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真空紫外光电离成核气溶胶质谱仪测量超细纳米颗粒物的化学成分
温作赢，唐小锋，王涛，顾学军，张为俊
摘要将自行研制的真空紫外光电离成核气溶胶质谱仪用于实时在线测量超细纳米颗粒物（Dp < 100 nm）的化学成分。此气溶胶质谱仪采用商品化的纳米扫描电迁移率粒径谱仪（Nano-scanning mobility particle sizers, Nano-SMPS），选择出单分散粒径的超细纳米颗粒物，结合空气动力学透镜传输和聚焦超细纳米颗粒物进入真空腔体，进而在加热棒表面热解析气化成气态的分子，分子吸收真空紫外放电灯的光子能量（hν = 10.6 eV）在其电离能阈值附近“软”电离，通过反射式飞行时间质量分析器从分子水平上在线测量获得超细纳米颗粒物的化学成分。同时，以单分散粒径的邻苯二甲酸二辛酯（Dioctyl Phthalate, DOP, C24H38O4）、α-蒎烯（α-pinene, C10H16）臭氧氧化成核反应生成的超细纳米颗粒物作为示例，结合真空紫外光电离成核气溶胶质谱仪对其化学成分进行检测分析，并对仪器性能进行了应用表征。
DOI: 10.19756/j.issn.0253-3820.191648
关键词真空紫外光电离质谱；超细纳米颗粒物；化学成分；α-蒎烯
01引言
作为大气中主要的污染物，气溶胶颗粒物对全球气候、空气质量和人体健康等有深远的影响[1]。其中，粒径位于纳米尺度的超细纳米颗粒物（Dp < 100 nm），其比例可占到大气中总颗粒物数密度的80%以上[2]，其粒径可进一步增大，吸收和散射太阳光，使大气能见度降低，形成污染天气和雾霾等。同时，超细纳米颗粒物的粒径非常小，具有的比表面积大，吸附的有害物质多，更易于沉积到人的呼吸和心血管系统，危害人体健康。在线检测超细纳米颗粒物的化学成分，对于认识气溶胶颗粒物的成核和生长机制、揭示大气复合污染成因等具有重要意义。
基于质谱技术具有检测灵敏度高、时间响应快等特点，研究者发展了多种类型的气溶胶质谱仪器，用于测量气溶胶颗粒物的化学成分[3~6]。气溶胶质谱仪一般可分为两大类，以检测单颗粒化学成分为主的气溶胶飞行时间质谱仪（Aerosol time-of-flight massspectrometer, ATOFMS）[7]，以美国Aerodyne公司产品为代表的检测一系列颗粒物成分的气溶胶质谱仪（Aerosol mass spectrometer, AMS）[8]。近年来，国内气溶胶质谱仪器发展也很迅速，如可在线测量空气动力学直径和化学成分的单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪[9]、单颗粒气溶胶质谱仪[10,11]、同步辐射光电离气溶胶质谱仪[12]和真空紫外放电灯气溶胶质谱仪[13]等。其中，空气动力学透镜由于能够传输较宽粒径范围内的颗粒物，作为大气压进样接口在气溶胶质谱仪中获得了广泛应用[14]。但是，受限于超细纳米颗粒物的布朗运动和扩散运动影响，空气动力学透镜难以传输粒径小于50 nm的颗粒物[15,16]。目前，用于测量超细纳米颗粒物化学成分的气溶胶质谱仪较少，主要限于美国Delaware大学Johnston等研制的纳米气溶胶质谱仪（Nanoaerosol mass spectrometer, NAMS）[17]和美国国家大气研究中心Smith等研制的热解析化学电离质谱仪（Thermal desorption chemical ionization mass spectrometer,TDCIMS）[18]，相关的超细纳米颗粒物化学成分数据十分缺乏。
针对上述问题，本研究研制了一台真空紫外光电离成核气溶胶质谱仪，用于在线测量超细纳米颗粒物的化学成分。采用商品化的纳米扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪（Nano-scanning mobility particlesizers, Nano-SMPS），选择出具有单分散粒径的超细纳米颗粒物，通过设计新的空气动力学透镜大气压进样接口，实现了超细纳米颗粒物的大气压传输和聚焦，利用热解析气化和真空紫外光阈值“软”电离，结合垂直引入反射式飞行时间质量分析器，从分子水平上在线检测获得超细纳米颗粒物的化学成分。
02实验部分
TOC图及说明
研制了一套真空紫外光电离气溶胶质谱仪，用于在线检测超细纳米颗粒物化学组分。采用新型的空气动力学透镜对超细纳米颗粒物进行聚焦和传输，颗粒物热解析气化成气态的分子并吸收真空紫外光后发生“软”电离，由反射式飞行时间质谱分析器获得超细纳米颗粒物的分子成分信息。
A vacuum ultraviolet photoionization nucleation aerosol mass spectrometer (VUVPI-AMS) has been developed to probe chemical compositions of ultrafine nanoparticles with size of less than 100 nm. A novel aerodynamic lens is designed to focus and transform ultrafine nanoparticles. With the VUV soft ionization technique, the molecular compounds in the nanoparticles produced from DOP and the ozonolysis nucleation of α-pinene have been studied.
03结论
采用商品化的纳米扫描电迁移率粒径谱仪，结合特定结构的空气动力学透镜大气压进样接口、热解析气化、真空紫外光阈值“软”电离和反射式飞行时间质谱等技术，研制了一台真空紫外光电离成核气溶胶质谱仪。同时，本研究通过模型体系对真空紫外光电离成核气溶胶质谱仪进行了应用表征，实现了在分子水平在线测量获得超细纳米颗粒物的化学成分。真空紫外光电离成核气溶胶质谱仪对单分散粒径为40和60nm的DOP超细纳米颗粒物的检测灵敏度约为1.2 × 105 cm─3，2.7× 104 cm─3，并对α-蒎烯臭氧氧化成核反应产生的超细纳米颗粒物化学成分进行了检测。
封面文章链接：/article/doi/10.19756/j.issn.0253-3820.191648
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作者简介
唐小锋
唐小锋博士，中国科学院安徽光学精密机械研究所副研究员、硕士生导师。唐小锋博士多年来从事质谱仪器研制、应用及相关的物理化学研究工作。自行设计和研制了高灵敏真空紫外光电离质谱仪、光电子光离子符合质谱仪和大气成核气溶胶质谱仪等多台具有自主知识产权的先进仪器，发展了真空紫外光电离质谱和光电子光离子符合等检测新方法，申报获得多项国家发明专利；同时，利用自己研制成功的仪器，开展大气污染和燃烧过程中关键分子和自由基的光电离质谱和反应动力学研究，精确测量了其光谱、结构和动力学信息，取得了多项创新研究成果。近年来在Rev. Sci. Instrum.、Phys. Chem. Chem. Phys.、J. Chem. Phys.等期刊上发表论文50多篇。
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