单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪在细颗粒物研究中的应用和进展

单颗粒气溶胶质谱技术起源于20世纪70年代,在近二十年得到了快速的发展。单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪具有高时间分辨率,且同时测量大气中单个细颗粒物粒径、多种化学组分和混合状态的特点,在大气细颗粒物监测和科学研究中逐渐得到了广泛应用。本文对单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的发展历程进行了介绍,对目前已商品化的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪ATOFMS和SPAMS的原理、数据分析方法、结果输出方式以及在环境监测和研究中的主要应用进行了总结,并指出单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的发展方向。

单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪分析香烟烟气气溶胶

单颗粒气溶胶飞行时间质谱可同时对气溶胶单颗粒的粒径大小、化学成分进行实时、在线检测。本研究介绍了新近研制的单颗粒质谱仪的原理、结构、主要技术指标及对香烟烟气气溶胶的应用研究。仪器采用空气动力学透镜聚焦,双光束粒径测量系统确定颗粒物的空气动力学直径,激光电离系统实现颗粒物精确电离,通过双极有网反射飞行时间质量分析器实现正负离子同时检测。香烟检测结果表明,在颗粒物粒径分布上,新鲜香烟烟气颗粒范围较老化烟气宽。在气溶胶化学成分上,老化烟气颗粒物与新鲜烟气相比,尼古丁,氰酸盐,硝酸盐,硫酸盐及铵盐5种成分的数浓度百分比都有所增加,而含Cl-的数浓度百分比减少。原因可能是由于烟气由气相到粒相之间的转化,及颗粒物与空气中的气体发生了非均相反应;Cl-老化之后的减少是因为HNO3与Cl-之间的非均相反应。

实时在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的研制

针对大气气溶胶单颗粒粒径及成分同时检测的要求,自行研制了一台实时在线单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪,并对仪器各部分的原理和结构进行了描述。用实验室产生的标准气溶胶粒子对仪器进行粒径和质量数校正,同时考察激光能量对邻苯二甲酸二辛脂(DOP)气溶胶颗粒的打击效率及其谱图的影响。室内气溶胶颗粒采样证明了该仪器具有较高的同位素测量精度及质量分辨率。

气溶胶飞行时间质谱仪单颗粒质谱偏移问题及其纠正算法

在单颗粒气溶胶质谱分析中,不同颗粒质谱图之间发生质谱偏移,谱峰质量数难以准确测定的现象已经被多次观察到。这种现象的存在使得应用单一的校准参数校准质谱图时,产生质谱峰辨认的不确定性。不同颗粒质谱图之间最大的偏移取决于电离激光光斑的大小。当校准参数不准确时,某质谱峰偏离正确m/z值的大小与该质谱峰的质量数呈线性相关。从理论上证明了这种偏移产生于颗粒物在激光光斑内电离位置的不同。为解决单一校准参数带来的不可避免的误差,提出了一种可编程的算法来自动找出每个颗粒物质谱的最优校准参数,以实现单颗粒质谱图的准确的质量校准。

用于生物气溶胶质谱检测的泵送逆流虚拟切割器研究

单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)可以提供高时间分辨率和高灵敏度的颗粒物粒径分布和质谱数据组成,广泛应用于大气气溶胶检测和大气科学研究领域。大气环境中的微米级大颗粒数浓度远小于亚微米级小颗粒物,在单颗粒气溶胶质谱的检测中,颗粒经空气动力学加速赋能后,小颗粒物的飞行速度大于大颗粒物,导致生物气溶胶等大颗粒的检测几率大幅度降低。该研究设计了一种泵送逆流虚拟切割器(PCVI),通过3D建模、计算流体动力学(CFD)仿真、实际实验测试以及对实际样品藻类气溶胶的检测,详细介绍了PCVI的实现原理、数据仿真、性能验证与实际应用。PCVI与SPAMS联用,可形成对小颗粒物具有切割能力的PC⁃VI-SPAMS系统,对藻类生物气溶胶的检测证实,所研制的PCVI可以有效去除2μm粒径以下的颗粒,成功对小颗粒背景进行切分,获得了符合预期的效果。

