单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪在细颗粒物研究中的应用和进展.docx

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单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪在细颗粒物研究中的应用和进展

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蔡靖郑玫闫才青付怀于张延君李梅周振张远航

摘要单颗粒气溶胶质谱技术起源于20世纪70年代，在近二十年得到了快速的发展。单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪具有高时间分辨率，且同时测量大气中单个细颗粒物粒径、多种化学组分和混合状态的特点，在大气细颗粒物监测和科学研究中逐渐得到了广泛应用。本文对单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的发展历程进行了介绍，对目前已商品化的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪ATOFMS和SPAMS的原理、数据分析方法、结果输出方式以及在环境监测和研究中的主要应用进行了总结，并指出单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪的发展方向。

Key单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪；细颗粒物；在线源解析；评述

1引言

随着我国经济的快速发展，区域大气污染问题日趋严重，近年来我国频发的霾等大气污染事件更引起了国内外前所未有的关注。气溶胶观测仪器特别是在线监测仪器的发明和发展为了解气溶胶理化特性、认识和探索大气环境问题提供了有力的方法和手段【1】。

在线气溶胶质谱仪具有高时间分辨率和灵敏度的优势而得到广泛应用。目前，该技术主要可分为气溶胶的整体测量（Bulkmeasurement）和单颗粒测量（Singleparticlemeasurement）两大类别。气溶胶的在线整体测量以气溶胶质谱仪（Aerosolmassspectrometry，AMS）、热解吸化学电离质谱仪（Thermaldesorptionchemicalionizationmassspectrometer，TDCIMS）等为代表，通过先将颗粒物气化，再使用电子轰击、化学电离、光电电离等方法将颗粒物电离；在线单颗粒测量方法以单颗粒质谱仪ATOFMS（Aerosoltime-of-flightmassspectrometry，ATOFMS）和SPAMS（Singleparticleaerosolmassspectrometry，SPAMS）等为代表，主要通过脉冲激光技术实现对单个颗粒物逐个电离【2】。

本文通过总结ATOFMS和SPAMS已发表的文献，介绍两种商品化的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪ATOFMS和SPAMS的原理、数据处理方法和结果输出形式；归纳了目前单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪（下文简称为单颗粒气溶胶质谱仪）在大气环境中的主要研究和应用领域，并提出了未来发展和应用方向。

2在线单颗粒气溶胶质谱仪的发展

实现单颗粒气溶胶在线测量的想法由来已久，Friedlander于20世纪70年代即提出理想的气溶胶监测仪器应可以测量环境气溶胶中每一个颗粒物的粒径、化学组分和形态【3，4】。以Davis等【5，6】为代表的早期研究者在20世纪70年代通过将铼、钨等金属丝加热产生高温，将气溶胶颗粒气化和离子化，再通过质谱进行检测。该方法的发明初步实现了对单个颗粒的在线测量，奠定了单颗粒气溶胶质谱仪的基础。随着激光光检测、飞行时间质谱和离子捕获等多种新技术的发明和运用，在线单颗粒质谱技术得到了较为快速的发展，1996年，Prather等【7】发明气溶胶飞行时间质谱仪（ATOFMS），随着仪器的商品化，该技术在大气环境科学的诸多领域中得到了广泛应用。

21世纪初，为满足我国大气气溶胶在线实时监测的需求，在国家高技术研究发展计划（863计划）项目支持下，上海大学、中国科学院广州地球化学研究所和广州禾信分析仪器有限公司等多个研究单位通力合作，于2010年研制成功单颗粒气溶胶质谱仪SPAMS，目前已实现所有关键部件的国产化。

3单颗粒气溶胶质谱仪简介

3.1单颗粒气溶胶质谱工作原理

将实际大气中的气溶胶快速引入质谱离子源区域，随即进行电离和检测【5】。大气颗粒物首先汇聚为单个颗粒束，单个颗粒经逐一测径后通过激光等方法电离为带电碎片，碎片在真空腔中飞行，最后通过微通道板检测器得到各颗粒物质谱信号。目前商品化的单颗粒气溶胶质谱仪ATOFMS和SPAMS都具有真空进样系统、激光测径系统、离子化系统和质谱检测系统等四大部分【8】。ATOFMS和SPAMS的详细原理和仪器参数参见文献＼图1单颗粒气溶胶质谱仪数据处理流程

4单颗粒气溶胶质谱仪的应用领域

单颗粒气溶胶质谱仪可以提供高时间分辨率的颗粒物粒径分布、主要组分浓度变化的半定量信息，并具有在线快速鉴别颗粒物来源的潜力。单颗粒气溶胶质谱仪在气溶胶科学和大气化学的各类研究领域中得到了广泛应用。

4.1表征气溶胶基本理化特性

4.1.1半定量表征细颗粒物及其组分

由于单颗粒气溶胶质谱仪使用高能激光（SPAMS常用0.1～1.0mJ，ATOFMS常用1.0～1.5mJ）气化和电离颗粒物，足够的离子化能量除保证了单