CN114965665A - 气态和颗粒态有机物电离系统及电离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及实验仪器技术领域，尤其是涉及一种气态和颗粒态有机物电离系统及电离方法，通过控制气路使含有气态物质及气溶胶颗粒物的混合样气进入空管构件，经加热并气化混合样气，进入电离室电离，测得总样气Ct；再次控制气路使混合样气进入有机气体去除器，仅留下气溶胶颗粒物，气溶胶颗粒物被引入加热构件，进行加热并气化，气化的气溶胶颗粒物被输送至电离构件，进行电离，并测得气溶胶颗粒物Cp，通过计算Ct与Cp的差值，即可测得气态有机物Cg，气态有机物和气溶胶颗粒物可得到有效分离，缓解了现有技术中溶剂和无机盐对样气的干扰、获取完整有机物分子结构信息难和对气态和颗粒态有机物进行测量难的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及实验仪器技术领域，尤其是涉及一种气态和颗粒态有机物电离系统及电离方法。
背景技术
人类或自然排放的挥发性有机物(VOC)及其在大气中氧化降解生成气态和颗粒态有机物不仅作为重要污染物影响环境质量，还可以通过改变云雾的凝结核而影响全球气候，而对于气态和颗粒态有机物进行准确的在线测量是理解和治理颗粒物污染的基础。质谱技术是目前测量气态和颗粒态有机物的重要技术，而实现对气体和颗粒物的在线电离是质谱测量的关键难点。
目前气溶胶电离的两种方式是离线法和在线法，离线法需要对气溶胶样品先富集和再溶解，溶剂中杂质会对气溶胶样品产生干扰，同时，大气颗粒物的无机盐会抑制有机物的电离效率。在线电离技术可以克服溶剂和无机盐对样品的干扰，用于气溶胶样品的在线电离源主要为：(1)高能电子轰击源(EI)，EI属于硬电离源，由于能量极高，其可将分子打碎，但是很难获取分子的离子峰，对于气溶胶这种典型的混合组分，EI源只能得到大量离子碎片的统计信息；(2)质子转移化学电离源(PTR)，该电离源属于软电离，可以得到物质的分子离子，但是由于化学选择性，该电离源无法获取负离子信息，因此分析范围受到限制。所以目前在线测量气态和颗粒态有机物以及获取完整的分子离子信息是亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种气态和颗粒态有机物电离系统及电离方法，以缓解现有技术中溶剂和无机盐对样气的干扰、获取完整有机物分子结构信息难和对气态和颗粒态有机物进行准确的在线测量难的技术问题。
为了缓解上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：
第一方面，本发明提供的气态和颗粒态有机物电离系统，包括：有机气体去除器、空管构件、加热构件和电离构件；
所述有机气体去除器与所述空管构件并联且均与含气态有机物和气溶胶颗粒物的气源连通；所述有机气体去除器具有吸附层，所述吸附层配置为能够吸附混合样气中的气态有机物；气态有机物和气溶胶颗粒物可选择地与所述有机气体去除器或所述空管构件连通；
所述加热构件设置于所述有机气体去除器与所述空管构件的下游，所述加热构件配置为能够加热气体有机物和/或气溶胶颗粒物，以使气溶胶颗粒物气化；
所述电离构件设置于所述加热构件下游，用于电离气态介质至带电离子状态。
在可选的实施方式中，
所述有机气体去除器包括管桶主体；
所述管桶主体的内壁具有空腔，所述吸附层填充于所述空腔内。
在可选的实施方式中，
所述有机气体去除器还包括内桶；
所述内桶设置于所述管桶主体内，所述内桶的外壁与所述管桶主体的内壁之间形成所述空腔。
在可选的实施方式中，
所述气态和颗粒态有机物电离系统还包括第一三通阀；
所述第一三通阀的入口与气源连通，所述第一三通阀的两个出口分别与所述有机气体去除器和所述空管构件的入口端连通。
在可选的实施方式中，
所述气态和颗粒态有机物电离系统还包括第二三通阀；
所述第二三通阀的出口与所述加热构件连通，所述第二三通阀的两个入口分别与所述有机气体去除器和所述空管构件的出口连通。
在可选的实施方式中，
所述加热构件包括双层套管；
所述双层套管具有内管和外管，所述内管设置于所述外管中心部，所述内管的外壁与所述外管的内壁之间形成第一空室，辅助气经所述第一空室输送至电离构件中；
所述内管内形成有第二空室，所述第二空室的一端与所述第二三通阀的出口连通，所述第二空室的另一端与所述电离构件连通。
在可选的实施方式中，
所述加热构件还包括导热主体、加热件和热电偶温度传感器；
所述导热主体内设置有用于容纳所述双层套管的空腔，且所述加热件和所述热电偶温度传感器设置于所述导热主体内。
在可选的实施方式中，