真空紫外光电离质谱在线检测卷烟主流烟气气溶胶中气体和颗粒物的化学成分

本文采用吸烟机模拟吸烟状态,结合自制的真空紫外光电离质谱仪,在线检测和表征卷烟主流烟气中气体和颗粒物的化学成分,获得各自的特征成分,并开展逐口抽吸特性研究。结果表明,卷烟主流烟气中的气体成分主要为小分子质量的挥发性有机物,而颗粒物的成分复杂,在质谱仪质量分析范围(m/z<400)内均有检出。烟气两相成分的归属结果显示,部分成分主要以气体形式存在于烟气中,而另一些成分仅存在于颗粒物中。此外,研究发现,苯酚、糠醛、二羟基苯、二甲基苯酚、愈创木酚和柠檬烯等成分在气相和颗粒相中均有检出。逐口分析中,气体成分呈现2种变化特征,绝大多数成分的信号强度随抽吸口数增加而增强,而部分不饱和烃则在第2口抽吸中具有较高的相对强度,之后逐渐降低并趋于稳定或略有上升;几乎颗粒相中所有成分都呈现逐口增强的趋势,与气相成分相比,颗粒相成分的增长趋势更平缓。

差分真空单颗粒进样在线气溶胶飞行时间质谱系统的研制

详细说明了差分真空单颗粒进样在线气溶胶飞行时间质谱系统(LAMPAS-3 PLUS)的单颗粒进样系统、双光束测径系统、双极飞行时间质谱仪以及数据采集分析系统,并分别用标准粒子对仪器进行粒径标定与质量峰校正。测试结果表明,仪器对0.2～2.5μm粒径段的颗粒物具有稳定的信号响应和～70%的电离效率,并且具有质谱峰识别精准漂移小的特点。仪器外场监测数据提供在线大气颗粒物粒径信息和组分信息的同时,结合模糊C均值聚类算法(FCM)与自适应共振神经网络算法(ART-2a)可实现对大气颗粒物污染来源快速解析,能够为大气颗粒物溯源解析提供重要依据。

运用单颗粒气溶胶质谱技术初步研究广州大气矿尘污染

自主研发的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(Single Particle Aerosol Mass Spectrometer,SPAMS)采用空气动力学透镜、双激光测径系统以及双极飞行时间质量分析器,并用其对广州市大气细颗粒物进行在线分析,实现了矿尘颗粒物的空气动力学直径和化学组成的同时检测.在连续4 d的采样中,共采集到249 057个粒径在0.2～1.2μm且同时含有正负质谱信息的颗粒物,其中矿尘颗粒物占7.9%.结果表明:矿尘颗粒物的正离子成分以Ca2+,K+,Fe2+和Na+为主,同时还含有Li+,Mg2+,V5+,Ba2+和Ti4+等;负离子成分以NO3-和NO2-为主,另外还含有HSO4-,SiO3-和PO3-等.在广州市大气细颗粒物中,矿尘贡献不如含碳颗粒物和生物质燃烧颗粒物,且在矿尘颗粒物中贡献较大的几类(如含钙、含铁、含钠钾颗粒物等)大多是老化的成分.

在线单颗粒气溶胶质谱在大气重金属铅污染事故中的应用研究

重金属铅由于其对人体健康的影响而广受关注。利用在线单颗粒气溶胶质谱仪对2012年发生在华南地区的一次金属铅污染事故中的含铅颗粒物的质谱特征、粒径分布及排放规律进行了分析。监测发现A、B两个监测点位的含铅颗粒物比例多在夜间或凌晨达到高峰,高峰时刻含铅颗粒物数浓度占比最高可达67%,对比广州市区、鹤山超级站的含铅颗粒物浓度占比,可知该地区含铅颗粒物的污染程度较高。两监测点位的含铅颗粒物质谱特征及粒径分布情况非常相似,可能存在相同的排放源或具有相同的形成机制。质谱中都均含有明显的铅、元素碳、硫、硫酸盐等信号,可能来自于燃煤源的排放。通过进一步对比分析燃煤烟气排放的含铅颗粒物质谱特征,判断其为燃煤源排放。

单颗粒气溶胶质谱仪研究进展

大气气溶胶因其对气候和公众健康的影响而成为当今环境研究领域的中心课题.单颗粒分析是目前国际上大气气溶胶研究的一个前沿领域,该方法具有高的时间和空间分辨率,能够提供全颗粒物分析所无法提供的大量信息.利用自主研制的单颗粒气溶胶质谱仪(single particle aerosol mass spectrometer,SPAMS),对广东鹤山地区气溶胶进行在线分析.重点分析含金属颗粒的相关性、数浓度和可能的来源,并简单介绍该仪器的产业化情况.

