ICP—MS在线定量分析气溶胶粒子的技术研究

对感应耦合等离子体质谱(ICP-MS)在线快速定量分析气溶胶粒子技术进行了研究.振荡床发生稀土气溶胶粒子,将ICP-MS测得的离子簇脉冲数浓度与凝结核粒子计数器的读数比较,得到ICP-MS对粒子数浓度的相对计数效率.结果表明,ICP-MS对粒子数浓度的计数效率接近1.用振动孔气溶胶发生器发生单分散的硝酸铽粒子,并将ICP-MS测得的粒子中铽的响应信号与气溶胶发生器的计算值比较,获得了ICP-MS质量探测效率与质量的关系.在粒子物理直径实验范围内(0.4 ～3 μm),ICP-MS探测到的离子数与粒子中Tb的质量呈线性关系,表明在该范围内探测效率与粒径无关.初步研究结果表明,用ICP-MS既可进行连续气溶胶粒子的化学定量分析,也可进行每秒10个单粒子的化学定量分析.ICP-MS在环境气溶胶在线快速分析,尤其是气溶胶粒子中难熔金属和超铀元素超痕量在线环境监测方面具有潜在的应用前景.     

二硫化碳气溶胶的形成机理

本文提出了二硫化碳气溶胶形成反应的机理。该机理较好地解释了有关实验现象。通过测定不同二硫化碳初始压力、不同激发激光能量等条件下的二硫化碳气溶胶的形成时间,求得了二硫化碳气溶胶形成机理中控速步骤及其它基元反应的速率常数。同时还研究了外加气体、温度对二硫化碳气溶胶形成的影响。本实验得到的外加气体对二硫化碳激发态分子的猝灭步骤的速率常数与利用激光诱导荧光方法测得的结果以及有关文献值符合较好。还求得了二硫化碳气溶胶形成反应的表观活化能。     

气溶胶单粒子化学成分的实时测量

自行设计了国内第一台可实时测量气溶胶单粒子化学成分的气溶胶飞行时间质谱仪,并用该仪器对两类燃烧过程产生的气溶胶粒子进行了实时测量。实验结果展示了本仪器能够同时实现实时在线测量和单粒子检测,从而克服了传统的离线检测方法如色谱法、化学方法的局限性。     

塔克拉玛干沙漠黑碳气溶胶的特性及来源

长期监测并采集塔克拉玛干沙漠腹地的大气颗粒物及黑碳气溶胶样品.在塔克拉玛干沙漠腹地,沙尘气溶胶中的黑碳在PM10中的年平均含量高达1.14%,这说明在人迹罕至的塔克拉玛干沙漠地区,其上空的沙尘气溶胶也已经受到人为活动的影响.黑碳气溶胶具有明显的季节变化和日变化,冬季最高,平均达2261.7ngm-3,依次为冬季春季秋季夏季.黑碳气溶胶日变化特征与城市地区恰好相反,夜间高于白天,午夜0:00～2:00出现峰值,而在上午8:00～11:00出现低值.非沙尘暴期间黑碳对PM10的贡献是沙尘暴时期的11倍.塔里木盆地周边绿洲带人为活动,尤其是新疆南北部地区跨越春秋冬三季的居民采暖所产生的黑碳经由局地、区域或长途传输是塔克拉玛干沙漠腹地黑碳气溶胶的主要来源,也是沙漠黑碳气溶胶具有明显的季节特征和日变化的主要原因.随着沙尘气溶胶的长途传输,沙漠每年大约输出6.3×104吨黑碳气溶胶,这势必会对全球的气候与环境变化产生一定影响.     

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

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.     

硫酸钙及硫酸铵气溶胶对二次有机气溶胶生成的影响

二次有机气溶胶(SOA)是大气光化学反应的产物, 也是城市和郊区大气中细粒子的主要成分. 本研究致力于考察高浓度无机气溶胶颗粒对SOA生成的影响. 实验系统采用2 m³的温控烟雾箱, 以干燥的CaSO₄和(NH₄)₂SO₄为无机种子气溶胶, 研究了间二甲苯/NO_x/空气体系光氧化生成SOA的过程. 实验结果显示间二甲苯和NO_x在紫外光照下会产生大量SOA, SOA产率可用单产物模型表征. CaSO₄气溶胶的存在对SOA产率曲线没有明显的影响, 而(NH₄)₂SO₄气溶胶的存在使气相半挥发性氧化产物的生成量增加36%, 显著地增加了SOA的产率. (NH₄)₂SO₄粒子在含水有机物作用下显现的弱酸性可能是导致这一影响的主要原因. 该实验结果有助于更详尽地阐明中国颗粒物污染严重城市SOA的生成机理, 从而为进一步修正空气质量模型提供依据.     

