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。

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。

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。

基于单颗粒气溶胶质谱法的雾霾过程中细颗粒物组分分析及来源研究

为了解雾霾过程中细颗粒物的组分与来源,采用单颗粒气溶胶质谱(SPAMS)法,于2015年12月在西安城市运动公园对雾霾过程进行连续观测。根据细颗粒物的质谱特征,将其化学组分分为10类,为有机碳(OC)、元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、左旋葡聚糖(LEV)、矿尘(MD)、重金属(HM)、富钾颗粒物(RK)、富钾钠颗粒物(RNa K)、富铵颗粒物(RNH+4)以及其他颗粒物。将本次雾霾过程分为5个阶段,各个阶段占比最大的化学组分均为OC、EC、ECOC;在雾霾生长阶段,RK、RNa K及RNH+4增长明显。将细颗粒物来源分为8类:机动车(36.3%)、燃煤(22.5%)、扬尘(7.1%)、生物质燃烧(5.1%)、工业(7.3%)、餐饮(0.5%)、二次合成(7.9%)和其他来源(13.3%)。结果表明,机动车和燃煤是本次雾霾的主要来源,二次合成对雾霾生长和消退有重要作用。

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。

基于单颗粒气溶胶质谱技术的典型污染过程研究:以浙江省淳安县为例

基于单颗粒气溶胶质谱技术,开展浙江省淳安县冬季典型时段大气颗粒物观测研究。基于人工神经网络算法,将本次采集到的颗粒物组分分为元素碳-有机碳(14.9%)、铵盐(13.7%)、硫酸盐-硝酸盐(13.6%)、地壳元素(13.1%)、老化元素碳(12.3%)、有机碳(11.6%)和元素碳(8.0%)等共计10种类别。观测期间,捕捉到3次典型的污染过程,分别为污染积累-爆发增长阶段(Case 1)和两次轻度污染过程(Case 2、Case 3)。不同污染过程显示出不同组分粒径增长率的差异性,其中小粒径段(小于0.7μm)组分构成差别不大,具有较好的一致性,而大粒径段(大于0.7μm)颗粒物类别构成在不同污染过程中差异较大。长距离输送时颗粒物老化严重,硝酸盐等二次组分增多,局地源排放为主时,一次颗粒物元素碳增加,同时铵盐也有增加。研究表明,不利气象条件及区域性外围传输是导致本次高污染的主要原因。高污染期间,颗粒物主要来自北方和西南方向,各占40.2%,其次为长江三角洲本地源贡献,占19.2%。污染爆发增长阶段(Case 1-2),元素碳、元素碳-有机碳和老化元素碳组分明显增多,分别为污染积累阶段(Case 1-1)的2.4倍、3.2倍和3.2倍,表明移动源排放及其老化的二次产物对淳安地区高浓度细颗粒物具有重要贡献。淳安地区富氨现象明显,与本地排放及区域输送密切相关。

基于单颗粒气溶胶质谱技术研究重污染过程PM_(2.5)化学组成及来源

为了分析重污染天气PM_(2.5)化学组成及来源,利用单颗粒气溶胶质谱技术,在凤台县主城区开展了连续21d在线监测。结果表明:监测期间环境空气中PM_(2.5)主要成分为元素碳颗粒(29.2%),其次是富钾颗粒(26.2%),第三为有机碳颗粒(20.8%);监测期间共发生了三次PM_(2.5)为首要污染物的重污染天气,机动车尾气和燃煤为主要污染源。

基于单颗粒气溶胶质谱技术的南宁市细颗粒物污染初探

利用单颗粒气溶胶飞行质谱(SPAMS)于2014年1月7~13日在南宁市城区中心测量了冬季期间细颗粒物PM_(2.5)的粒径谱及其化学组成。对PM_(2.5)的分类结果发现:冬季期间大气中主要存在有机碳、元素碳、有机碳元素碳、芳香烃、矿物质、富钾颗粒、钠钾颗粒、高分子有机物、重金属和有机胺10种粒子,其粒子数分别占总数的14.39%、29.09%、12.19%、9.8%、4.93%、23.81%、2.8%、2.05%、9.8%、0.29%、0.65%,二次污染显著。观测得到的10类颗粒物中都包含SO_3^-、HSO_4^-、NO_2^-、NO_3^-等二次组分,说明南宁市的细颗粒物都经历了不同的二次过程或与二次组分进行了不同程度的混合。