所述电离构件具有电离室，所述电离室的侧壁与软X射线光源连接。
在可选的实施方式中，
所述气态和颗粒态有机物电离系统还包括质谱基座；
所述质谱基座设置有第三空室和排气通道；
所述第三空室与所述电离室连通，所述第三空室的侧壁被用于与质谱检测器连接；
所述排气通道与抽气泵连接。
本发明提供的电离方法，包括如下步骤：
含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经所述空管构件至所述加热构件中，由所述加热构件加热混合样气，其中的气溶胶颗粒物被气化，气化的气溶胶颗粒物和气态有机物进入所述电离构件，电离构件将气体介质电离至离子状态，测得混合样气的Ct；
含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经过所述有机气体去除器后去除气态有机物，剩余的含气溶胶颗粒物的气体介质进入所述加热构件，所述加热构件加热并气化气溶胶颗粒物，气化后的气溶胶颗粒物进入电离构件，由所述电离构件电离至离子状态，测得气溶胶颗粒物的Cp；
计算气态有机物的Cg，Cg＝Ct-Cp。
本发明中气态和颗粒态有机物电离系统有益效果分析如下：
通过将带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气引入有机气体去除器或空管构件，通过控制气路使带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气进入空管构件，空管构件不对混合样气进行任何处理，经加热并气化带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气，混合样气进入电离室，电离至带正电的阳离子和带负电的阴离子，并测得总样气Ct；再次控制气路使带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气进入有机气体去除器，由于有机气体去除器具有可吸附气态有机物的吸附层，所以混合样气通过有机气体去除器后，仅留下气溶胶颗粒物，气溶胶颗粒物被引入加热构件，对气溶胶颗粒物进行加热并气化，气化的气溶胶颗粒物被输送至电离构件，电离至带正电的阳离子和带负电的阴离子，并测得气溶胶颗粒物Cp，通过计算Ct与Cp的差值，即可测得气态有机物Cg(Cg＝Ct-Cp)，且气态有机物和气溶胶颗粒物可得到有效分离，缓解了现有技术中溶剂和无机盐对样气的干扰、获取完整有机物分子结构信息难和对气态和颗粒态有机物进行准确的在线测量难的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施方式提供的气态和颗粒态有机物电离系统的整体结构示意图；
图2本发明实施方式提供的有机气体去除器的结构示意图；
图3本发明实施方式提供的电离方法的步骤示意图。
图标：
100-有机气体去除器；110-管桶主体；120-吸附层；130-内桶；200-空管构件；300-加热构件；310-双层套管；311-内管；312-外管；313-第一空室；314-第二空室；320-导热主体；330-加热件；340-热电偶温度传感器；400-电离构件；410-电离室；420-软X射线光源；500-质谱基座；510-排气通道；520-第三空室；600-抽气泵；700-第一三通阀；800-第二三通阀；900-质谱检测器。
具体实施方式
目前研究气态和颗粒态有机物时，样气中的溶剂和无机盐会干扰气溶胶电离，并且很难获取完整有机物分子结构信息以及对气态和颗粒态有机物很难进行准确的在线测量。
有鉴于此，本实施例提供了一种气态和颗粒态有机物电离系统，包括：有机气体去除器100、空管构件200、加热构件300和电离构件400；有机气体去除器100与空管构件200并联且均与含气态有机物和气溶胶颗粒物的气源连通；有机气体去除器100具有吸附层120，吸附层120配置为能够吸附混合样气中的气态有机物；气态有机物和气溶胶颗粒物可选择地与有机气体去除器100或空管构件200连通；加热构件300设置于有机气体去除器100与空管构件200的下游，加热构件300配置为能够加热气体有机物和/或气溶胶颗粒物，以使气溶胶颗粒物气化；电离构件400设置于加热构件300下游，用于电离气态介质至带电离子状态。