用于大气化学反应和二次有机气溶胶研究的实验室烟雾箱系统的搭建、测试与初步实验

为了从本质上认识和了解大气氧化反应进程以及二次有机气溶胶的形成机制,设计并搭建了一套实验室模拟烟雾箱系统．将质子转移反应质谱、同步辐射光电离质谱及气溶胶激光飞行时间质谱等特色质谱检测系统与烟雾箱结合,用于大气氧化反应气相和粒子相产物的定量与定性分析．通过一系列表征实验获得了该系统的基本参数,如烟雾箱内温度和光强特征,气体化合物和颗粒物的壁损耗速率,零空气的背景反应性及实验结果的可重复性．臭氧氧化α-蒎烯定量化实验和OH启动异戊二烯光氧化反应的定性检测结果进一步表明了该系统能够满足大气化学反应过程中气相和粒子相化学成分的定性分析及二次有机气溶胶的定量化研究的需要.     

大气气溶胶中锂的化学分离与同位素比的质谱检测

通过大量条件实验,确定离子交换法分离Li+、Na+的最佳淋洗条件柱填料为Dowex-50w×8阳离子树脂,柱高为12 cm,淋洗液为0.8 mol/mL HCl-50%CH3OH,淋洗速度约为0.48 mL/min.采用离子交换法分离大气气溶胶中Li与其它元素,采用Li3PO3为样品涂样形式的热电离质谱法测量了大气气溶胶中Li的同位素比值.化学分离过程中Li的回收率大于95%,大气气溶胶中稳定Li同位素6Li/7Li比值为0.08206.     

气溶胶单粒子化学成分在线聚类分析

为了在线快速、自动处理气溶胶激光飞行时间质谱仪在运行过程中产生的海量数据并提取有价值的信息,将基于神经网络的自适应共振算法运用于气溶胶单粒子化学成分在线聚类分析.利用该算法对NaCl粒子、NaCl和CaCl2的气溶胶混合物、三聚氰胺气溶胶单粒子以及大气气溶胶单粒子进行在线分类,被成功分类的粒子数占命中粒子总数的100%,当警戒阈值为0.1,学习速率为0.05时,获得的每类聚类中心都能很好地代表该类物质的特征;深入研究了警戒阈值对NaCl粒子在线聚类数的影响.结果表明: 当警戒阈值增大到0.8时,在线聚类数增多,分类更加精细.本算法的质谱分析软件基本满足大气气溶胶单粒子在线聚类分析的要求.     

北京大气颗粒物污染本地源与外来源的区分--元素比值Mg/Al示踪法估算矿物气溶胶外来源的贡献

提出了一种新的元素示踪法, 用于估算和区分北京大气颗粒物污染的主要组成矿物气溶胶的外来源和本地源. 通过采集、分析具有代表性的、可覆盖北京所有地区的气溶胶、地面扬尘以及外来源代表地区内蒙多伦等地的表层土, 发现气溶胶中元素比值Mg/Al是区分北京地区矿物气溶胶本地源与外来源有效的元素示踪体系. 矿物气溶胶即沙尘、硫酸盐和硝酸盐为主的无机污染气溶胶, 和有机污染气溶胶同是北京大气颗粒物的重要组成部分, 其中矿物气溶胶占总颗粒物(TSP)的32%～67%, 占细粒子(PM2.5)的10%～70%, 在沙尘暴期间分别高达74%和90%. 根据元素示踪法, 首次估算出北京地区矿物气溶胶中本地源与外来源的相对贡献量. 春季外来源占TSP的62% (38%～86%), 占PM10的69% (52%～90%), 占PM2.5的76% (59%～93%); 冬季外来源占TSP的69% (52%～83%), 占PM10的79% (52%～93%), 占PM2.5的45% (7%～79%); 而在夏季和秋季, 外来源仅占～20%. 外来源在冬春季对北京矿物气溶胶的贡献要高于夏季, 这显然与冬春季气候差异有关. 沙尘暴期间外来源贡献最高达97%, 成为北京大气颗粒物的主要来源.     

