单颗粒质谱仪进样装置的设计与模拟

目前,广泛采用空气动力学透镜-喷嘴作为单颗粒质谱仪的进样装置.针对大气环境污染物PM2.5的研究需要,对单颗粒质谱仪进样装置中空气动力学透镜-喷嘴（聚焦颗粒的空气动力学直径在0.3～3 μm范围内）进行优化设计,并选用Fluent软件对颗粒运动进行数值模拟.仿真结果表明：优化设计的进样装置对粒径0.3～3 μm范围的颗粒聚焦效果较好,在距离装置出口24 cm处的颗粒束宽在0.03 mm以内.因此,优化设计的进样装置能满足单颗粒质谱仪对PM2.5颗粒进样聚焦的要求.

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.

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。

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。

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.

利用单颗粒气溶胶质谱仪分析细菌气溶胶颗粒

大气中悬浮的活性生物气溶胶通过人的呼吸系统进入人体内,会对人体的健康造成一定影响,因此活性生物气溶胶的检测极其重要。近年来,越来越多的研究尝试将单颗粒气溶胶质谱(SPAMS)技术应用于大气生物气溶胶监控领域。本研究利用SPAMS对13株已知菌株进行分析检测发现,不同活性细菌气溶胶的单细胞谱图之间具有较高的一致性,因此较难对菌株进行鉴定。但是,活性细菌气溶胶的常见峰与大气其它细颗粒的特征峰有较大差异,如活细菌气溶胶存在m/z 30、70、72、74、86、88、110和120等氨基酸碎片离子峰,以及m/z-26、-42、-79、-97和-159等氰酸和磷酸盐离子峰。进一步对外场大气气溶胶进行检测发现,上述负离子峰较稳定,可作为细菌气溶胶的特征峰,实现快速在线识别活性细菌气溶胶的目的。

单颗粒气溶胶质谱仪自动粒径校正方法

单颗粒气溶胶质谱仪通常采用空气动力学透镜进样,通过测量透镜出口每一个颗粒物的速度来推算颗粒物的空气动力学直径。然而,颗粒物速度受透镜前端压力的影响较大,该压力发生微小变化就会导致颗粒物粒径检测发生偏差。本研究提出一种适用于单颗粒气溶胶质谱仪的自动粒径校正方法,预先记录几组一定透镜前端压力范围内的粒径校准参数,然后根据进样压力的变化,使软件自动通过插值算法拟合相应的粒径校正方程对颗粒物粒径测量值进行校正,从而保证在指定的压力波动范围内粒径测量结果的准确性。实验结果表明,当透镜前端压力在164.92~352.45Pa范围变化时,该方法对于152~3 100nm颗粒物的测径偏差大部分都在10nm以内。模拟结果表明,该方法能够保证仪器在海拔8km范围内粒径测量的准确性,可以应用到所有采用空气动力学进样及激光颗粒物粒径测量的仪器中,能够极大地增加仪器对外界环境的适应性并提高数据结果的可靠性。

单颗粒气溶胶质谱仪在苏州市污染过程分析中的应用

利用单颗粒气溶胶质谱仪,分析了苏州市环境空气中的整体细颗粒物的化学组分。通过对2015年夏季苏州市出现的两次污染过程的在线颗粒物化学组分和来源分析,初步探讨了两次污染过程主要来源和成因。研究表明:第一次污染过程是由于扬尘、机动车尾气和燃煤源联合作用导致的,而燃煤源是第二次污染过程中污染物的主要来源。

基于单颗粒气溶胶质谱仪的香河采暖季前后含铅颗粒物的组成特征研究

为了研究粒径在0.2—2.0μm的含铅颗粒物的化学组分和粒径分布特征,运用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)于2017年10月至2018年1月在河北省香河县开展观测活动。通过自适应神经网络算法(ART-2a)对含铅颗粒物进行命名、合并后,主要分为六类:富钾(Pb-K)、元素碳(Pb-EC)、有机碳元素碳(Pb-OCEC)、有机碳(Pb-OC)、金属(Pb-M)和粉尘(Pb-D)颗粒物。采暖前后含铅颗粒均是Pb-K贡献最大(约46%)。由于受到采暖季煤炭燃烧排放增加的影响,Pb-EC颗粒物占比有所增加。该地区含铅颗粒物与硝酸盐的混合程度最高,Pb-OCEC与硫酸盐的混合程度最高。六种不同类型含铅颗粒物的混合态表明:含铅颗粒物主要与硝酸盐混合(>50%),与硫酸盐混合程度最高的是Pb-OCEC,其他均<40%。本文为研究含铅颗粒物在大气中的存在形式和生态健康效应提供了理论依据。

使用单颗粒质谱仪(SPAMS)对PM2.5中的含碳颗粒污染特征及混合程度的研究

本文通过采用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪对西安市大气含碳颗粒物进行在线分析,实现了含碳颗粒物的空气动力学直径和化学组成的同时检测.

