在線氣單顆粒溶膠質譜儀SPAMS在環境領域的應用

發表時間:2012-06-13閱讀次數:

目錄

 

 

1. 前言..………………………………………………………3

2. SPAMS的原理與特點…………………….…………………4

3. SPAMS的主要性能指標………………….…………………4

4. SPAMS的功能及應用領域……………….…………………5

4.1 功能分析………………………………......………… 5

4.2應用領域………………………………......……………6

5. SPAMS在環境領域中的應用實例……….…………………6

5.1 應用背景……………………………......…………… 6

5.2 主要結果……………………………......…………… 7

5.3 結論……………………………......………………… 13

 

1.前言

    在線氣溶膠質譜儀(SingleParticleAerosolMassSpectrometer,型號SPAMS0515)是在國家863項目支持下,由廣州ag8亚游集团分析儀器有限公司以及昆山ag8亚游集团質譜技術有限公司聯合國內多個研究單位共同研發的,具有自主知識產權的高端質譜在線分析設備。

    融合了國內外最先進的單顆粒氣溶膠在線檢測技術以及垂直引入反射式飛行時間質譜技術,無論儀器的技術指標、整機性能、外觀設計、應用方法、售後以及客戶軟件定製服務、儀器功能定製服務等方麵都具備進口儀器所無法比擬的優越特點。特別是在性能指標相同的前提下,能保證持續運行、現場維護、做外場實驗並可以根據具體需要定製軟件和新功能。

    權威學術及應用單位多次開展了該儀器與進口同類商品儀器的比對實驗,其在實驗室、合作單位、世博期間大氣監測、863珠三角大氣超級監測站亞運聯合實驗等一係列應用中表現出色,性能穩定可靠,數據完整,在環境監測、氣候變化、國防軍備、工業生產、醫藥等領域的基礎研究和應用研究中發揮不可替代的作用。

2.SPAMS的原理與特點

    利用空氣動力學透鏡作為顆粒物接口;利用雙光束測徑原理進行單顆粒氣溶膠計數;利用飛行時間質譜原理進行化學成分的分子量鑒定;利用Art-2a方法進行顆粒物分類;實現了單顆粒氣溶膠化學成分和粒徑的同步檢測,具有如下特點:

1)基於單顆粒分析技術;

2)顆粒物大小檢測;

3)顆粒物化學成分的多組分同時分析;

4)實時在線檢測技術,對顆粒物直接分析;減少樣品采樣、存貯、運輸過程中的揮發和轉化;

5)無揮發性組分的采樣損失;

6)強大的數據采集能力,每小時1GB的有效信息;

7)優越的抗振設計及穩定的機電係統,滿足外場試驗要求;

8)85%以上配件國產,國內用戶72小時內現場維護。

 

3.SPAMS的主要性能指標

1)粒徑檢測範圍:200nm-3000nm;

2)顆粒粒徑檢測速度最高:20個/s;

3)顆粒化學成分全成分檢測速度:5譜/秒;

4)總打擊率:優於50%;

5)質譜分辨率:優於500FWHM;

6)化學成分質量範圍:1-800amu;

7)采用266nm激光電離;

8)氣體進樣標準流量:75mL/min;

9)體積:1200*780*1490mm3;

10)重量:300Kg。

備注:

①粒徑範圍可以根據具體需要進行調整,實現100nm至5000nm顆粒物的檢測;

②質譜檢測範圍與電離方式有關,如果做生物氣溶膠可以達到2000分子量;

③打擊率最高可達50%;

④每秒可以得到5個顆粒物質譜圖;每分鍾可以得到較好的平均質譜圖;每半小時可以得到變化趨勢圖。

 

4.SPAMS的功能及應用領域

4.1功能

1)顆粒分類:可以分別根據顆粒物質譜特征進行化學組成表征、顆粒物的空氣動力學直徑對顆粒物進行分類;也可以同時對顆粒的大小與顆粒化學成分組合進行分類;建立主要化學成分和顆粒粒徑之間的對應關係。