车载生物气溶胶质谱仪用小型化双极质量分析器的设计

生物气溶胶是大气中一类特殊的气溶胶,实时检测与识别生物气溶胶是实现生物预警预报的前提。小型车载生物气溶胶质谱仪对双极飞行时间(TOF)质量分析器的设计提出了要求。本研究基于指数脉冲延时引出技术开展小型TOF设计,结合SIMION 2020软件,模拟了速度分散为峰值800 m/s的高斯分布,空间分散0.3 mm情况下的粒子飞行轨迹。采用粒子群优化算法(PSO)自动优化TOF多组电极电压以及延迟时间。在130 ns延迟时间下,即使是极限的空间分散和能量分散也能实现全质量范围内的分辨率超过500,不同颗粒之间的质量偏差可控制在0.4 u以内。对比模拟分析了方波脉冲延时引出和指数脉冲延时引出对单个颗粒形成离子的分辨率影响,结果表明,指数脉冲延时引出在全质量范围内的分辨率显著优于方波脉冲。实验模拟了在颗粒处于光斑中心以及光斑偏左和偏右0.15 mm的极限情况下,颗粒电离位置对质谱分辨率的影响,结果表明,分辨率存在差异,但仍优于500。通过实际检测黑炭颗粒,小型TOF在全质量范围内可获得500以上的分辨率,能够满足车载生物气溶胶质谱仪的分辨率要求。虽然小型TOF的飞行长度为SPAMS 0525的67%,但分辨率可达SPAMS 0525的1.2~1.7倍,小型化生物气溶胶质谱的TOF体积仍有进一步减小的空间。

宜兴东南部区域春季大气细颗粒物在线源解析

为探讨宜兴东南部区域春季大气细颗粒物化学特征及来源,利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS 0515)对其开展为期19天的在线监测。结果显示:主要污染源为扬尘源(39.4%)、二次无机源(25.7%),相较优良时段,污染时段下的二次无机源、扬尘源占比分别上升7.4个百分点和5.0个百分点。监测期间,3次PM_(2.5)浓度升高主要受到扬尘源的排放影响,1次PM_(2.5)浓度升高主要受到二次无机源的影响;早晚交通高峰期的机动车尾气源对PM_(2.5)浓度升高也有一定贡献。

大气细颗粒物扬尘源单颗粒质谱特征

对广州市土壤尘、道路扬尘、施工扬尘、堆煤扬尘等开放源颗粒物样品进行采集,并利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)对颗粒物的粒径和化学成分进行分析.施工尘和其他几类尘分别呈双峰分布和单峰分布,各类尘样的化学组成差异较为明显,其中土壤扬尘以富铝颗粒为主,占总电离颗粒的37.97%,道路扬尘以富钙颗粒为主,占总电离颗粒的24.92%,施工扬尘以富硅颗粒为主,占总电离颗粒的33.33%,堆煤扬尘以富钙颗粒物为主,占总电离颗粒的64.92%.在道路扬尘中土壤扬尘与机动车污染的特征显著,这些特征为扬尘颗粒物源解析提供了可能.此外,道路扬尘的二次组分所占比例最高.

成都市夏冬季大气胺颗粒物的单颗粒质谱研究

基于单颗粒气溶胶质谱(SPAMS)对成都市夏冬两季大气胺颗粒进行了综合观测,结合ART-2a算法及人工合并,2个季节大气中的胺颗粒都可分为7类,各类颗粒贡献的季节差异明显,燃烧源颗粒(如EC)在夏季贡献较大,而老化的有机碳颗粒(OCa)贡献在冬季显著升高.两季节平均质谱差减进一步证明夏、冬季分别以燃烧源和老化的胺颗粒为主.因高温分解,夏季胺颗粒占比在正午出现明显的低值,而下午的燃烧活动(如生物质燃烧)对该占比提升作用明显;冬季胺颗粒占比在白天显著高于夜间.随污染加重,胺颗粒数在夏冬两季均快速增加,其中夏季EC颗粒升高最为明显,污染最重时贡献可达47%;冬季升高最明显的是老化程度更高的OCa颗粒,当PM2.5浓度达到200μg/m^3以上时,其贡献比例可达37%.因此,由于污染源和气候条件的差异,成都市大气胺颗粒形成机制和理化特征季节差异巨大.

气溶胶单颗粒分析方法的应用和进展

大气颗粒物污染由于其对区域环境和人体健康的影响而日益成为全球关注的焦点。相对于全颗粒物分析方法,大气单颗粒分析方法可以获得特征单颗粒的形貌、元素组成及粒子数量粒径谱等大量信息,具有采样量少、样品处理过程简单和分析速度快的特点,这使得单颗粒分析已成为表征大气颗粒物理化特征的重要手段。该方法已在源解析、颗粒物基本理化特性、颗粒物的混合状态和老化过程等方面得到应用。本文就单颗粒分析主要方法及其在颗粒物源解析等大气环境化学研究中的应用进行介绍,并对比分析不同单颗粒分析仪器的特点。

基于单颗粒质谱的太原市大气机动车尾气污染特征

利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)对太原市2018年12月大气细颗粒物(PM 2.5)化学成分进行分析,解析了机动车限行时段与非限行时段对PM 2.5来源影响,以期为进一步开展太原市大气PM 2.5治理工作提供科学支持,并为有关部门制定PM 2.5污染排放控制对策提供依据。

利用单颗粒气溶胶质谱仪研究燃煤尘质谱特征

采用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)和再悬浮采样器联用的方式对燃煤电厂烟道气样品和下载灰样品的质谱特征进行测定,并使用颗粒物粒径分级采样仪ELPI测定其粒径分布特征.研究表明,SPAMS监测得到的粒径分布与ELPI结果差异较大,SPAMS对于500 nm以上粒径段检测效果较好;两个样品正谱图中有非常明显的锂、钙、钛、铝等金属组分信号和碳组分信号特征,负谱图中硅酸盐、硝酸盐和硫酸盐等信号比较明显,并且随着粒径的增加碳组分、硫酸盐和硝酸盐等组分对应的信号强度逐渐减弱,而硅酸盐、铝、钙和钛等组分对应的信号强度逐渐增强;对两个样品使用ART-2a聚类获得多个颗粒物类别,分析表明,它们均含有元素碳二次类(硫酸盐和硝酸盐缩写为二次Sec)、有机碳二次类、铝元素碳类、铝钙硅酸盐类和富硅酸盐类等颗粒物类别,并且随着粒径的增加金属硅酸盐颗粒出现频率增大,而含碳颗粒与硫酸盐出现频率降低.但烟道气样品和下载灰样品的质谱特征呈显著差异,下载灰样品更能代表燃煤源真实排放特征.建议在今后建立基于单颗粒质谱固定源成分谱时,应使用单颗粒气溶胶质谱仪在外场进行实测,并使用聚类的方法提取不同粒径段上的源质谱特征,可能会取得更好的效果.

利用SPAMS研究西安市重污染天气细颗粒物污染特征及来源

为了对西安市冬季重污染过程中的细颗粒物进行动态源解析,于2016年12月5—22日,利用SPAMS (单颗粒气溶胶质谱仪)在西安市城市运动公园开展连续观测.将观测期分为4个阶段,结合气象条件对不同阶段细颗粒物的污染特征进行分析比较.依据质谱特征,将所采集到的颗粒分为EC (元素碳)、OC (有机碳)、ECOC (混合碳)、HM (重金属)、LEV (左旋葡聚糖)、Si O3(矿尘)、K (钾)、Na (钠)、HOC (有机大分子)及Other (其他)类.结果表明:观测期间所采集到的OC类颗粒物数量最多,在重污染阶段OC、K和EC类颗粒物占颗粒总数的70%以上,是重污染天气的主要组成颗粒.在雾霾消散期,OC、LEV和Si O3类颗粒是主要类型颗粒物.根据颗粒物的化学类型及离子特征,利用PMF (正交矩阵因子分解)模型法得到6种污染源贡献率分别为27. 7%(燃煤源)、22. 3%(二次污染源)、20. 4%(交通源)、10. 4%(生物质燃烧源)、9. 7%(工艺过程源)、6. 5%(扬尘源)及3. 0%(其他未知源).研究显示:在重污染阶段,燃煤源与交通源占比大幅上升,与二次污染源共同造成了此次重污染天气;在雾霾消散期,扬尘源及生物质燃烧源成为大气细颗粒物的主要污染源.

夏季桂林市大气PM_(2.5)化学组成和成分分布的质谱研究

选取桂林市5个代表性监测点,采用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪在线分析该市夏季大气PM_(2.5)的化学组成及化学成分分布。结果表明:5个监测点,>80%的PM_(2.5)分布在0.2μm^1.0μm的小粒径范围,<20%的PM_(2.5)分布在1.0μm^2.5μm大粒径范围;大气PM_(2.5)中离子成分包含Na^+、K^+、NH^+4、C2H3^+/Al^+、Fe^+、HSO^-_4、NO^-_3、NO^-_2、CNO^-、CN^-、SO^-_3、O^-和元素碳离子;PM_(2.5)中离子按成分特征可分为元素碳、有机碳、元素碳有机碳混合颗粒、富锰颗粒、富铁颗粒、富钾颗粒、矿物质、左旋葡聚糖以及其他金属等9类,各监测点元素碳占比均超过50%;元素碳与硫酸盐、铵盐、硝酸盐发生内混合的程度极高,其中各监测点元素碳与硫酸盐混合程度最高,均达到90%左右。

基于SPAMS研究汕头市潮阳区春冬季污染天气过程的细颗粒物组分变化特征

为了更好地了解空气污染过程中细颗粒物组分的变化特征,采用单颗粒气溶胶质谱(SPAMS)法,于2015年2月在汕头市潮阳区城南街道办事处六楼对空气污染过程进行连续观测。根据细颗粒物的质谱特征,将其化学组分分为9类,为元素碳(EC)、混合碳(ECOC)、富钾颗粒(K)、富钠钾颗粒(NAK)、重金属(HM)、矿物质(SIO3)、有机碳(OC)、高分子有机碳(HOC)以及左旋葡聚糖颗粒(LEV)。将本次污染过程分为6个时段进行分析,结果表明各个阶段中占比最大的化学组分均为OC、EC、ECOC,这三种化学组分的总占比达到58. 7%~73. 6%。在空气污染上升和持续阶段,OC和ECOC占比增长明显(尤其是OC),OC是这两个阶段中占比最大的化学组分,占比分别达到27. 8%和32. 5%,这两类细颗粒物是本次空气污染过程中的特征组分。本次污染过程中,机动车尾气源在空气优良时段贡献率最大,而在空气污染上升和持续阶段燃煤源贡献率最为显著,占比分别达到32. 9%和41. 5%,这是本次空气污染过程的一个突出特点,燃煤源是本次空气污染过程的主要来源。综合污染过程成分分析、来源分析及气象条件可得出,潮阳区本次持续污染过程主要是由于气象扩散条件不利,风速小,湿度大,燃煤源颗粒富集过多导致污染升级。建议在重污染天气时可优先考虑加强对燃煤源采取管控措施。

2015世界互联网大会期间嘉兴市大气细颗粒物污染特征及来源研究--以单颗粒气溶胶质谱技术为例

基于单颗粒气溶胶质谱技术,于2015年12月12—23日互联网大会期间开展了嘉兴市细颗粒物污染特征和来源研究.结果显示,观测期间共捕捉到5次不同的污染过程,分别为:管控期的区域输送(P1)-清洁天(P2)-本地排放(P3)过程,以及管控后的污染反弹(P4)-重污染程(P5)过程.污染期间(P1、P5),硝酸盐含量及比例均有显著增加,并且增加的主要是老化的硝酸盐颗粒,表明硝酸盐的二次转化对长三角地区高浓度细颗粒物形成具有重要影响.受管控措施和南下的强冷空气影响,会议期间,除有机碳和生物质燃烧组分外,PM_(2.5)质量浓度及其它各组分浓度均有不同程度的下降.管控措施解除后(P5),受区域输送和本地污染物积累共同作用,颗粒物浓度开始反弹并持续升高,硝酸盐和EC组分均有明显增加,并且呈现出早、晚高峰值.源解析结果显示,P5期间颗粒物浓度反弹与机动车尾气排放密切相关.研究表明,实施管控措施对降低机动车尾气排放和PM_(2.5)质量浓度、改善环境空气质量等效果显著.

沈阳市冬季一次典型大气污染过程特征和成因分析

2013年11月18日~25日沈阳地区出现一次典型空气污染过程。采用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS),并结合气象条件分析了该次污染的成因和细颗粒物的污染特征。结果表明,不利于污染物扩散的气象条件是重污染发生的主要原因,低空排放的积累可能是造成这次污染的又一重要原因。从细颗粒物成分上看,污染过程中有机碳颗粒占比明显增加,有机物污染较为严重,颗粒物间混合加剧;从来源上看,机动车尾气、工业排放和燃煤的占比较高。