通过将带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气引入有机气体去除器100或空管构件200，通过控制气路使带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气进入空管构件200，空管构件200不对混合样气进行任何处理，经加热并气化带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气，混合样气进入电离室410，电离至带正电的阳离子和带负电的阴离子，并测得总样气Ct；再次控制气路使带有气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气进入有机气体去除器100，由于有机气体去除器100具有可吸附气态有机物的吸附层120，所以混合样气通过有机气体去除器100后，仅留下气溶胶颗粒物，气溶胶颗粒物被引入加热构件300，对气溶胶颗粒物进行加热并气化，气化的气溶胶颗粒物被输送至电离构件400，电离至带正电的阳离子和带负电的阴离子，并测得气溶胶颗粒物Cp，通过计算Ct与Cp的差值，即可测得气态有机物Cg(Cg＝Ct-Cp)，且气态有机物和气溶胶颗粒物可得到有效分离，缓解了现有技术中溶剂和无机盐对样气的干扰、获取完整有机物分子结构信息难和对气态和颗粒态有机物进行准确的在线测量难的技术问题。
关于有机气体去除器100的形状和结构，详细而言：
如图1和图2所示，有机气体去除器100包括吸附层120、管桶主体110和内桶130，内桶130可设置为带孔网状空心桶，内桶130与含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气连通，管桶主体110的内壁与内桶130的外壁形成空腔，吸附层120填充于空腔中，吸附层120可设置为活性炭，活性炭用于吸收气态有机物，当含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气从内桶130流过时，由于气态分子的扩散速度大于气溶胶颗粒物，因此气态有机物会被活性炭吸附，气溶胶颗粒物不受影响。
内桶130和管桶主体110可以独立设置，即将内桶130套装在管桶主体110内部，内桶130和管桶主体110也可以整体制造，即在圆柱状的管桶主体110内部掏空出内桶130和吸附层120。
关于空管构件200的形状和结构，详细而言：
如图1所示，空管构件200与含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气连通，且空管构件200与有机气体去除器100并联连接，含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气可进入空管构件200中，也可进入有机气体去除器100中，空管构件200不对混合样气做处理。
关于加热构件300的形状和结构，详细而言：
如图1所示，加热构件300包括双层套管310、导热主体320、加热件330和热电偶温度传感器340，双层套管310设置有外管312和内管311，控制气路使含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气通入有机气体去除器100，经过有机气体去除器100的混合样气，气态有机物被吸附层120中的活性炭吸附，留下含气溶胶颗粒物的样气进入由内管311内部形成的第二空室314，在第一空室313中通入辅助气，辅助气可设置为氮气，位于导热主体320内部的加热件330通过导热主体320将热量传递给处于第一空室313的辅助气，导热主体320可设置为铝制圆柱体，加热件330通过加热辅助气来加热第二空室314中的气溶胶颗粒物，并气化气溶胶颗粒物，位于导热主体320内部的热电偶温度传感器340可实时监测温度，进而可将加热件330的加热温度调整至需要的数值；控制气路使含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气通入空管构件200，经过空管构件200的混合样气不做处理，之后通入由内管311内部形成的第二空室314，在第一空室313中通入辅助气，辅助气可设置为氮气，位于导热主体320内部的加热件330通过导热主体320将热量传递给处于第一空室313的辅助气，导热主体320可设置为铝制圆柱体，通过加热辅助气来加热第二空室314中的含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气，并气化其中的气溶胶颗粒物，位于导热主体320内部的热电偶温度传感器340可实时监测温度，进而可将加热件330的加热温度调整至需要的数值。
另外，双层套管310可单独设置，插装在导热主体320中，也可与导热主体320一同制造，与导热主体320是一个整体。
关于第一三通阀700和第二三通阀800的形状和结构，详细而言：