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。

天津市城市扬尘及土壤尘单颗粒质谱特征

为探究城市扬尘及不同类型的土壤尘单颗粒质谱特征,使用SPAMS(单颗粒气溶胶质谱仪)对天津城市扬尘及不同类型土壤尘(菜地、果园、林地、农田)进行分析.结果表明:天津城市扬尘粒径在0.5~1.0μm之间的占比较高;4种土壤尘在不同粒径段的分布略有差异,整体而言小粒径段(0.2~1.0μm)占比低于大粒径段(1.0~2.0μm),说明土壤尘更易分布在大粒径段.在小粒径段,天津城市扬尘颗粒含有更多的碳组分及硫酸盐,大粒径段含有较多的金属、氯、硝酸盐、磷酸盐及硅酸盐组分.与城市扬尘相比,土壤尘中^(23)Na^+、^(46)NO_2^-峰强显著降低,^(39)K^+、^(35)Cl^-、^(42)CNO^-峰强增高,通过其峰强比值分布可将城市扬尘与土壤尘明显区分.与城市扬尘相比,土壤尘中含碳颗粒显著减少,同时出现钾类颗粒.城市扬尘作为一种混合源,含碳颗粒可能受多种排放源(机动车、燃煤等)影响,而土壤尘中钾类颗粒可能与农作物施肥有关.两种源类含^(27)Al^+、^(26)CN^-、^(35)Cl^-、^(42)CNO^-、^(46)NO_2^-、^(76)Si O_3^-、^(79)PO_3^-的颗粒占比均高于50%,其中^(40)Ca^+、^(46)NO_2^-和^(62)NO_3^-颗粒在天津城市扬尘中占比更高,^(76)Si O_3^-颗粒在土壤尘中占比更高,表明天津城市扬尘中更多的颗粒含有钙和硝酸盐组分,土壤尘中含硅酸盐颗粒较多.与机动车尾气、生物质燃烧等排放的颗粒物相比,天津城市扬尘及土壤尘中含^(97)HSO_4^-颗粒占比较低,表明天津城市扬尘及土壤尘颗粒中含有更少的硫酸盐,可作为将天津城市扬尘、土壤尘与其他源类区分的指标.

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.

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。

鹤山大气超级站旱季单颗粒气溶胶化学特征研究

利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱等仪器在鹤山大气超级站开展综合观测,结合ART-2a自适应共振神经网络聚类算法,将2013年11月4日~2013年12月30日期间监测到的1637330个细颗粒分成9类：EC-Fresh颗粒、EC-Nitrate/Sulfate颗粒、K-EC颗粒、Ca-EC颗粒、ECOC颗粒、OC-Levoglucosan颗粒、OC-Nitrate/Sulfate颗粒、K-Nitrate/Sulfate颗粒和Metal-rich颗粒.结果表明：该大气超级站所在地区旱季霾日有利于与水溶性二次无机组分混合的EC-Nitrate/Sulfate颗粒、K-Nitrate/Sulfate颗粒的累积;晴朗天更有利于二次有机组分在气溶胶颗粒中生成,雨天受当地排放源的影响显著,含有较高EC-Fresh和K-EC颗粒.相关性的研究发现,EC-Nitrate/Sulfate颗粒与能见度有良好的相关性,它们对霾的形成有至关重要的作用.

张家口市一次沙尘天气气溶胶单颗粒理化特征和来源研究

为了从单颗粒角度了解沙尘天气颗粒物特征和来源,利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)对张家口市2016年春季一次沙尘天气期间的气溶胶颗粒进行了化学组分、粒径分布和来源的分析。根据颗粒的质谱图特征,将其分为沙尘(Dust)和非沙尘(Non-dust)颗粒两大类,两者占比分别为12.9%和87.1%。Dust颗粒粒径主要分布在0.5~1.1μm,包含沙尘-铝(Dust-Al)、沙尘-硅(Dust-Si)、沙尘-金属(Dust-metal)、沙尘-钙(Dust-Ca)颗粒4个主要子类别,比例均超过20%,表现出明显的矿尘颗粒特征。非沙尘类颗粒分布在0.4~0.8μm粒径段,包含4个子类别:含碳(Carbonaceous)、富钾(K-rich)、工业金属(Industrial Metal)和其他颗粒(Other)。结合后向轨迹分析,沙尘颗粒可能主要来自新疆、蒙古、内蒙古等地区的沙尘源,少部分来自当地、山西等地的矿尘源、工业源;非沙尘颗粒可能主要来自当地及周边地区工业排放和燃煤;Dust颗粒的NO_3^-/HSO_4^-(颗粒数)比值为1.31,颗粒老化程度较高。含Cl的Dust颗粒物占比为32%,说明颗粒中混有人为组分。研究结果表明SPAMS可用于沙尘天气颗粒物理化特征和来源的在线分析,可为沙尘防治提供参考信息。

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。

基于单颗粒气溶胶质谱技术的源解析新算法

针对现有单颗粒气溶胶质谱技术的颗粒物快速来源解析方法不能提供基于质量浓度单位源解析结果的问题,提出一种新型单颗粒快速源解析算法ArtPMF.选择淮河平原某能源工业城市2021年2~3月的单颗粒质谱监测数据对ArtPMF算法进行应用.结果表明监测期间二次源、工业源、机动车尾气源、燃煤源、扬尘源、生物质燃烧源和烟花燃放源对PM_(2.5)的贡献占比分别为23%、22%、20%、12%、10%、6%和6%.结合监测点位周边工业企业实际分布方位、气态污染物和气象监测数据等对模型结果评估表明,该模型解析的燃煤源、燃烧源、工业源、机动车尾气源贡献高值的方位分布均符合现场工业企业和功能区划的实际情况,说明该模型结果可信且能够为污染防治提供准确信息支撑.

新津大气单颗粒质谱特征及其来源分析

利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)于2018年5月4日—10日,对新津县大气中的细颗粒物展开连续监测。依据质谱特征,将所采集到的颗粒物分为有机碳(OC)、元素碳(EC)、元素-有机混合碳(ECOC)、富钠(Na-rich)、富钾(K-rich)、矿物质(KWZ)、左旋葡萄糖(LEV)、重金属(Metal)及其他(Other)类。结果表明:监测期内颗粒物含量最高的为元素碳(EC),占比30.49%;其次为富钾(K-rich),占比为28.75%。来源解析表明,新津大气污染源主要受二次无机源、扬尘源影响,二者占比分别为29.45%、23.15%。