基于气溶胶质谱的二次有机气溶胶识别

二次有机气溶胶(SOA)是大气气溶胶十分重要的组成部分,也是目前人们认识最为薄弱的气溶胶组分.由于有机气溶胶化学组成的复杂性,对SOA进行有效的识别和估算一直是国际气溶胶研究领域的热点和难点问题.本研究尝试使用一种新方法来定量识别深圳冬季大气中的SOA:利用气溶胶质谱仪在线观测的高时间分辨率优势和质谱中的特征碎片离子,应用正定矩阵因子解析(PMF)模型对细粒子组分的主要来源进行解析,识别出其中的二次有机物.结果表明:深圳冬季大气细粒子中SOA浓度平均为9.41±6.33μg/m3,占总有机物质量的39.9±21.8%;相比于一次有机气溶胶(POA),SOA浓度水平变化较为平缓,体现了区域性二次污染物的特征.SOA/BC比值具有鲜明的日变化规律,且与Ox(O3+NO2)的日变化规律相似,说明SOA的生成过程显著地受控于大气光化学活性.深圳冬季大气SOA生成最活跃的时段约为9～15时,期间SOA/BC比值增长了122%.本文为研究我国大气二次有机气溶胶提供了一种新的技术方法和思路.     

气溶胶粒子通过填充柱的保留时间分布测定

采用亚微米单分散聚苯乙烯球形硬气溶胶粒子和脉冲进样技术,测定了气溶胶粒子通过无规则石英砂填充柱的保留时间分布,从保留时间分布曲线得到了气溶胶粒子在填充柱中的平均保留时间和穿透率.研究了平均保留时间和穿透率与流体流速、填充柱的长度、填料粒度和气溶胶粒子大小之间的关系.研究发现,流速越大,保留时间分布曲线越尖锐,流速越小,保留时间分布曲线越平坦;气溶胶粒子的穿透率随着柱长的增加而降低,随流速、气溶胶粒子粒径和石英砂颗粒大小的减小而减小;平均保留时间随柱长增加而增大,随流速增大而减小,随气溶胶粒子粒径减小而减小,而与石英砂颗粒大小几乎无关.     

痕量氡气测量仪器自动标定装置的研制

研究了空气中痕量氡的动态稳定技术和氡及其子体浓度的准确测量方法.研制了具有氡浓度自动控制、温湿度调控、气溶胶发生/采集等功能的标准氡室,并建立了主氡室标称体积达4 m3的氡测量仪器检定/校准装置和氡子体放射性气溶胶检测与实验研究平台.研究表明,本装置测氡浓度范围为370～20000 Bq/m3;检测精确度达3％;单点校...     

乙苯光氧化产生二次有机气溶胶的化学成分及反应机理分析

在自制的烟雾腔内,研究羟基自由基(OH·)启动的乙苯的光氧化反应和一系列后续反应,产生了二次有机气溶胶. 采用空气动力学直径粒谱分析仪分析了气溶胶粒子的尺寸分布;并用自制的气溶胶飞行时间质谱仪快速、实时地测量了单个二次有机气溶胶粒子的分子组分. 初步探讨了这些组分的可能反应机理.     

二次有机气溶胶形成的化学过程

挥发性有机化合物的光氧化过程和光氧化产物的气态/粒子态均分过程是二次有机气溶胶形成的重要原因.二次有机气溶胶形成的化学机理主要涉及到挥发性有机化合物的光氧化过程及其一系列的后续反应,它们导致了对流层中臭氧浓度的增加和二次有机气溶胶的形成.本文将重点介绍二次有机气溶胶形成的重要化学过程和量子化学计算研究.     

北京大气颗粒物污染本地源与外来源的区分

提出了一种新的元素示踪法, 用于估算和区分北京大气颗粒物污染的主要组成矿物气溶胶的外来源和本地源. 通过采集、分析具有代表性的、可覆盖北京所有地区的气溶胶、地面扬尘以及外来源代表地区内蒙多伦等地的表层土, 发现气溶胶中元素比值Mg/Al是区分北京地区矿物气溶胶本地源与外来源有效的元素示踪体系. 矿物气溶胶即沙尘、硫酸盐和硝酸盐为主的无机污染气溶胶, 和有机污染气溶胶同是北京大气颗粒物的重要组成部分, 其中矿物气溶胶占总颗粒物(TSP)的32%~67%, 占细粒子(PM_2.5)的10%~70%, 在沙尘暴期间分别高达74%和90%. 根据元素示踪法, 首次估算出北京地区矿物气溶胶中本地源与外来源的相对贡献量. 春季外来源占TSP的62% (38%~86%), 占PM₁₀的69% (52%~90%), 占PM_2.5的76% (59%~93%); 冬季外来源占TSP的69% (52%~83%), 占PM₁₀的79% (52%~93%), 占PM_2.5的45% (7%~79%); 而在夏季和秋季, 外来源仅占~20%. 外来源在冬春季对北京矿物气溶胶的贡献要高于夏季, 这显然与冬春季气候差异有关. 沙尘暴期间外来源贡献最高达97%, 成为北京大气颗粒物的主要来源.     

