等特点，在本发明中能够实时在线地获取超细颗粒物的成分信息。
附图说明
图1是本发明实施例中一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪的结构示意图；
附图标记说明：
1、带电器；2、粒径分析器；3、水基生长管；4、浓缩器；5、空气动力学透镜；6、热解析气化器；7、电离源；8、离子导入器；9、质量分析器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提供一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，实现粒径小于100nm的超细颗粒物的化学成分检测。如图1所示，包括：带电器1、粒径分析器2、水基生长管3、浓缩器4、空气动力学透镜5、热解析气化器6、电离源7、离子导入器8、质量分析器9，并依次序连接；即带电器1的出口与粒径分析器2连接，粒径分析器2后面连接水基生长管3，水基生长管3后面连接浓缩器4，浓缩器4的出口与空气动力学透镜5连接，后面依次连接有热解析气化器6、电离源7、离子导入器8和质量分析器9。
本发明实施例进一步设置为：带电器1连接在粒径分析器2的前端，使颗粒物带电后进入到粒径分析器2中进行粒径的测量与筛选。
本发明实施例进一步设置为：粒径分析器2与水基生长管3相连，经过筛选的单分散粒径的颗粒物在水基生长管中生长，使其粒径快速增大。水基生长管为三段式结构，各段的温度独立可控。三段温度分别优选地为：5-15℃、30-70℃、15-30℃。
本发明实施例进一步设置为：水基生长管3的出口与浓缩器4相连接。浓缩器4拥有两个出口方向，一个方向与入口同轴，用于传输浓缩后的颗粒物；另一个出口方向与入口方向垂直，用于抽离载气。两个出口的流量可调节，优选地，载气的抽气流量为0.9lpm、浓缩后颗粒物的流量为0.1lpm。
本发明实施例进一步设置为：浓缩器4与空气动力学透镜5相连接，浓缩后的颗粒物在大气压条件下通过空气动力学透镜5聚焦和传输到气溶胶质谱仪的真空环境中。
本发明实施例进一步设置为：聚焦后的颗粒物击打在热解析气化器6上，颗粒物吸收热量后，迅速地气化成气态分子。热解析气化器6的温度可控，优选地为小于500℃。
本发明实施例进一步设置为：电离源7将气体分子离子化，可选用电子轰击、化学电离、激光照射、真空紫外灯照射、同步辐射光照射等电离方式，本发明优选地为真空紫外灯照射。真空紫外灯照射的方向与颗粒物的传输方向以及离子传输方向垂直。
本发明实施例进一步设置为：离子导入器8主要用于高效传输离子，将空间和能量分散的离子调制成一条细窄的离子束。其引出电压可根据质谱仪的几何结构大小和质量分析器的电压参数调整，优选地引出电压为15V。
本发明实施例进一步设置为：质量分析器9优选地为反射式飞行时间质量分析器，能够实现离子束空间和能量的二阶聚焦，有效的分辨不同质量的离子，从而实现质量分析的目的。
本发明提供了一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，解决传统气溶胶质谱仪难以检测超细颗粒物化学成分的难题。带电器1用于超细颗粒物的带电，带电后的颗粒物具有电迁移率粒径，在粒径分析器2中，根据设置特定的电压来筛选出单分散粒径的颗粒物。单分散粒径的颗粒物在水基生长管3的过饱和水蒸气环境中，实现其粒径的快速增长。颗粒物的惯性随粒径增大而增加，浓缩器4在保持颗粒物传输时，能够将其中的载气抽离，达到颗粒物数浓度浓缩的效果。同时，粒径增大后的颗粒物能够有效避免布朗运动的影响，在空气动力学透镜5中能够有效聚焦和传输，实现从大气压条件下到气溶胶质谱仪的真空环境的传输。颗粒物吸收热解析气化器6的热量后形成气态分子，进而被电离源7电离成离子，离子经过离子导入器8到达质量分析器9，测量获得颗粒物的化学成分。
虽然，上述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)
1.一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是，所述的气溶胶质谱仪包括带电器(1)、粒径分析器(2)、水基生长管(3)、浓缩器(4)、空气动力学透镜(5)、热解析气化器(6)、电离源(7)、离子导入器(8)、质量分析器(9)，并依次序连接；即带电器(1)的出口与粒径分析器(2)连接，粒径分析器(2)后面连接水基生长管(3)，水基生长管(3)后面连接浓缩器(4)，浓缩器(4)的出口与空气动力学透镜(5)连接，后面依次连接有热解析气化器(6)、电离源(7)、离子导入器(8)和质量分析器(9)。
2.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：颗粒物通过带电器(1)带上电荷，然后传入到粒径分析器(2)中进行粒径选择；所述带电器(1)选用软X-射线、α放射源和电场放电方式之一使颗粒物进行带电。
3.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：通过改变粒径分析器(2)的电压，能够选出对应粒径的单分散颗粒物；所述粒径分析器(2)有两种工作模式，即通过扫描电压来依次分粒径选择超细颗粒物，或者固定电压使某一预定粒径的颗粒物通过。
4.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：所述水基生长管(3)由冷-热-冷三段不同温度分布的管道组成，内部的水汽呈过饱和状态；当颗粒物通过水基生长管(3)时，水汽在颗粒物表面凝结生长，颗粒物的粒径增大到微米量级。
5.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：所述浓缩器(4)包括一大一小两个排气口，分别用于大小不同流量的颗粒物传输；排气口位于浓缩器的侧边，与抽气泵相连，浓缩器采用空气动力学原理，将气溶胶中将大部分传输颗粒物的载气抽离，粒径增大后的颗粒从中间小孔往下游传输，达到浓缩颗粒物数浓度的效果。
6.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：所述空气动力学透镜(5)由一系列薄片孔组成，颗粒物在空气动力学透镜(5)中聚焦成一束粒子束，粒径增大和浓缩后的颗粒物通过空气动力学透镜(5)传输到气溶胶质谱仪的真空腔体里。
7.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：所述热解析气化器(6)的加热温度能够调节，使颗粒物在热解析气化器(6)的表面上吸收热量后气化成气态分子，同时被电离源(7)电离成离子。
8.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：所述离子导入器(8)在施加电压后，将离子从电离区引出，传输进入质量分析器(9)中，通过测量离子质量获得颗粒物的成分信息。
9.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：所述电离源(7)选用电子轰击、化学电离、激光照射、真空紫外灯照射、同步辐射光照射之一。
10.根据权利要求1所述的一种在线测量超细颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪，其特征是：所述质量分析器(9)使用飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器或离子阱质量分析器之一。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200918 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |