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
基本信息
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- 页数: 10页
- 作者: 蔡靖¹, 郑玫¹*, 闫才青¹, 付怀于¹, 张延君¹, 李梅², 周振², 张远航¹
- ¹ 北京大学环境科学与工程学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室
- ² 暨南大学大气环境安全与污染控制研究所
- 期刊: 分析化学, 2015, 43(5): 765-774
- 处理日期: 2026-09-20
- 提取方式: pdftotext提取
- 状态: done
摘要
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发展。单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（ATOFMS和SPAMS）具有高时间分辨率，可同时测量大气中单个细颗粒物的粒径、多种化学组分和混合状态，在大气细颗粒物监测和科学研究中广泛应用。
1. 引言
背景
- 我国区域大气污染问题日趋严重
- 霾等大气污染事件引发广泛关注
- 在线气溶胶质谱仪具有高时间分辨率和灵敏度优势
技术分类
- 整体测量（Bulk measurement）：AMS、TDCIMS等
- 单颗粒测量（Single particle measurement）：ATOFMS、SPAMS等
2. 发展历程
- 1970年代：Friedlander 提出理想气溶胶监测仪器概念
- 1996年：Prather 等发明 ATOFMS
- 2010年：我国研制成功 SPAMS，实现关键部件国产化
3. 仪器原理
3.1 工作原理
- 大气气溶胶引入质谱离子源
- 汇聚为单个颗粒束
- 逐一测径后通过激光电离
- 碎片在真空腔中飞行
- 微通道板检测器得到质谱信号
3.2 主要组成部分
- 真空进样系统
- 激光测径系统
- 离子化系统
- 质谱检测系统
3.3 仪器校准
- 粒径校准：使用标准粒径聚苯乙烯小球（PSLs）
- 质谱校准：
- 标准物质校准（金属、水溶性无机离子等）
- 环境空气校准（Na⁺、K⁺、Pb⁺等特征碎片）
4. 数据处理方法
4.1 颗粒物理化信息直接提取
- 粒径谱分布：SPAMS范围0.2-2.5μm，ATOFMS范围0.1-3.0μm
- 时间分辨率：常选择0.5-1.0小时
- 组分筛选：需考虑电离效率差异和基质效应
4.2 颗粒物聚类分析
- 特征离子法：操作简便，但可能遗漏信息
- 算法聚类：
- ART-2a：需选择合适的警戒因子和学习效率
- K-means：需人为指定类别总数
- Fuzzy clustering、K-medians等
4.3 数据处理软件
| 软件 | 平台 | 算法 |
|---|---|---|
| YAADA | Matlab | ART-2a |
| Enchilada | 独立 | K-means |
| COCO | Matlab | ART-2a |
5. 应用领域
5.1 气溶胶基本理化特性表征
- 半定量表征：监测金属（Al、Ba、Cr、Cu、Fe、Mn、Pb等）
- 定量表征：硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机碳、元素碳等
5.2 源成分谱与来源解析
主要源类及特征离子：
| 源类 | 特征离子 |
|---|---|
| 机动车 | [Ca]⁺, [PO₂]⁻, [PO₃]⁻, PAHs |
| 土壤 | [Al]⁺, [Ca]⁺, [Fe]⁺, [K]⁺, [Li]⁺ |
| 海盐 | [Na₂]⁺, [Na₂Cl]⁺, [K]⁺, [Cl]⁻ |
| 生物质燃烧 | [Cn]⁺/⁻, [K]⁺, [CHO₂]⁻, 左旋葡聚糖 |
| 燃煤 | [K]⁺, [Na]⁺, [NH₃]⁺/⁺, [NO₂]⁻/⁻, [SO₃]⁻/⁻ |
5.3 混合状态和老化过程研究
- 碳质气溶胶易与铵盐、硝酸盐、硫酸盐内混
- 生物质燃烧颗粒物超90%与二次无机盐内混
- 矿尘气溶胶与硝酸盐、硫酸盐混合改变吸水性和辐射强迫
5.4 吸湿性和酸度研究
- 海盐颗粒物吸湿性最强
- 燃烧来源颗粒物吸水性最弱
- 可通过离子比例判断酸度
5.5 云凝结核（CCN）及冰核（IN）研究
- 气溶胶老化对CCN活性起重要作用
- 矿质冰核占50%，生物质占33%
- BC在IN形成中起重要作用
6. 总结与展望
技术优势
- 高时间分辨率（<30分钟）
- 测量组分全面
- 可获得金属等难熔组分信息
发展方向
- 统一定性条件标准
- 建立我国源成分谱库
- 发展简化来源解析方法
- 与离线源解析方法对比结合
- 与烟雾箱、热溶蚀器、HTDMA等仪器联用
与知识库关联
- 不同离子源的适用范围以及API串联四级杆质谱特性 - API离子源技术
- 4352109-HV-Optcis-Module-Backplane-原理图 - 质谱仪硬件设计参考