实时在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的研制

　　大气气溶胶是指固体和液体悬浮在空气中形成的多相分散体系。大气颗粒物的粒径范围从10 nm以下到10μm以上,跨度超过3个数量级,并且化学组成复杂,通常是各种分子(如海盐、灰尘、重金属、沙子)以及有机分子的混合体[1]。由于气溶胶的来源广泛,且在空气中发生的反应过程复杂多样,因此单个颗粒之间的物理、化学性质相差很大。由于大气过程反应迅速,气溶胶的物理、化学性质可能会在短时间内发生变化,有时候仅仅是几小时或者几分钟[2]。越来越多的研究表明,气溶胶在气候、环境以及人类健康方面都有着非常重要的影响。近年来,有关大气气溶胶的研究受到人们越来越多的关注[3-5]。

　　由于离线方法需要的采样时间长,且气溶胶样品在采集、贮存和运输过程中可能发生如挥发、结晶、气-粒转化等反应,而不能还原大气的真实状况。此外,传统的气溶胶成分分析往往是基于整体分析技术,因而不能反映颗粒之间的组成区别[6]。所以在过去10多年里,西方先进国家,特别是美国十分重视单颗粒气溶胶的实时在线检测技术,国际上进行单颗粒气溶胶质谱研究的小组也已经从90年代的几个发展到现在的40多个。目前,国际上商品化的气溶胶质谱仪器主要有美国Aerodyne公司的产品AMS(aerosol mass spectrometer)和TSI公司的产品ATOFMS TSI3800(aerosol time-of-flight massspectrometer),其中ATOFMS是由美国加利福尼亚大学Prather小组研制成功并商品化[7];该仪器针对气溶胶单颗粒进行实时在线检测,并能同时检测单颗粒气溶胶粒径大小和化学成分。

　　我国在大气气溶胶的化学组成,颗粒大小,表面形态,粒子数浓度,气溶胶光学厚度,气溶胶与气候的关系,气溶胶的源解析等方面做了大量的工作。但由于检测手段及分析技术的限制,大部分研究是先采集后进行离线分析检测[8-11]。国内只有两家研究小组研制过单颗粒气溶胶质谱仪,但性能与国外仪器存在一定的差距[12-13]。针对目前我国研究的需要及检测仪器的发展趋势,实验室自制了一台实时在线监测单颗粒双极飞行时间质谱仪(real-time single particle aero-sol time of flight mass spectrometer, SPAMS)。本工作将介绍该仪器的基本原理以及初步的实验结果。

　　1　实验部分

　　1.1　仪器总体描述

　　理想的气溶胶检测仪器/技术应该具有3方面的特点:1)小型、轻便、稳定。实现机载或车载,可以在大范围的经纬度和海拔下对大气进行立体检测;2)快速直接检测。大气气溶胶颗粒物的化学成分复杂,且其浓度分布及化学成分随风向/风速的改变而变化,所以需要一种快速、实时、在线的技术进行准确检测;3)能对颗粒的大小和化学成分同时测量。气溶胶颗粒的物理和化学属性对环境、气候、人体建康有着重要的影响,全面了解其属性有助于解析大气污染物的来源,并评估及控制污染物的影响。