基于单颗粒质谱技术的石家庄冬春季气溶胶成分特征及混合状态研究

利用位于石家庄市大气梯度监测站(20 m)的单颗粒气溶胶质谱仪分析了冬、春季大气环境中气溶胶的化学组成及混合状态,并采用ART-2a分类法对气溶胶分类。结果表明,石家庄市大气中主要存在8类颗粒物,即元素碳(EC)、有机碳(OC,相对分子质量小于150)、高分子有机碳(HOC,相对分子质量大于150)、混合碳(元素-有机碳混合,ECOC)、重金属、左旋葡聚糖碎片(LEV)、矿物质和富钾颗粒。8类颗粒中绝大部分包含SO_4^-、NO_2^-和NO_3^-等二次离子组分,表明采集到的颗粒物大都经历了不同的老化,或与二次组分进行了不同程度的混合。冬季气溶胶的主要成分是OC(数浓度36.1%),谱图含有C2H+3、C_2H_3O^+、C_5H_3^+、C_6H_5^+等离子,主要来自化石燃料、生物质等燃烧产生的一次排放颗粒,以及由挥发性有机物光化学氧化而成的二次有机颗粒;春季气溶胶的主要成分是EC(数浓度43.6%)和矿物质(数浓度15.4%)。EC中含有一系列单质碳峰,来自化石燃料或木材等生物质不完全燃烧的一次排放;矿物质颗粒中含有Mg^+、Al^+、Ca^+、Fe^+及SiO_3^-,主要来自扬尘。发生灰霾时,冬季OC和ECOC颗粒占比增大,EC颗粒占比减小;春季矿物质和ECOC颗粒占比变大,OC颗粒占比变小。随着灰霾天气发生,冬、春季碳气溶胶与二次无机气溶胶颗粒的混合加剧,而NH_4^+与碳气溶胶的混合加剧最为明显。冬季气溶胶的数浓度与气象因素的相关性高于春季,而低风速、高湿度和低气压易导致灰霾出现。石家庄市春季和冬季气溶胶污染应分别从机动车尾气、扬尘及燃煤、制药企业加以管控。

单颗粒气溶胶质谱仪串联热稀释器在线测量单个气溶胶颗粒的挥发性

颗粒挥发性可以影响颗粒在大气中的寿命,对大气颗粒物中二次气溶胶的形成机制研究有一定的参考价值。以往研究测量颗粒挥发性采用的是热熔蚀器,其活性炭吸附器一旦老化后,在较高温度下可能会释放出活性炭,造成测量失真。本研究针对热熔蚀器的上述缺点,以稀释器替代活性炭吸附器部分,与单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)连接,建立了一种在线分析单个气溶胶颗粒挥发性的测量方法。气溶胶颗粒分别通过两个通道进入SPAMS分析颗粒信息。通道1,气溶胶颗粒由管路进入加热器,被加热至不同的温度,颗粒挥发产生的气体和挥发后的颗粒内核进入稀释器部分,利用干净干燥冷的稀释气对加热挥发后的气体和颗粒进行稀释,使颗粒温度降低并短时间内不与气体发生冷凝,最后进入SPAMS进行检测。通道2为单独硅胶管,其长度与通道1相同,气溶胶颗粒通过通道2直接进入SPAMS检测。通过对比通道1和通道2获得的颗粒信息(粒径、数目和质谱信息等),得到气溶胶颗粒在不同温度下的挥发性。实验室用标准物质进行评估测试,结果表明,采用稀释器可以避免活性炭吸附器使用时间变长而失效,防止挥发性物质冷凝回到颗粒中。应用本方法初步测定了广州市春季气溶胶的挥发性,表明春季气溶胶多为高度挥发性和中度挥发性物质。

