PDF《PS W 22 W》

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2 2 P D F ( T r i a l V e r s i o n ) W W W .

C C Y T . N E T 可移动激光质谱仪的研制与应用 顾学军* 方黎郑海洋 孔祥和 周留柱 朱元张玉莹 胡睿马靖张为俊 ( 中 国科学院安徽光学精密机械研究所环境光谱学实验室, 合肥

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0 0

3 1 ) 摘要激光质谱法是 一种新的环 境测污 方法, 具有高 灵敏度、 高选 择性、 多组分 同 时测 量和快 速实 时的 特点.本研究介绍了新近 研制的可移动激光质谱仪的系统结构、 各部分功 能、 原理 以及 主要技 术指标.该仪 器 能在大气压下采样, 并 在设计过程中解决了记忆效应, 使用输出 波长

2 4 8n m的KrF准分 子激光器, 可以对 芳 香烃进行多组分同时检 测.该仪器对机动车尾气中苯系物含量的 实时在线测 量结果 表明, 尾气中 含有苯、 甲苯、 二甲苯、 三甲苯、 萘、甲基萘等多种芳香烃污染物, 检测的灵敏度达

0 . 1m g / m

3 , 时 间响应可达

0 . 1s . 关键词 激光质谱法, 机动车尾气, 可移动激光质谱仪, 共振增强多光子电离

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0 3 -

1 2 -

2 9收稿;

2 0

0 4 -

0 6 -

2 6接受 本文 系中国 科学 院创新 基金 资助项 目1引言城市中机动车大量增加, 机动车尾气的大量排放, 已成为城市中空气质量下降的主要原因.芳香族 化合物是机动车尾气的重要污染成分, 它不仅含有单环的苯系物, 还有

3 0多种多环芳烃成分.苯系物 是导致白血病的元凶, 一些多环芳烃如苯并芘等已经被确认有强致癌效应.目前, 几乎所有芳香族污染 物的检测方法都需要对样品进行预浓缩处理 [1 , 2] , 先让它们附着到具有吸附性的载体上, 然后用适当的 溶剂把待分析物萃取出来再用气相色谱/ 质谱或液相色谱 / 荧光等方法进行分析.这些方法需要很长的 时间以让足够多量的待分析物被吸附, 因而复杂耗时, 样品要经前期预处理, 无法做到快速在线监测. 激光质谱法是共振增强多光子电离技术( R E MP I ) 和飞行时间质谱技术( T O F -M S ) 的完美结合 [3 , 4] , 具有选择性好、 灵敏度高、 时间响应快、 多组分同时测量等优点.目前, 已有德国、 美国和瑞士等国的多 个研究小组利用激光质谱法对燃烧废气中污染成分进行多组分、 实时在线测量 [5,

6 ] . 本实验采用自行研制的可移动激光质谱仪对机动车尾气中苯系污染物作了实时动态检测. 图1可移动激光质谱仪 结构示意图 F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f m o b i l e l a s e r m a s s s p e c t r o m e t e r

2 仪器结构和原理 为了满足户外实地测量的需要, 要求整机稳定、 坚固、 结构紧凑.对激光 器的要求是输出能量波动 小、 重复频率高和输出波 长处芳香类分子具有大的 电离效率.仪器装置主 要由飞行时间质谱仪、 快速 采样接口、 准分子激光器、 信号探测和数据处理等部 分.其结构示意图见图

1 .

2 .

1 飞行时间质谱仪 飞行时间质谱仪由电离室、 飞行管、 探测器及真 空系统等组成, 安装在体积为

1 . 5m*

0 . 7m*

1 . 3m 的可移动机架上.电离 室内有离子透镜、 离子聚焦 和偏转组件.离子透 镜由3块相互 平行的极 板组 成, 分别为排斥极、 加速 极和接地极.通常排斥极加

1 5

0 0V直流正电压, 加 速极加

1 3

0 0 V直流正电压. 进样管道出气口位于排 斥、 加速极板中央.离子聚 第33卷

2 0

0 5年 2月 分析化学 ( F E N X I H U A X U E ) 仪器装置与实验技术 C h i n e s eJ o u r n a l o f A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 第 2期

2 8 2~

2 8

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2 2 P D F ( T r i a l V e r s i o n ) W W W . C C Y T . N E T 焦系统由 3个等径同轴圆筒组成, 中间圆筒接负高压, 两边圆筒接地, 可以对 离子进行聚焦, 提高灵敏 度.离子偏转系统, 由两对互相垂直的平行极板组成, 以校正离子飞行方向. 飞行管长

1 . 2m , 为离子 自由飞行区, 其末端装有离子接收系统― ― ―微通道板( M C P ) .电离室、 飞行管 分别用 1台FB500涡轮 分子泵和 1台FB110涡轮分子泵抽真空, 2台分子泵共用 1台2XZ-8直联式真空泵作为前级泵.电离 室和飞行管的极限真空为 8*

1 0 -5 P a , 实验时的真空控制在

1 . 0*

1 0 -3 P a .

2 .

2 快速采样接口 实时在线检测采用大气压下的采样方式, 需要解决两个问题: (

1 ) 采样管 道内壁的吸附作用带来的 记忆效应;

(

2 ) 尾气( 1个大气压) 与质谱仪(<

1 0 -5 P a ) 之间巨大的压力差.该进样系统采用开放式 U 型管道结构, 用 1台 4L / s 直联机械真空泵抽取管道内的气体, 使气体在管道内快速流动, 避免堵塞和 混合.采样管道为 6m m的不锈钢管, 口部用

0 . 2m m , 3m m厚的小孔限制进样量.用 1根短的金 属针管把少量气流溢出到质谱仪的离子源区.针管长

4 0m m , 内径

0 . 2m m , 外径

1 . 2m m .整个进样管 道的外壁缠有加热带, 用于对管道进行加热, 以进一步减少管道内壁的记忆效应.由铂合金 P t

1 0 0温 度传感器控制加热温度, 保持在

2 4

0 ℃左右.

2 .

3 激光器和数据采集部分 本系统使用输出波长为

2 4 8n m的KrF准分子激光器( 加拿大 M P B技术公司) .该激光器具有体积 小(

2 0 0m m*

2 4 0m m*3

0 0m m ) 、 输出能量稳定( 脉冲-脉冲