[发明专利]二氯甲烷诱导低压质子化光电离气溶胶质谱仪

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种二氯甲烷诱导低压质子化光电离气溶胶质谱仪，是一种对大气气溶胶颗粒中的含氧有机组分及其浓度可以连续在线监测的仪器。

背景技术

近年来，随机经济的快速发展，我国大中城市区域频发的持续性重度灰霾天气给民众的工作、出行和身体健康带来了极大的安全隐患。有研究表明源于自然源和人为源直接排放形成的初始有机气溶胶颗粒(POA)和经过一系列大气物化过程间接生成的二次有机气溶胶颗粒(SOA)是构成我们城市灰霾颗粒的重要组分，复杂POA和SOA组分分析以及对灰霾的贡献目前备受关注。因此，对灰霾颗粒的在线监测已经成为我国控制和治理城市大气环境污染的重要先决手段。传统气溶胶成分分析方法是利用气溶胶颗粒捕集器(如滤膜捕集和静电捕集)收集气溶胶颗粒，然后经过溶解、萃取、衍生化和浓缩等一系列预处理后，用离线分析仪器(如HPLC/MS或GC/MS)去分析气溶胶的化学组分，这一过程样品预处理过程复杂、离线检测和质谱解析耗时长(几个小时到数周)。因此，传统的离线分析设备无法实时的获得灰霾中有机组分在整个灰霾期间(形成、持续和消散)随时间变化的信息，更无法为彻底弄清城市灰霾的成因和溯源提供科学的理论依据。

大量实验室模拟和外场观测的研究结果表明：相对于离线质谱技术而言，在线气溶胶质谱技术可以对较短事件的发生过程和昼夜变化过程提供高时间分辨，更消除了长时间的过滤采样以及预处理过程而带来的杂质或误差。目前已商品化的由Aerodyne公司研发的高分辨飞行时间气溶胶质谱仪(HR-TOF-AMS)在线气溶胶质谱技术采用气溶胶颗粒聚焦—热解析—电离—飞行时间质谱检测模式，是将动力学直径在～50-1000nm的气溶胶颗粒被准直进入气动聚焦透镜聚焦系统，然后经过粒径切割器进行粒径选择，特定粒径的气溶胶颗粒打在加热的多孔钨表面(～600℃)被快速解析并被电子轰击电离(EI)，然后通过高分辨飞行时间质谱进行探测分析。尽管HR-TOF-AMS在监测气溶胶颗粒中有机物、铵盐、硫酸盐、硝酸盐和分析气溶胶不同元素比(如O:C,H:C和N:H)有很大的优势，然而因EI电离形成的大量离子碎片依旧给质谱分析工作带来了严重的干扰。因此，软电离方式(如真空紫外光电离技术、质子转移技术以及化学电离技术)在线气溶胶质谱上的应用当期备受青睐。Holzinger等人将热解析池与PTR-MS结合并发展了热解析质子转移反应质谱仪(TD-PTR-MS)，与气溶胶气动聚焦透镜聚焦进样不同，它是通过湿度辅助音速射流碰撞装置进行气溶胶颗粒进样，然后通过高温导流管进入质子化反应腔，与质子化的水分子及其团簇(如H₃O⁺和(H₂O)₂H⁺)进行质子转移反应形成质子化目标分子通过四级杆质谱或飞行时间(TOF)质谱进行检测。国内李海洋教授研发了一款热解析可调的真空紫外光电离飞行时间质谱仪(TD-VUV-TOF-PIMS)，它是运用空气动力学聚焦镜片进行气溶胶聚焦进样，随后在进入电离室进行气化和被VUV电离，最后通过TOF质谱进行检测。此外，Voisin等人发展了一种热解析化学电离质谱(TD-CIMS)并对超细气溶胶颗粒物进行组分分析，通过让最小直径在4nm的超精细颗粒首先被带电，并且用纳米气溶胶电迁移分级器(Nano-DMA)筛选尺寸大小，颗粒物被热解析到100℃后，然后通过与NH₄⁺、H₃O⁺或者O₂^-反应而发生化学电离并检测。随后为了进一步提高TD-CIMS的灵敏度，Held等和Heam等人分别将离子迁移腔(Ions Transfer Chamber)和离子肼(Ions Trap)嫁接到TD-CIMS上，从而发展了TD-ID-CIMS和TD-CI-IT-MS技术。然而，目前上述这几种软电离气溶胶质谱技术因灵敏度较低和残留严重等仅限于室内模拟实验使用，无法在外场进行连续监测。

发明内容

为了在外场条件下，实现对气溶胶颗粒进行连续稳定地在线监测，本发明柔和了多种气溶胶质谱研究中的先进技术，提供了一种新的二氯甲烷诱导低压质子化光电离气溶胶质谱仪。它采用了微孔进样和气动聚焦透镜颗粒聚焦技术、高温气化技术、低压真空紫外光软电离技术、二氯甲烷诱导高效质子化技术、多级离子迁移技术和V型反射式质谱检测技术。