采暖期北京大气气溶胶中有机酸的测定

随着工业和交通运输业的迅速发展,空气污染日趋严重,其中城市大气气溶胶污染尤为突出.大气气溶胶是由分散在大气中的液态或固态颗粒形成的一种大气物质,气溶胶粒子的状态、大小、组成及运动方式等对人体健康,对空气质量、大气能见度、云和降水等均有重要影响[1].     

大气气溶胶吸湿性及其对环境的影响

吸湿性是气溶胶重要的物理化学特性,不仅会影响气溶胶的生命周期和大气行为,还会对大气环境、气候和人体健康产生重要影响。本文简要介绍了气溶胶吸湿参数和热力学模型,对粒径、化学组分以及多组分共存等因素对气溶胶吸湿性的影响进行分析,进一步总结了城市、农村森林和海洋极地等不同区域气溶胶吸湿观测结果。吸湿增长因子g(RH)、散射吸湿增长因子f(RH)和吸湿性参数κ等常用吸湿参数可以衡量气溶胶的吸湿能力;Zdanovskii-Stokes-Robinson(ZSR)混合定律和各种热力学模型能预测不同化学成分气溶胶的吸湿能力,是研究多组分混合气溶胶和气相平衡的重要工具。粒径、化学组分和混合状态影响气溶胶的吸湿性,如气溶胶g(RH)、潮解点或风化点的改变。由于排放源和环境条件的不同,城市、农村、森林、海洋、极地地区气溶胶粒径分布、化学组分和混合状态具有差异,气溶胶吸湿性不同。气溶胶吸湿性直接影响气溶胶含水量和相态,改变气溶胶的大气化学过程、老化过程和大气寿命,还影响环境能见度、辐射效应和在人体内的沉积位置和毒性。通过总结吸湿参数、理论模型、实验室研究、外场观测和环境影响等多方面的最新研究成果,以期为未来的吸湿研究提供参考和借鉴。     

二次有机气溶胶的气体/粒子分配理论

本文重点评述了二次有机气溶胶形成的气体/粒子分配理论,简要介绍了它的发展和可能的应用.在大气中,气体有机物种的氧化可以产生半挥发性的有机化合物,二次有机气溶胶的形成可以用气体/粒子分配的吸收模型来评估.气体/粒子分配过程决定于半挥发性化合物的成分、浓度和蒸气压,以及吸收性材料的浓度和成分.在气体/粒子分配理论的基础上,人们又研究和开发出二次有机气溶胶的分子组分的气体/粒子分配的热力学模型,它可以用来预估气溶胶中液态水的含量、无机物的分布、亲水性和疏水性有机物的分布.二次有机气溶胶形成的化学机理和气体/粒子分配的热力学模型与加利福尼亚工学院三维都市/区域性大气模型相结合,可以用于气相和气溶胶相模拟.     

基于高分辨质谱在线观测的2011深圳大运会前后PM_1化学组成与粒径分布

本文利用先进的高分辨飞行时间气溶胶质谱仪（HR-ToF-AMS）于2011年深圳世界大学生运动会前后（2011年8月3日~9月22日）对深圳市区大气亚微米细粒子（PM1）化学成分和粒径分布进行了在线测量.结果表明,整个观测期间PM1质量浓度平均为51.1±32.6gm3,其中有机物占颗粒物总质量的37.9%,硫酸盐为37.1%,铵盐11.9%,黑碳6.6%（由一台单颗粒黑碳光度计（SP2）单独测量）,硝酸盐5.8%,氯化物0.6%.观测期间各成分（除黑碳外）的粒径分布峰值位于真空动力学粒径550nm附近,而有机物在较小粒径范围（100~200nm）仍有较多质量分布,显示出本地一次源的明显贡献.基于高分辨有机质谱计算得到的有机气溶胶的平均元素组成为：碳34.0%、氢53.2%、氧12.0%和氮0.8%（原子个数百分比）,对应的OM/OC（有机物与有机碳质量比）平均值为1.66±0.16.采用正矩阵因子解析（PMF）模型对有机气溶胶高分辨质谱进行因子解析,得到三类有机气溶胶：HOA（还原态有机气溶胶）,SV-OOA（半挥发氧化态有机气溶胶）和LV-OOA（低挥发氧化态有机气溶胶）,分别占有机物总量的31.3%,39.8%和28.9%,说明二次有机气溶胶（以SV-OOA和LV-OOA之和代表）是有机气溶胶的主体部分.结合气团来源分析不同时段PM1化学组成和粒径分布特征表明,大运会召开期间PM1质量浓度水平比整个观测期间的平均值低60.7%,是气团来自洋面等有利气象条件和黄标车限行等污染源控制措施的综合作用结果.