仪器概述

气溶胶化学组成在线监测仪（ACSM）能够实时并直接地定量测量和显示 PM2.5 (0.1-2.5 µm) 或者 PM1.0 (0.04-1.0 µm) 气溶胶中非难熔性组分（简称: NR-PM2.5或者NR-PM1）的质量浓度和化学组成，包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、氨盐和氯离子。通过对有机气溶胶质谱进行正矩阵因子解析(PMF), 可以区分和得到不同种类的有机气溶胶，包括HOA（烃类有机物，主要为一次燃烧源排放），OOA（氧化态有机物，主要为二次有机气溶胶）和BBOA（生物质燃烧示踪物）等。

基于气溶胶质谱仪（AMS）相同开发的ACSM采用商业级的四极杆质谱仪，相对而言体积小、价格低、维护简单、易于操作，使其更适用于长期无人照看的日常监测应用。

新版的ACSM还可以实时输出常用格式（.csv，.dat）的化学组分浓度数据和仪器状态参数。便于数据实时上传到监测平台，更为简洁方便。

ACSM的特点：实时在线、直接定量、维护简单、分辨率高、数据上传

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图 1 . ACSM-PM2.5实物照片

尺寸/重量: 86.36 cm x 49.53 cm x 86.36 cm /64 kg

应用范围

  1. 大气气溶胶浓度连续在线监测；
  2. 气溶胶中铵、硝酸盐、硫酸盐、氯盐及有机物的化学组分分析；
  3. 将有机气溶胶分解成HOA（碳水化合物，可标识一次燃烧源）和OOA（氧化有机物，可标识二次燃烧源）。
  4. 常规空气质量监测, 源特征,光学/CCN闭合试验
  5. 气溶胶烟雾箱实验和工业过程控制

技术指标

测量粒径范围： 0.1µm - 2.5µm; 或0.04μm - 1μm（空气动力学）
检出限

（30 分钟）

 有机物: 0.3 μg·m-3
硫酸盐: 0.04 μg·m-3
硝酸盐: 0.02 μg·m-3
氨  盐: 0.5 μg·m-3
氯离子: 0.2 μg·m-3
时间分辨率： 可调节，通常选用 10-30分钟
采样流量： 85cc/min (体积流速)
电源/能耗： 85-264 VAC, 47-63 Hz / 300 W

应用案例

这里介绍的应用案例取自中国科学院大气物理研究所于2011年11月21日至2012年1月20日在北京的观测试验，详细内容请参考孙业乐等的论文（Sun et al., 2013）。

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图 2. 观测期间 (a) 气象要素（相对湿度、气温、降水量、风速、风向、气压、太阳辐射）； (b) NR-PM1 和PM2.5 质量浓度;(c) NR-PM1 化学组成 (Org, SO4, NO3, NH4, Chl) 的时间序列。 灰色阴影部分表示气溶胶浓度较低的时段。

图2展示了观测期间气象要素、ACSM测量的NR-PM1 和TEOM测量的PM2.5随时间的变化状况。从图2b可知，观测期间NR-PM1的质量浓度随时间变化很大，其日平均值的变化范围是6.6 - 192 μg·m-3，高、低污染时期交替出现，PM2.5的变化同NR-PM1的变化几乎同步。

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图3. 整个观测期间平均NR-PM1 和有机物化学组成比例图。

从图2c和图3可知，观测期间NR-PM1的最主要成分是有机物（52%），之后依次为硝酸盐（16%），硫酸盐（14%），铵盐（13%）和氯化物（5%）。对有机气溶胶质谱进行正矩阵因子解析（PMF）进一步发现冬季北京地区有机物的主要来自：煤碳燃烧（CCOA，33%）, 天然气燃烧（COA，19%），柴油燃烧（HOA，17%）,以及氧化态二次有机气溶胶（OOA，31%）。

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图 4. 观测期间SOA 与POA 的关系；散点的颜色代表NR-PM1 中有机物的质量分数，散点大小代表PM1 的质量大小；