如图1所示，第一三通阀700的入口通入含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气，混合样气由第一三通阀700的出口通入到有机气体去除器100或空管构件200中，经过有机气体去除器100后的含气溶胶颗粒物的样气由第二三通阀800的入口进入第二三通阀800，由第二三通阀800的出口进入第二空室314；经过空管构件200的混合样气由第二三通阀800的入口进入第二三通阀800，由第二三通阀800的出口通入到第二空室314。
关于电离构件400的形状和结构，详细而言：
如图1所示，电离构件400包括电离室410，经过第二空室314的气化的气溶胶颗粒或者气化的气溶胶颗粒和气态有机物进入电离室410，在电离室410被软X射线光源420发射的光子电离为分子离子；电离室410可设置为316L材质不锈钢材质。
关于质谱基座500的形状和结构，详细而言：
如图1所示，质谱基座500包括第三空室520和排气通道510，质谱基座500可设置为不锈钢材质的密封罩，经过电离室410的样气被电离成分子离子，与排气通道510连通的抽气泵600可驱动离子样品进入第三空室520，并调节离子进入质谱检测器900的流速，同时可抽出多余的气体。
本实施例的可选方案中，较为优选的，控制气路使含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经过第一三通阀700进入有机气体去除器100，含活性炭的吸附层120吸附气态有机物，留下含气溶胶颗粒物的样气经过第二三通阀800进入第二空室314，辅助气经过第一空室313进入电离室410，通过加热件330加热第一空室313中的辅助气，来加热并气化气溶胶颗粒物，气化的气溶胶颗粒物和辅助气进入电离室410，软X射线光源420发射的高能光子会将有机分子电离为带正电的阳离子和带负电的阴离子，带电离子被引入第三空室520中，在抽气泵600的作用下，离子可进入质谱检测器900；控制气路使含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经过第一三通阀700进入空管构件200，空管构件200不对混合样气做处理，混合样气经过第二三通阀800进入第二空室314，辅助气经过第一空室313进入电离室410，通过加热件330加热第一空室313中的辅助气，来加热并气化气溶胶颗粒物，气化的气溶胶颗粒物、气态有机物和辅助气一同进入电离室410，软X射线光源420发射的高能光子会将有机分子电离为带正电的阳离子和带负电的阴离子，带电离子被引入第三空室520中，在抽气泵600的作用下，离子可进入质谱检测器900进行检测。
本实施例明提供了一种电离方法，包括如下步骤：
如图3所示，S1：含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经空管构件200至加热构件300中，由加热构件300加热混合样气，其中的气溶胶颗粒物被气化，气化的气溶胶颗粒物和气态有机物进入电离构件400，电离构件400将气体介质电离至离子状态，测得混合样气的Ct；
S2：含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经过有机气体去除器100后去除气态有机物，剩余的含气溶胶颗粒物的气体介质进入加热构件300，加热构件300加热并气化气溶胶颗粒物，气化后的气溶胶颗粒物进入电离构件400，由电离构件400电离至离子状态，测得气溶胶颗粒物的Cp；
S3：计算气态有机物的Cg，Cg＝Ct-Cp。
本实施例的可选方案中，较为优选的，通过控制气路将含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经空管构件200通入至加热构件300中，经过加热构件300加热后进入到电离构件400中，利用电离构件400将气体电离至离子状态，测得混合样气Ct，通过控制气路将含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气通入到有机气体去除器100，有机气体去除器100去除气态有机物后的样气通入至电离构件400，电离构件400电离至离子状态后测得气溶胶颗粒物Cp，计算Ct与Cp的差值得到Cg。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，包括：有机气体去除器(100)、空管构件(200)、加热构件(300)和电离构件(400)；