昆明城区夏季单颗粒气溶胶质谱特征及来源分析

使用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)于2015年8月1日至7日,对大气中细颗粒连续监测,有8万多个颗粒具有测径和电离信息,SPAMS所捕获的颗粒数与PM_(2.5)浓度的相关性达到0.78,表明在一定程度上颗粒物数浓度能够反映大气污染变化趋势.分析表明,捕集到的大气颗粒物可分为具有代表性的8类:元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、有机碳(OC)、高分子有机碳(HOC)、富钾(K-rich)、矿物质(KWZ)、左旋葡聚糖(LEV)和重金属(Metal)颗粒,不同类型颗粒粒径分布差异较为明显.颗粒类型以ECOC和OC颗粒为主,约占到电离颗粒数的50%以上.ECOC和OC颗粒数百分比在1:00 am至12:00 am左右,先上升后下降;EC颗粒主要受到机动车尾气排放影响,所占比例白天高于夜间;燃烧源排放颗粒物的增加和低风速是造成PM_(2.5)浓度上升阶段的主要原因;源解析结果表明,拓东体育馆周围大气污染源以机动车尾气为主,贡献率为28.5%;其次为燃煤源,贡献率为23.8%.

利用单颗粒气溶胶质谱仪研究石家庄市采暖结束前后大气细颗粒物污染特征及成因

2016年3月1日~20日期间,石家庄市区于采暖期结束前后出现两次重污染天气。为探究重污染天气成因,利用位于石家庄市大气自动监测站(20 m)的单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)对两次重污染天气期间的细颗粒物化学组成进行分析;并结合颗粒物质量浓度和气象条件等对重污染天气成因进行了推定。结果表明,3月采暖期(3月1日~15日)期间共发生为期1 d的重度污染天气,主要成因为来自燃煤(贡献率42.6%)和工业工艺源(26.4%)的颗粒物严重累积;采暖期结束后(3月16日~20日)出现了连续3 d的重度污染天气,前期主要成因为来自机动车尾气(25.5%~25.9%)和工业工艺源(23.0%~25.5%)的颗粒物严重累积;后期首要污染源变为燃煤(28.6%)和工业工艺(27.4%)。监测过程中,PM_(2.5)与气象条件的相关性较高,r_(湿度/2.5)=0.76,r_(大气压/2.5)=-0.58,r_(风速/2.5)=-0.65,r_(温度/2.5)=0.35。综合来看,高湿状态下空气的低压静稳和低空传输,共同促使燃煤及工业工艺源的颗粒物累积,二次转化加剧后导致3月4日的重污染天气;而采暖期结束后,在同样不利于扩散的气象条件下,机动车尾气及工业工艺源的颗粒物累积,二次转化加剧,从而导致3月17和18日污染小高峰;不同于前两日,燃煤和工业工艺源的累积,二次转化加剧,导致了3月19日凌晨的污染小高峰。

利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)研究太原市冬季一次雾霾天气的污染特征及成因

2017年11月5日至6日太原市发生了一次重度污染天气,利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)分析了细颗粒物的化学组成,根据太原市细颗粒源谱库对主要成分进行了来源解析,并结合激光雷达和气象条件研究了雾霾天气成因.结果表明,雾霾天时颗粒物主要包括如下9类:有机碳颗粒(OC)、元素碳颗粒(EC)、元素-有机碳混合颗粒(ECOC)、高分子有机碳(HOC)颗粒、富钾颗粒(K-rich)、富钠颗粒(Na-rich)、左旋葡聚糖颗粒、矿物质颗粒及重金属颗粒,9类颗粒中普遍存在的二次成分表明它们都经历了一定程度的老化过程.含碳颗粒物(OC、EC)与二次颗粒物(SO2-4、NO-3、NH+4)的相关性在干净天时高于雾霾天,二次颗粒物的相关性在两种天气状况下都较高.污染物来源解析结果表明,此次重污染过程主要是由机动车尾气和燃煤引起的.激光雷达及气象数据分析表明,此次污染过程是由外来污染物传输以及风速低、湿度高、大气边界层高度降低等不利的气象条件共同作用造成的.

