大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统及方法

摘要

本发明提供大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统，包括次序连接的进样口，差分动力学透镜，格栅，气化室，离子源，漂移管，差分真空腔和质谱质量分析单元，进样口和差分动力学透镜主要用于将挥发性有机物及相关产物的粒子流差分聚焦成粒子束，进而进入格栅中，然后将粒子束传输至气化室，使得颗粒有机组分气化，气化后的样品与离子源产生的离子混合后进入化学离子化漂移管，有机物分子被电离而形成离子化，离子化的有机物分子进入差分真空腔中，最后通过质谱质量分析单元对离子化的有机物分子进行定性定量分析检测。本发明可在不破坏分子结构的情况下鉴别大气中的分子有机物种，直接服务于我国大气污染形成机制研究。

说明书

技术领域

本发明涉及环境监测领域，具体涉及一种大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统及方法。

背景技术

我国大气中挥发性有机物及相关产物污染非常严重，近年来对于挥发性有机物及相关产物的形成机制成为当前我国的科学研究热点之一。当前，我国诸多的挥发性有机物及相关产物研究主要集中于大气中已经存在的气态物质，相关研究包括了对这些气态物质的化学组成研究和物理特征等。然而，对于颗粒物的有机组分还不能全面了解，从而制约了颗粒物形成机制，也就是新粒子生成机制的识别。

近十年来，对于颗粒物中的有机成分最有力的研究工具就是挥发性有机物及相关产物质谱，随着挥发性有机物及相关产物质谱(Aerosol Mass Spectrometry,AMS)技术在软件和硬件方面的升级改造，其测量性能日趋完善，成为最重要的在线有机挥发性有机物及相关产物测量仪器之一。如果没有经过任何事先处理，所有物种在AMS中都会立刻同时挥发并且离子化、碎片化，而现有技术无法在分子水平上对有机挥发性有机物及相关产物物种进行测量。

因此，提供一种改进的大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统及方法实为必要。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种结构简单检测可靠的大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统。

本发明的另一目的是提供一种检测可靠的大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定方法。

为实现上述主要目的，本发明提供一种大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统，包括：次序连接的进样口，差分动力学透镜，格栅，气化室，离子源，漂移管，差分真空腔和质谱质量分析单元，其中，进样口和差分动力学透镜主要用于将挥发性有机物及相关产物的粒子流差分聚焦成粒子束，进而进入格栅中，然后将粒子束传输至气化室，使得颗粒有机组分气化，气化后的样品与离子源产生的离子混合后进入化学离子化漂移管，在化学离子化漂移管中，有机物分子被电离而形成离子化，离子化的有机物分子进入差分真空腔中，最后通过质谱质量分析单元对离子化的有机物分子进行定性定量分析检测。

以下为本领域技术人员公知的信息，化学电离法是一种软电离技术，电离产物主要是分析物的分子离子，碎片少，能够得到分析物的精确分子量，图谱解析简单。选择合适的试剂离子，可以提高化学电离质谱的选择性，本发明的检测灵敏度高，可达到ppm量级，响应速度快，能准确测定目标物种的浓度。

进一步的，所述系统还包括PM1空气动力学切割头，所述PM1空气动力学切割头用于切割掉样品中的大颗粒。

进一步的，所述进样口包括直径为100μm进样微孔。

进一步的，所述系统还包括与格栅相连的分子泵，所述分子泵用于抽排扩散或碰壁粒子。

进一步的，所述气化室设置有用于加热的钨丝，气化室的气化温度在200℃到900℃之间。

进一步的，所述系统还包括与离子源末端连接的机械泵，所述机械泵用于抽走离子源放电腔中剩余的水蒸气，并防止水蒸气流入漂移管。

进一步的，所述漂移管由相互间经橡胶圈密封和绝缘的10个不锈钢环组成，每个环厚度1cm，内径5cm，相邻环之间连接相同阻值的电阻。

进一步的，所述差分真空腔由600L/s分子泵维持真空，典型工作压力为2×10

进一步的，所述质谱质量分析单元包括四极杆、电子倍增器以及离子计数系统。

为实现本发明的另一目的，本发明提供一种大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定方法，包括：将含有挥发性有机物及相关产物的大气聚集成粒子束；加热所述粒子束，使得粒子束中的有机组分气化；提供初始反应离子，将所述气化的有机物粒子束与所述初始反应离子发生质子转移反应，使所述有机物粒子束中的有机物分子离子化为单一形式的离子；对所述单一形式的离子进行质量分辨和离子强度的探测，进而完成对大气有机物浓度的测定

本发明具有以下有益效果：本发明利用化学离子化法对有机物进行离子化，产生相对简单的分子离子，可在不破坏分子结构的情况下鉴别分子有机物种，同时，可直接测定大气与挥发性有机物及相关产物中的半挥发/低挥发有机物，从而确定大气中半挥发和低挥发性有机物对大气中颗粒物的凝聚成核作用，开展挥发性有机物及相关产物爆发增长机制观测研究。研究均相成核动力学-新粒子生成，实现分子量级测量半挥发性有机物种以及相应的气固分配，实现动态量化半挥发性有机物对SOA生成的贡献，在分子层面和质谱信息方面获得准确有代表性的“源谱”特征。直接服务于我国大气污染形成机制研究，发展我国大气化学理论，提高高端仪器制造技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