    图4表明SOA与POA之间完全不同的特征，它们的相关系数为0.28；POA占主要部分，而当POA浓度比例增加时，HOA的贡献更大。图5是通过PMF分析冬季OA谱图得出四类（HOA、COA、CCOA、OOA）主要成分及其时间序列；其中HOA主要为柴油燃料燃烧排放的未氧化气溶胶，COA对OA的平均贡献约为19%，用餐时间高达32%；而CCOA在冬季供暖期对OA的平均贡献为33%，午夜时浓度较高（18 μg·m-3）；OOA在冬季空气清洁时占OA的比例较高（40%），表明北京冬季以一次污染物为主。

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图5. 观测期间，HOA、COA、CCOA、OOA的质谱图及质量浓度的时间序列。

结构与原理

ACSM主要由进样口(Aerosol Inlet)、空气动力透镜(Aerodynamic Lens)、真空系统(Vacuum Chamber)（包括三个涡轮泵(Turbo Pumps)和一个隔膜泵(Diaphragm Pump)）、热蒸发(Thermal Vaporization)和电子轰击离子化(Impact Ionization)装置、四极杆质谱仪(Quadrupole)以及数据采集系统(Data Collection)六部分组成。

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图6. 工作原理示意图

ACSM工作原理：

  1. 气溶胶随着气流进入进样口；
  2. 气溶胶经过空气动力学透镜时被聚焦成一个直径约为 1 毫米的粒子束；
  3. 真空系统有效地分离气体和气溶胶；
  4. 气溶胶在热蒸发和电子轰击装置被气化和离子化；
  5. 离子碎片经四极杆质谱仪检测，然后通过以太网记录到数据系统中。

参考文献

  1. Zhang, Y. J., Tang, L. L., Wang, Z., Yu, H. X., Sun, Y. L., Liu, D., Qin, W., Canonaco, F., Prévôt, A. S. H., Zhang, H. L., and Zhou, H. C.: Insights into characteristics, sources, and evolution of submicron aerosols during harvest seasons in the Yangtze River delta region, China, Atmos. Chem. Phys., 15, 1331-1349, doi:10.5194/acp-15-1331-2015, 2015.link
  2. 汤莉莉, 张运江, 孙业乐，等. 南京持续雾霾天气中亚微米细颗粒物化学组分及光学性质. 科学通报, 2014, 59(20): 1955-1966. link
  3. 江琪, 孙业乐, 王自发, 银燕. 应用颗粒物化学组分监测仪(ACSM)实时在线测定致霾细粒子无机和有机组分. 科学通报, 2013, 58(36): 3818-3828. link
  4. Jiang, Q., Sun, Y. L., Wang, Z., and Yin, Y.: Aerosol composition and sources during the Chinese Spring Festival: fireworks, secondary aerosol, and holiday effects, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 14, 20617-20646, doi:10.5194/acpd-14-20617-2014, 2014.link
  5. Sun, Y. L., Wang, Z. F., Fu, P. Q., Yang, T., Jiang, Q., Dong, H. B., Li, J., and Jia, J. J.: Aerosol composition, sources and processes during wintertime in Beijing, China, Atmos. Chem. Phys., 13, 4577-4592, doi:10.5194/acp-13-4577-2013, 2013. link
  6. Sun, Yele, et al. "Characterization of summer organic and inorganic aerosols in Beijing, China with an Aerosol Chemical Speciation Monitor." Atmospheric Environment 51 (2012): 250-259.link
  7. Ng, N. L., Herndon, S. C., Trimborn, A., Canagaratna, M. R., Croteau, P. L., Onasch, T. B., ... & Jayne, J. T. (2011). An Aerosol Chemical Speciation Monitor (ACSM) for routine monitoring of the composition and mass concentrations of ambient aerosol. Aerosol Science and Technology, 45(7), 780-794.link
  8. 更多参考文献，请查看气溶胶质谱仪。