2)數濃度變化:分析顆粒物數濃度隨時間的變化;可以分別分析在檢測範圍內,不同顆粒直徑範圍的數濃度隨時間變化。

3)化學成分分析及隨時間變化:分析某種化學成分隨時間的變化,根據其變化趨勢可以準確反映出某一時間內發生的特殊變化;特別重要的是可實現顆粒物中重金屬的實時在線分析,是目前不可替代的方法。

4)源解析:根據顆粒物的分類及時間變化,判斷其可能的來源。

5)顆粒物的演變過程及機理研究:根據不同顆粒物隨時間的演變趨勢,以推斷可能的形成機理。

6)揭示氣溶膠的瞬時變化。

4.2應用領域

1)環境監測:汙染物的在線監測、汙染源解析、氣溶膠在大氣中的混合和轉化、特殊汙染天氣監測及機理研究(灰霾形成機製、沙塵暴長程遷移等)、重金屬的在線監測;

2)氣候變化:氣溶膠濃度、粒徑、光學特性對區域氣候的影響;

3)國防軍備:化學戰劑在線監測,核工業過程中放射性元素檢測;

4)工業生產:民用核設施安全監控、發動機排放測量、煙草行業中顆粒物分析;

5)醫藥:氣溶膠藥物-釋放研究、吸入毒理學研究。

 

5.SPAMS在環境領域中的應用實例

5.1應用背景

時間:2010/11/16-2010/12/1,連續16天;

地點:廣東省江門市鶴山市桃源鎮花果山大氣環境超級監測站;

目的:亞運期間的空氣質量監測、與其它在線儀器進行比對;

合作:與安光所、北京大學、中科院大氣物理所、廣東省環境監測站等單位共同實驗;

進樣方式:從屋頂直接進樣,約3米不鏽鋼管;

數據量:具有粒徑信息的顆粒物6,595,759顆(0.2-1.5μm),同時具

有粒徑信息和質譜信息的1,776,074顆。

 

5.2主要結果

1)顆粒物數濃度隨時間變化

2)主要汙染物的質譜特征

一般根據質譜圖的特征,可以簡單地把顆粒物分為主要的幾大類別,例如本次試驗中主要分為八大類:

含碳顆粒物(Carbon),包括元素碳,顆粒物的特征為:正譜圖中典型離子為39K+,負譜圖中主要為含間隔12的元素碳鏈峰Cn-;有機碳:正離子譜圖中C1+,27C2H3+,36C3+,37C3H+,43CH3CO+/CHNO+,負譜圖中還有硝酸(62NO3-和46NO2-)和硫酸(97HSO4-,96SO42-,80SO32-);

生物質燃燒顆粒物(Biomassburning)的典型質譜峰為:39K+,

113,115KCl+,26CN-以及正譜圖中一些含碳化合物;

重金屬顆粒物(Metal):以重金屬離子峰Fe+,Cu+,Ba+,Pb+等為主;

礦塵顆粒物(Dust):以Ca+或Al+,Mg+,Fe+等為主;

海鹽顆粒物(Seasalt):含有Na+,Cl-,Na2Cl+離子;

富鉀顆粒物(Krich):正離子隻有很強的K+信號;

含鈉鉀顆粒物(NaK):正離子中含有很強的Na+,K+信號。

3)主要汙染物的來源解析

根據SPAMS質譜信息進行顆粒物的分類,可判斷其在各種氣溶膠數目之間所占的比例。如圖5所示,在此次亞運聯合監測項目中檢測到的顆粒物中含量占前兩位的依次是:含碳顆粒物(Carbon)生物質燃燒顆粒物(Biomassburning),兩者的總貢獻率超過87%,說明監測期間,鶴山市受碳質顆粒物及附近農村秸稈燃燒的季節性汙染的影響較大。