参见图1，本发明大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定系统包括次序连接的进样口1，差分动力学透镜2，格栅3，气化室4，离子源6，漂移管7，差分真空腔8和质谱质量分析单元。其中，进样口1和差分动力学透镜2主要用于将挥发性有机物及相关产物的粒子流差分聚焦成粒子束，进而进入格栅3中，然后将粒子束传输至气化室4，使得颗粒有机组分气化，气化后的样品与离子源6产生的离子混合后进入化学离子化漂移管7。在化学离子化漂移管7中，有机物分子被电离而形成离子化。离子化的有机物分子进入差分真空腔8中，最后通过质谱质量分析单元对有机物进行定性定量分析检测。

在一个较佳的实施例中，样品在进入进样口1之前，需先经过PM1空气动力学切割头(图中未示出)，以切割掉其中的大颗粒，然后通过直径为100μm进样微孔(即进样口1)进入差分动力学透镜2中，随后穿过一个透镜将其聚集成直径约1mm的粒子束，其余扩散或碰壁粒子被与格栅3相连的分子泵5抽走排出。格栅3主要用于间歇阻挡粒子通过，从而保证后续待测量的有机物为气态。

在一个较佳的实施例中，气化室4温度最高可达900℃，当前述粒子束高速飞行进入气化室4时，气化室4的高温发射板将粒子中的有机物瞬间蒸发成蒸汽，以便进入漂移管7中。

在一个较佳的实施例中，气化室4设置有用于加热的钨丝，挥发性有机物及相关产物粒子束由加热的钨丝进行热解析，使得粒子有机组分气化。本发明的系统可检测气化温度在200℃到900℃之间的化合物，基本囊括了大气挥发性有机物及相关产物有机物的组成成分。

在一个较佳的实施例中，离子源6由内径2cm的3个不锈钢电极组成，离子源6末端连接的机械泵11，抽走放电腔中剩余的水蒸气，并防止水蒸气流入漂移管7。离子源6采用空心阴极放电。空心阴极放电产生的高能电子(数百eV)与中性气体分子碰撞使之电离，产生高密度的初始反应离子(如H

在一个较佳的实施例中，漂移管7是质子转移反应区域，用于有机物分子的离子化。当前述粒子束通过漂移管7中的绝热表面时，挥发与半挥发性挥发性有机物及相关产物热挥发后通过H

在一个较佳的实施例中，漂移管7由相互间经橡胶圈密封和绝缘的10个不锈钢环组成，每个环厚度1cm，内径5cm，相邻环之间连接相同阻值的电阻，当在漂移管7两端加上一定电压时，漂移管内可产生均匀电场以加速化学离子化电离，被电离的有机物分子随后进入差分真空腔8以及质谱质量分析单元。

在一个较佳的实施例中，差分真空腔8由600L/s分子泵维持真空，典型工作压力为2×10

在一个较佳的实施例中，质谱质量分析单元包括四极杆9、电子倍增器10以及离子计数系统(图中未示出)。前述分子化的离子经四极杆9进行质量分辨，并由电子倍增器10倍放大，进入离子计数系统。质谱扫描与离子计数均由计算机控制，此为本领域技术人员公知的技术手段，此处不再赘述。

本发明还提供一种大气挥发性有机物及相关产物的质谱分析测定方法，包括：将含有挥发性有机物及相关产物的大气聚集成粒子束；加热所述粒子束，使得粒子束中的有机组分气化；提供初始反应离子，将所述气化的有机物粒子束与所述初始反应离子发生质子转移反应，使所述有机物粒子束中的有机物分子离子化为单一形式的离子；对所述单一形式的离子进行质量分辨和离子强度的探测，进而完成对大气有机物浓度的测定。

进一步的，完成上述测定方法所使用的特定测定系统前述已详细描述，此处不再赘述。

本发明具有以下有益效果：本发明利用化学离子化法对有机物进行离子化，产生相对简单的分子离子，可在不破坏分子结构的情况下鉴别分子有机物种，同时，可直接测定大气与挥发性有机物及相关产物中的半挥发/低挥发有机物，从而确定大气中半挥发和低挥发性有机物对大气中颗粒物的凝聚成核作用，开展挥发性有机物及相关产物爆发增长机制观测研究。研究均相成核动力学-新粒子生成，实现分子量级测量半挥发性有机物种以及相应的气固分配，实现动态量化半挥发性有机物对SOA生成的贡献，在分子层面和质谱信息方面获得准确有代表性的“源谱”特征。直接服务于我国大气污染形成机制研究，发展我国大气化学理论，提高高端仪器制造技术。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。