基于比例积分-双流法的湿度可调配气系统的研制

浓度校准是气体分析仪器实现准确定量检测的前提,浓度校准需采用气体稀释系统。本研究将比例积分（Proportional integral, PI）算法与双流法结合,发展了一种新的湿度控制方法,即PI-双流法,并基于此建立了一套具有湿度调控功能的气体稀释新系统。首先,对系统中重要部件加湿器的性能进行考察,结果表明,加湿器出口处的相对湿度（Relative humidity, RH）存在一定波动（96%～103%）,因此,本系统通过引入自整定PI控制算法来减小波动对整个系统湿度控制精度的影响。随后,对新系统的性能进行考察,结果表明,本系统的RH调控范围为5%～100%, RH准确度最高可达0.026%RH(25℃,100%RH),调节时间最快可达38 s (25℃,500 mL/min),可跟踪周期大于175 s的正弦输入。在不同温度和RH条件下,研究了湿度对PTR-MS反应离子分布的影响,结果表明,本系统可在较宽湿度范围（10%～100%）内满足进样流量大且连续进样气体分析仪器（如PTR-MS）的应用需求。本系统有望用于受湿度影响的气体测量仪器的校准。     

离子检测仪器中新型直流—射频聚焦电场电极结构性能研究

基于直流—射频电极结构对离子的径向和轴向聚焦理论,以离子检测仪器中质子转移反应质谱检测技术为例,对该新型电极结构展开理论和实验研究,相比于静电场电极结构,直流—射频聚焦电场电极结构的性能更好,丙酮产物离子强度提高了近10倍,初步的实验结果表明该结构对于提高离子相对透过率具有较大潜力,同时,该新型直流—射频聚焦电场电极结构对于提高其他类型的离子检测仪器性能将具有一定的应用潜力和参考价值.     

离子检测仪器中离子运动轨迹模拟研究

结合Simon 7.0程序编程,将最新而又最经典的离子与分子碰撞模型即Monte Carlo算法应用于离子运动轨迹模拟.本文以离子检测分析技术中的代表质子转移反应质谱(PTR-MS)检测技术为例,结合PTR-MS实验条件,实现了在1.0 Torr和298.15 K条件下对处于均匀电场漂移管中反应离子H3O+的运动轨迹模拟.根据离子运动轨迹模拟和统计分析,为离子检测分析技术性能优化进而提高离子的透过率提供理论支撑和参考,该理论模拟方法在提高离子检测分析技术及其同类检测仪器灵敏度方面显示出一定的应用优势和潜力.     

质子转移反应质谱动态测量苯系物的亨利常数

采用动态气体提取方法, 使用自行研制的质子转移反应质谱(PTR-MS)装置, 研究了挥发性苯系物亨利常数的测量方法. 考察了苯在提取气体与水溶液中达到平衡需要的液面高度, 通过25 ℃条件下苯的亨利常数测量验证了动态气体提取方法结合质子转移反应质谱测量亨利常数的有效性, 报告了11种苯系物的亨利常数测量结果. 与常规的亨利常数测量方法相比, 本方法具有简单、快速、人为干扰少等优点.     

大气挥发性有机物实时在线监测的双极性质子转移反应质谱仪研制

大气中挥发性有机物(VOCs)能参与光化学反应,导致臭氧和气溶胶等二次污染物的产生,实时精准地监测VOCs对于大气污染成因研究具有重要意义。在质子转移反应质谱(PTR-MS)研究基础上,本工作研制一套用于大气VOCs实时在线监测的双极性质子转移反应质谱仪(Dipolar proton transfer reaction mass spectrometer,DP-PTR-MS)。相比单一反应离子H_3O~+的常规PTR-MS,DP-PTR-MS中有正负3种反应离子(H_3O~+、OH~-、(CH_3)_2COH~+),可根据实际检测需要选择切换,提高定性能力,并有效扩展检测范围。其中,H_3O~+反应离子用于检测质子亲和势大于H_2O的VOCs;OH~-反应离子可与H_3O~+反应离子配合识别VOCs,还可用于检测CO_2等无机物;(CH_3)_2COH~+反应离子可在排除干扰的情况下准确检测NH_3。利用6种标准气体测定DP-PTR-MS检出限和灵敏度,结果表明,DP-PTR-MS对甲苯的检出限为7×10~(-12)(V/V),对氨气的灵敏度为126.0 cps/10~(-9)(V/V)。利用DP-PTR-MS对合肥市区大气VOCs开展连续78h实时在线监测验证实验,结果表明,DP-PTR-MS可对大气中10~(-12)(V/V)量级VOCs进行长期实时在线监测,可作为大气污染成因研究和痕量VOCs排放监测的重要工具。     