单颗粒气溶胶飞行时的碎片形态、成像、质谱分析

微米级细颗粒物的形态对毒理学和气候学都非常重要,但颗粒的这些属性很难在自然环境中测量到.电子显微镜学需要在基质上收集颗粒态,可见光散射提供的分辨率不足,X射线同步加速器研究被限定在集合的颗粒物上.这里,展示1种原位测量方法,对在自然环境中分辨就绪在亚微米级到纳米级的单颗粒呈像,

基于单颗粒气溶胶质谱技术的厦门细颗粒谱分布研究

采用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（SPAMS）和气溶胶粒径谱仪（AGM-1500）对厦门大气气溶胶颗粒进行了实时在线分析,获得了大气气溶胶颗粒的粒径和化学组成的谱分布。结果表明：利用WPS和SPAMS测量PSL颗粒得到的结果具有相同谱分布规律,但SPAMS检测到的颗粒数要比WPS测得的颗粒数浓度低,WPS测量得到的厦门大气气溶胶颗粒呈双模态分布,模粒径分别为0.03μm和0.6μm,利用SPAMS测量得到的厦门大气气溶胶为单峰分布,峰值粒径为0.6μm。厦门大气中含有的常见离子组分：NOx-,HSO4-,Cl-,NH4＋,Na＋,K＋,Fe2＋,Cu2＋,Al3＋,Ca2＋,Pb2＋等。NOx-,HSO4-和K＋具有很强的谱峰,表明厦门大气细颗粒中存在较为严重的二次污染及污染物的输入。Na和Cl元素也表现出较强的谱峰,说明该区域海盐粒子对大气气溶胶中具有较大的影响。

用自组织特征映射神经网络对飞行时间质谱采集的大气气溶胶单粒子进行分类

气溶胶飞行时间质谱仪(ATOFMS)在对气溶胶粒子的测量过程中,产生大量包含单粒子化学成分和粒径信息的数据。本研究采用具备矢量量化与数据降维能力的自组织特征映射网络(SOM),对自制的气溶胶飞行时间质谱仪24 h采集到的室内大气气溶胶质谱数据进行聚类分析。获得"含钙"、"盐类和二次气溶胶"、"二次颗粒"、"有机胺"、"富含钾有机物"、"无机盐"和"土壤"等20类颗粒。相比于其它聚类方法,SOM可进行可视化分析,对神经元进行再次聚类,聚类中心多。这些分类信息将有助于评估气溶胶粒子的反应和毒性,以及鉴别气溶胶粒子的起源。

单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪维护及质量管理浅析

单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪作为一种新型的气溶胶分析技术。本文着重介绍SPAMS0535单颗粒飞行时间质谱仪的维护经验,并提出一些质量管理措施,希望以此为环境监测技术人员提供该仪器维护方面的参考,以获得准确的监测数据。

基于单颗粒气溶胶质谱的人体呼出颗粒物粒径分布与化学成分的分析方法研究

人体呼出气中内源性颗粒物和外源性颗粒物的粒径和化学成分信息可为肺部疾病诊断、环境暴露评价等研究提供参考。该文初步考察了单颗粒气溶胶质谱(Single particle aerosol mass spectrometry,SPAMS)同时获取人体呼出气中颗粒物(Exhaled breath particles,EBPs)粒径分布和化学成分的可行性。结果表明,健康成人的EBPs数浓度为227~1 043个/L,获取具有统计意义的粒径分布所需的EBPs检出限为2 500个颗粒物,粒径范围为200~1 000 nm,峰值出现在460 nm。与环境空气颗粒物的粒径分布相比,EBPs更多分布在200~300 nm和440~660 nm,从化学成分来看,这两段粒径范围内的EBPs含有更多的碳元素,不易在体内发生吸湿增长,提高了被呼出的概率。EBPs的化学成分可能反映内源性颗粒物和外源性颗粒物组成,如HSO_4^-、PO_3^-、CN^-、CNO^-和C_xH_yO_z^+(x=1~3,y=1~7,z=1~3)可能与内源性颗粒物中的蛋白含量、磷酸酯酰甘油等成分有关,碳簇峰C_3^-、C_4^-、C^+、C_3^+、C_3H^+和C_4^+推测与外源性颗粒物中的碳元素有关。