所述有机气体去除器(100)与所述空管构件(200)并联且均与含气态有机物和气溶胶颗粒物的气源连通；所述有机气体去除器(100)具有吸附层(120)，所述吸附层(120)配置为能够吸附混合样气中的气态有机物；气态有机物和气溶胶颗粒物可选择地与所述有机气体去除器(100)或所述空管构件(200)连通；
所述加热构件(300)设置于所述有机气体去除器(100)与所述空管构件(200)的下游，所述加热构件(300)配置为能够加热气体有机物和/或气溶胶颗粒物，以使气溶胶颗粒物气化；
所述电离构件(400)设置于所述加热构件(300)下游，用于电离气态介质至带电离子状态。
2.根据权利要求1所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，所述有机气体去除器(100)包括管桶主体(110)；
所述管桶主体(110)的内壁具有空腔，所述吸附层(120)填充于所述空腔内。
3.根据权利要求2所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，所述有机气体去除器(100)还包括内桶(130)；
所述内桶(130)设置于所述管桶主体(110)内，所述内桶(130)的外壁与所述管桶主体(110)的内壁之间形成所述空腔。
4.根据权利要求1所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，还包括第一三通阀(700)；
所述第一三通阀(700)的入口与气源连通，所述第一三通阀(700)的两个出口分别与所述有机气体去除器(100)和所述空管构件(200)的入口端连通。
5.根据权利要求1所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，还包括第二三通阀(800)；
所述第二三通阀(800)的出口与所述加热构件(300)连通，所述第二三通阀(800)的两个入口分别与所述有机气体去除器(100)和所述空管构件(200)的出口连通。
6.根据权利要求5所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，所述加热构件(300)包括双层套管(310)；
所述双层套管(310)具有内管(311)和外管(312)，所述内管(311)设置于所述外管(312)中心部，所述内管(311)的外壁与所述外管(312)的内壁之间形成第一空室(313)，辅助气经所述第一空室(313)输送至电离构件(400)中；
所述内管(311)内形成有第二空室(314)，所述第二空室(314)的一端与所述第二三通阀(800)的出口连通，所述第二空室(314)的另一端与所述电离构件(400)连通。
7.根据权利要求6所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，所述加热构件(300)还包括导热主体(320)、加热件(330)和热电偶温度传感器(340)；
所述导热主体(320)内设置有用于容纳所述双层套管(310)的空腔，且所述加热件(330)和所述热电偶温度传感器(340)设置于所述导热主体(320)内。
8.根据权利要求7所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，所述电离构件(400)具有电离室(410)，所述电离室(410)的侧壁与软X射线光源(420)连接。
9.根据权利要求8所述的气态和颗粒态有机物电离系统，其特征在于，还包括质谱基座(500)；
所述质谱基座(500)设置有第三空室(520)和排气通道(510)；
所述第三空室(520)与所述电离室(410)连通，所述第三空室(520)的侧壁被用于与质谱检测器(900)连接；
所述排气通道(510)与抽气泵(600)连接。
10.一种电离方法，其特征在于，包括如下步骤：
含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经空管构件(200)至加热构件(300)中，由加热构件(300)加热混合样气，其中的气溶胶颗粒物被气化，气化的气溶胶颗粒物和气态有机物进入电离构件(400)，电离构件(400)将气体介质电离至离子状态，测得混合样气的Ct；
含气态有机物和气溶胶颗粒物的混合样气经过有机气体去除器(100)后去除气态有机物，剩余的含气溶胶颗粒物的气体介质进入加热构件(300)，加热构件(300)加热并气化气溶胶颗粒物，气化后的气溶胶颗粒物进入电离构件(400)，由电离构件(400)电离至离子状态，测得气溶胶颗粒物的Cp；
计算气态有机物的Cg，Cg＝Ct-Cp。
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