仪器概述

气溶胶化学组成在线监测仪(ACSM,Ng et al., 2011)是由美国飞行器研究公司(Aerodyne Research, Inc.)制造。该仪器能够实时并直接地定量测量和显示 PM2.5 (0.1-2.5 µm) 或者 PM1.0 (0.04-1.0 µm) 气溶胶中非难熔性组分(简称: NR-PM2.5或者NR-PM1)的质量浓度和化学组成,包括有机物、硫酸盐、硝酸盐、氨盐和氯离子。通过对有机气溶胶质谱进行正矩阵因子解析(PMF), 可以区分和得到不同种类的有机气溶胶,包括HOA(烃类有机物,主要为一次燃烧源排放),OOA(氧化态有机物,主要为二次有机气溶胶)和BBOA(生物质燃烧示踪物)等。

基于中国足彩网(Aerodyne-AMS)相同开发的ACSM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还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。便于数据实时上传到监测平台,更为简洁方便。

ACSM的特点:实时在线、直接定量、维护简单、分辨率高、数据上传

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图 1 . ACSM-PM2.5实物照片

尺寸/重量: 86.36 cm x 49.53 cm x 86.36 cm /64 kg

应用范围

  1. 大气气溶胶浓度连续在线监测;
  2. 气溶胶中铵、硝酸盐、硫酸盐、氯盐及有机物的化学组分分析;
  3. 将有机气溶胶分解成HOA(碳水化合物,可标识一次燃烧源)和OOA(氧化有机物,可标识二次燃烧源)。
  4. 常规空气质量监测, 源特征,光学/CCN闭合试验
  5. 气溶胶烟雾箱实验和工业过程控制

技术指标

测量粒径范围: 0.1µm - 2.5µm; 或0.04μm - 1μm(空气动力学)
检出限

(30 分钟)

有机物: 0.3 μg·m-3
硫酸盐: 0.4 μg·m-3
硝酸盐: 0.2 μg·m-3
氨  盐: 0.5 μg·m-3
氯离子: 0.2 μg·m-3
时间分辨率: 可调节,通常选用 10-30分钟
采样流量: 85cc/min (体积流速)
电源/能耗: 85-264 VAC, 47-63 Hz / 300 W

应用案例

这里介绍的应用案例取自中国科学院大气物理研究所于2011年11月21日至2012年1月20日在北京的观测试验,详细内容请参考孙业乐等的论文(Sun et al., 2013)。

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图 2. 观测期间 (a) 气象要素(相对湿度、气温、降水量、风速、风向、气压、太阳辐射); (b) NR-PM1 和PM2.5 质量浓度;(c) NR-PM1 化学组成 (Org, SO4, NO3, NH4, Chl) 的时间序列。 灰色阴影部分表示气溶胶浓度较低的时段。

图2展示了观测期间气象要素、ACSM测量的NR-PM1 和TEOM测量的PM2.5随时间的变化状况。从图2b可知,观测期间NR-PM1的质量浓度随时间变化很大,其日平均值的变化范围是6.6 - 192 μg·m-3,高、低污染时期交替出现,PM2.5的变化同NR-PM1的变化几乎同步。

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图3. 整个观测期间平均NR-PM1 和有机物化学组成比例图。

从图2c和图3可知,观测期间NR-PM1的最主要成分是有机物(52%),之后依次为硝酸盐(16%),硫酸盐(14%),铵盐(13%)和氯化物(5%)。对有机气溶胶质谱进行正矩阵因子解析(PMF)进一步发现冬季北京地区有机物的主要来自:煤碳燃烧(CCOA,33%), 天然气燃烧(COA,19%),柴油燃烧(HOA,17%),以及氧化态二次有机气溶胶(OOA,31%)。

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图 4. 观测期间SOA 与POA 的关系;散点的颜色代表NR-PM1 中有机物的质量分数,散点大小代表PM1 的质量大小;

    图4表明SOA与POA之间完全不同的特征,它们的相关系数为0.28;POA占主要部分,而当POA浓度比例增加时,HOA的贡献更大。图5是通过PMF分析冬季OA谱图得出四类(HOA、COA、CCOA、OOA)主要成分及其时间序列;其中HOA主要为柴油燃料燃烧排放的未氧化气溶胶,COA对OA的平均贡献约为19%,用餐时间高达32%;而CCOA在冬季供暖期对OA的平均贡献为33%,午夜时浓度较高(18 μg·m-3);OOA在冬季空气清洁时占OA的比例较高(40%),表明北京冬季以一次污染物为主。

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图5. 观测期间,HOA、COA、CCOA、OOA的质谱图及质量浓度的时间序列。

结构与原理

ACSM主要由进样口(Aerosol Inlet)、空气动力透镜(Aerodynamic Lens)、真空系统(Vacuum Chamber)(包括三个涡轮泵(Turbo Pumps)和一个隔膜泵(Diaphragm Pump))、热蒸发(Thermal Vaporization)和电子轰击离子化(Impact Ionization)装置、四极杆质谱仪(Quadrupole)以及数据采集系统(Data Collection)六部分组成。

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图6. ACSM工作原理示意图

ACSM的工作原理:

  1. 气溶胶随着气流进入进样口;
  2. 气溶胶经过空气动力学透镜时被聚焦成一个直径约为 1 毫米的粒子束;
  3. 真空系统有效地分离气体和气溶胶;
  4. 气溶胶在热蒸发和电子轰击装置被气化和离子化;
  5. 离子碎片经四极杆质谱仪检测,然后通过以太网记录到数据系统中。

参考文献

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  8. 更多参考文献,请查看中国足彩网