ACSM

基于与气溶胶质谱仪(Aerodyne-AMS)相同的技术开发的气溶胶化学组分在线监测仪(ACSM) 舍去了气溶胶质谱仪的粒径筛选功能,并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可以测量PM2.5的化学组成,并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。便于数据上传到监测平台,更为简洁方便。

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图4. 气溶胶化学组分在线监测仪(ACSM)

AMS

气溶胶质谱仪由位于美国马萨诸塞州比尔瑞卡市(Billerica, Massachusetts, USA)的"飞行器研究公司"(Aerodyne Research, Inc.)制造。它采用分粒径采样技术和质谱技术,是目前能够定量、实时地分析和测量气溶胶化学组分的质量浓度及其粒径分布的商用气溶胶质谱仪。该仪器被广泛安装在观测站点、移动实验室、船舶和飞机平台;目前已经有超过200 台AMS 应用于工业生产、科研单位和政府部门。

根据安装部件的不同,气溶胶质谱仪可以分为多种机型,目前使用广泛的主要为

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图2.黑碳气溶胶质谱仪

mini-AMS

CToF-miniAMS是在CToF-AMS的精缩版,保留了AMS的粒径筛选功能和C-ToF的质荷比测量区间和分辨率,但是真空系统采用Pfeiffer的SplitFlow(TM) Pump,极大地减小了AMS的体积和重量,更加适用搬运和维护,价格相对便宜。

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图5. CToF-miniAMS

应用范围

  1. 气候变化和空气质量研究;
  2. 有机气溶胶定量分析:分离并定量分析有机组分,包括HOA(碳氢有机气溶胶,主要为一次燃烧排放)和OOA(氧化气溶胶,为二次气溶胶主要来源);
  3. 可安装于车、船和飞机等监测平台实施移动观测;
  4. 可以满足烟雾研究高达100Hz 的快速响应要求;
  5. 烟雾箱试验研究;
  6. 燃烧源排放监测和源特征分析;

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技术指标

质谱仪类型 检测限 (ng·m-3) 质量分辨率 (m/Δm) 质量范围 (m/z)
Q-AMS 32 300 1 - 300
C-ToF-AMS 1.2 800 1 - 1000
CToF-miniAMS 1.2 800 1 - 1000

HR-ToF-AMS
(V-模)

SP-AMS
(V-模)

2.9 2500 1 - 1200

HR-ToF-AMS
(W-模)

SP-AMS
(W-模)

32 5000 1 - 1200

L-ToF-AMS

LToF-SP-AMS

8000 1 - 1200
检出限为1分钟积分,;且依化学成分而变化。表中所列为硝酸盐的检测限(大约有机物为其10倍,硫酸盐为其2倍,铵盐为其20倍 ),其它成分检测限详见各类型仪器章节。

气溶胶粒径范围:   40nm - 1μm(空气动力学粒径)
时间分辨率:  可调数据报告间隔,通常选用1-5分钟
 每秒高达100个质谱
 每秒高达150个空气动力学粒径谱
采样流量:  0.085 LPM(体积流速)
操作压力:  环境压力
软件:  常规数据采集和分析,可用PMF模型解析有机物部分
尺寸/重量:  104.14 cm x 83.82 cm x 134.62 cm, 175 kg
电源/能耗:  220 VAC/50Hz; 600 W

可选部件:

  1. 气溶胶光散射检测模块:光散射检测模块提供粒径 >200nm 粒子的相关参数,如粒子密度和气溶胶粒子混合状态(内混/外混)。此模块可以安装于四极杆气溶胶质谱仪和飞行时间气溶胶质谱仪;当与飞行时间气溶胶质谱仪结合使用时,可以真正测量到单个气溶胶的质谱。
  2. 黑碳检测模块:黑碳检测模块由本公司与粒子测量公司(Droplet Measurement Technologies)联合开发。模块采用连续工作的1064nm 内腔激光器。含有黑碳的粒子(或者其它可吸收物质)会在 AMS 的离子化室内汽化。除了标准AMS 所测量的组分外,还可以检测碳簇(包括富勒烯)。此模块兼容所有型号的 AMS。
  3. 负离子测量模块(飞行时间质谱):负离子检测模块选择性地检测稳定的负离子,如硫酸盐、硝酸盐、羧酸等。灵敏度相比电子碰撞电离低1000。此模块通过控制软件可与标准的电子 撞击电离模块交互使用,并可用于其它产生负离子的电离系统。此模块只兼容ToF 质谱系统。
  4. 以上部件可以安装在现有的气溶胶质谱仪上,但总体目标是增强粒径、化学组成和气溶胶粒子密度的快速实时测量能力。
  5. 热力熔蚀系统(TDS):热力熔蚀系统可以辅助检测挥发性有机气溶胶。热力熔蚀系统只对气溶胶样品进行前处理,可用于所有型号的AMS 自动采样系统和其它气溶胶采样系统。该部件可以独立运行,与其它测量仪器联用。
  6. 二次颗粒物氧化生成反应器(PAM):二次颗粒物氧化生成反应器通过准确控制温度、相对湿度、氧化剂浓度与相互比例等参数,在反应腔内产生一个已知的高氧化环境,能够以分钟为时间分辨率模拟大气环境中气体前体物生成的氧化过程。该设备还能够与许多气溶胶观测设备搭配使用,是一次气溶胶非均相氧化研究与二次气溶胶生成研究的重要工具。

工作原理

ams theory

图6.AMS的工作原理图

美国飞行器公司(Aerodyne)制造的气溶胶质谱仪(Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer,AMS)应用高真空(10-5 Torr)和质谱技术,以及最新的气溶胶采样技术,能够实时在线分析亚微米(Dp: 40-1000nm)气溶胶颗粒中化学组分的含量及其粒径分布特征。AMS的主要结构分为三部分(如图所示):1. 气溶胶进样部分;2. 气溶胶粒径筛选部分;3. 化学组分检测部分。

气溶胶质谱仪使用动力学透镜采集亚微米粒径的气溶胶粒子,并聚焦成直径大约为百微米级的气溶胶束。气溶胶束中的粒子在到达恒温为600℃的高温炉时,其中的非难熔性物质被瞬间气化。气化的物质经过电子轰击电离后,再送入质谱仪进行分析。

现今的气溶胶质谱仪采用了高分辨率飞行时间质谱仪,并集成了粒子测量公司(Droplet Measurement Technologies Inc.)SP2 中连续工作的 Nd:YAG 1064nm 内腔激光器,可以获得单颗粒粒子的完整质谱,并检测气溶胶中的黑碳等难熔物质。

AMS 的贡献

自2000年 Aerodyne 的第一台质谱仪问世以来,已经被应用于各高端科研领域,并发表领先科技论文 900 多篇,为推动气溶胶研究的进步做出了重要的贡献。在中国大陆 AMS 观测应用方面,北京大学胡敏博士、北京大学深圳研究院何凌燕博士和黄晓锋博士、中国气象科学研究院大气成分研究所孙俊英博士和张养梅博士取得丰硕的成果,完成数个研究项目,并撰写了数十篇科技论文。

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图7. Zhang et al. 2007文章所用数据来源。