呼气中挥发性硫化物的质子转移反应质谱在线检测

利用自主研制的高灵敏呼气检测质子转移反应质谱(PTR-MS),对一名口臭受试者的口腔吹出气体、鼻子呼出气体和口腔内气体分别进行多组分实时监测,发现了该受试者呼气中3种引起口臭的挥发性硫化物(VSCs)的来源并不相同,其中甲硫醇主要来源于口腔,硫化氢和二甲基硫则主要来源于肺或呼吸道.本研究不仅发现了口腔内气体在PTR-MS呼气监测过程中的特征变化趋势,还分析了呼出气体中3种VSCs的来源,对于呼气的正确采样和检测具有重要的指导意义.     

非对称离子门控制方法和对离子迁移谱分辨率的改善

为了改进离子门的驱动方式,简化离子门驱动电源设计和提高离子迁移谱分辨率,通过增加一组电阻实现离子门两端的不对称供电,再对低电压端的电压进行控制实现离子门功能。分析了该方式下的两种情况对迁移管内的电场、离子迁移谱的分辨率和信噪比的影响。借助SIMION7.0对离子门两边的电场分布进行了模拟和比较,并应用数值化拉普拉斯方程的方法计算了迁移管轴线的电场数据。实验证明：相比常规迁移谱的离子门浮地驱动电源,这种驱动方法成本低,离子门电源的设计简单,能够明显提高离子迁移谱的分辨率。该方法能够应用于离子迁移谱的测量仪器或实验设备。     

TATP的质子转移反应的质谱研究

利用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/cc-pVDZ水平上, 对三过氧化三丙酮(Triacetone triperoxide, TATP)及其质子化离子[TATP+H]+进行了构型优化和质子亲和势(Proton Affinity, PA)计算, 研究结果表明, PA(TATP)=866.73 kJ/mol大于PA(H2O)=691.0 kJ/mol, TATP与H3O+可发生质子转移反应. 在自行研制的质子转移反应质谱(Proton transfer reaction mass spectrometry, PTR-MS) 装置上, 研究了TATP与H3O+反应生成的特征离子. 当漂移管中E/N=1.4×10-15 V·cm2时, 在荷质比m/z=91, 75, 74, 59, 43等处观察到了产物离子. 降低E/N至0.5×10-15 V·cm2后, 在m/z=223处观察到了质子化产物离子([TATP+H]+), 验证了计算结果; 结合[TATP+H]+的构型, 分析了TATP质子转移反应产物离子可能的归属及其形成过程. 结合PTR-MS漂移管内E/N的改变引起m/z=223, 91, 43等离子的变化特征, 可实现TATP的准确识别和快速定量检测, 检测下限达到5.0×10-10 mol/L(±50%).     

大气压氩直流微放电光谱研究

微空心阴极放电或微放电是一种能够实现高气压下放电的有效方法.利用不锈钢空心针作阴极,不锈钢网作阳极,进行了大气压氩直流微放电实验研究.测量了大气压氩微放电光谱,发现氩气的发射谱线主要集中在690～860 nm范围,且全部为氩原子4p-4s的跃迁.实验研究了不同放电电流、气体压强、气体流量与谱线强度之间的关系,发现谱线强度随放电电流、气体流量增加均增加,而谱线强度随压强变化呈现不同特征:谱线强度随压强的增加先增加后降低,在13.3 kPa时强度最大.此外,选用跃迁波长为763.51和772.42 nm的两条光谱线,利用发射谱线强度比值法测量了氩气微放电等离子体的电子激发温度.结果显示,其电子激发温度处于2 000～2 800 K之间,且随放电电流的增加而增加,随气体压强和气体流量的增加而降低.     

高血糖人群呼气标志物的质子转移反应质谱研究

利用自制的质子转移反应质谱(PTR-MS)探索了高血糖人群呼气特征挥发性有机物(VOCs),利用改进的呼气分析系统对70名血糖含量正常志愿者与22名高血糖志愿者的呼气进行实时在线分析,数据统计分析采用Mann-Whitney U非参数检验和线性判别分析法。实验结果表明两组受试者呼气存在5种差异VOCs,该5种VOCs的质荷比(m/z)分别为61、31、120、104、82。其线性判别模型的受试者工作曲线(Re-ceiver operating curve,ROC)下面积达到0.926,灵敏度和特异度分别为86.4%和84.3%,该模型有一定的诊断价值。考察了两组志愿者呼气中丙酮含量的分布情况,统计分析结果显示两组的丙酮含量无显著性差异,丙酮含量与血糖浓度间也无显著相关性。