4)顆粒物的粒徑分布

根據SPAMS的數據,不僅可以知道各類氣溶膠數目的比例,而且可以給出各類氣溶膠在不同直徑範圍裏分別的比例。

(1)含海鹽顆粒物、含礦塵顆粒物及含重金屬顆粒物主要集中在粒徑>0.6μm範圍內;

(2)含碳顆粒物多數集中在<1.0μm範圍內,生物質燃燒顆粒物範圍較寬,且在大顆粒物上所占的比例最大,因此可以預見質量濃度也很高。

5)各類氣溶膠分布隨時間的變化

八類主要汙染物含量隨時間變化趨勢,監測期間,生物質燃燒顆粒物的峰值每天基本出現在晚上6、7點左右,這可能與當地此段時間的秸稈燃燒有關。含重金屬顆粒物21日突然出現增高趨勢,這可能與突發性的工業排放有關?含礦塵顆粒物21日之後的含量增高,這可能是溫濕度和風速的變化造成的影響。含海鹽顆粒物在11月23、25及12月1日的突然增高,則可能跟當時的氣團條件有關。其它各類顆粒物的變化不大,說明源排放較為穩定。

6)重金屬分析

SPAMS對於重金屬的檢測具有獨特的優勢,SPAMS在監測期間檢測到的含Pb,Zn,Cu,Ba顆粒物的數濃度變化趨勢(11/21-12/1)。從中可以看出:

(1)可以看出重金屬的數濃度不高;

(2)含Pb,Zn顆粒物的數濃度隨時間變化趨勢基本一致,表明二者

可能同屬一個汙染源;

(3)含Cu顆粒物晚上多於白天,這是否與工廠夜間排放有關;

(4)含Ba顆粒物除11/21中午和夜間出現高峰值外,其它時間濃度變

化不大且含量較低,說明本地的含Ba顆粒物主要來源於地麵。

 

7)SPAMS的定量分析能力

SPAMS除可實時提供顆粒物的粒徑信息以及化學成分變化外,還可提供顆粒物的定量化信息;本次試驗將SPAMS的資料與監測站點中北京大學商品儀器(AMS,Aerodyne,美國)以及北京大學自主研發的GAC的數據進行趨勢對比。Cl-,NO3-,Na+,NH4+與GAC或AMS的對比(AMS和GAC的數據選擇遵循的原則是他們監測相對連續的時間)。

(1)可以看出,Cl-的濃度變化趨勢SPAMS與GAC幾乎完全一致。

(2)NO3-的濃度變化趨勢SPAMS與GAC一致性也非常明顯

(11/16-11/26日時段一致性尤為明顯)。

(3)陽離子其中Na+與GAC進行了對比,NH4+與AMS的資料進行了對比,由圖9可以看出兩種不同儀器測定的Na+,NH4+濃度變化一致性很好。

 

5.3結論

SPAMS除了能完成其它多種儀器的如數濃度、成分分析外,由於其實時、在線、單顆粒以及基於飛行時間質譜的快速監測功能,信息量極其豐富,實現了:

1.多功能的統一,n>n個1相加的結果。

2.減少了儀器操作複雜性、儀器種類;避免各種儀器的係統誤差,增

加了數據的協調性,減少儀器校正過程。

3.其中重金屬的實時在線監測功能,其它多種儀器都無法完成。

4.源分析的功能優勢強。

另外,經廣州科學城—廣州地化所—廣州科學城—上海複旦大學—浦東科技園—廣州科學城—鶴山監測站—廣州科學城—廣州地化所的路線,儀器分別在這些多達九個地點做了大量的現場和外場實驗。每次開機均能正常工作,運輸過程中經曆了空運,城市間高速公路、城鄉普通公路、臨時鋪設的泥石路等條件,實踐證明,儀器具有良好的機電穩定性能。

 

本產品入選“十一五”國家重大科技成就展

 獲2010年中國科學儀器優秀新產品

獲2011年中國儀器儀表學會優秀產品

獲2011年BCEIA金獎

本產品得到國家科技部“863項目”(2006AA06Z425/2009AA06Z405)的資助