气溶胶质谱仪的研制以及其在有机气溶胶质谱和非均相化学反应方面的应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 高绍凯 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 束继年 |
| 关键词 | 气溶胶质谱仪 真空紫外光电离 多环芳烃 在线检测 非均相反应机理 Aerosol Mass Spectrometer Vacuum Ultraviolet Photoionization Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Online Analysis Mechanism of Heterogeneous Reaction. |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 本论文主要描述了实验室自组装设计的一台真空紫外光电离气溶胶飞行时间质谱仪 （VUV-ATOFMS），并利用此VUV-ATOFMS 对内蒙古烟煤燃烧或热解过程中所释放颗粒 物的化学组分以及大气中所含的比较典型的多环芳烃如芘（ pyrene ） 和苯并蒽 （benzo(a)anthracene）颗粒物等与臭氧的非均相反应进行了比较初步系统的研究。主要研 究成果如下： （1）参与设计，组装，调试并且成功运行了一台真空紫外光气溶胶飞行时间质谱仪 （VUV-ATOFMS）。仪器主要由三个部分构成，即：束源室，差分室，检测室。简单来说： 样品由一个直径0.12 mm 的小孔进入到气动聚焦透镜聚焦成约1 mm 的粒子束流后，在电 离区由一个铜制加热头加热粒子束流来实现对颗粒物束流的气化，其后所产生的蒸汽被真 空紫外光电离，产生的离子被离子光学系统提取进入无场飞行区，经过离子反射镜反射后， 由微通道板检测器实现对离子的检测，最后由高速数据采集卡完成对信号的采集。经过调 试，本仪器的灵敏度达到了3~5 μg/cm3，分辨率m/Δm 达到了1000 左右。本实验室自主设 计的这台VUV-ATOFMS 是国际上第二台，国内第一台将真空紫外灯作为气溶胶质谱仪的 电离源的仪器，与目前两大商业化的气溶胶质谱仪（Aerodyne&TSI）相比较，其特点是采 用真空紫外光软电离的方法实现对有机气溶胶的电离，所得到的有机气溶胶的质谱图上以 分子离子峰的信号为主，从而可以利用此仪器分析成分复杂的有机气溶胶样品。其研究水 平得到了国际同行的认可，有关其详细的研究成果已经被国际杂志“Aerosol Science & Technology”所发表。 （2）利用VUV-ATOFMS 在线检测了内蒙古烟煤（蒙精煤）热解和燃烧过程中所排放的芳 香族化合物的种类，并且结合参考文献初步推测了烟煤在热解和燃烧过程中芳香族化合物 的生成机理。本实验中利用VUV-ATOFMS 对蒙精煤的热解和燃烧过程进行了快速实时的 监测。VUV-ATOFMS 和GC/MS 对煤烟热解和燃烧所生成的烟尘的芳香族组分的分析结果 显示， 其排放的颗粒物中芳香族的组分大致可以分为三类，即多环芳烃（PAHs），含氧多 环芳烃（OPAHs），烷基化多环芳烃（Aryl-PAHs）。并且GC/MS 所检测到的55 种芳香族 的组分在VUV-ATOFMS 中检测到54 种相应的物种所对应的质谱峰。本实验采用在线分析 方法研究了烟煤热解和燃烧所排放的颗粒物的化学组分随着温度和加热时间的变化情况，从而实现了真正意义上的在线实时分析。比较国际上采用气溶胶质谱仪进行的其它类似研 究，例如对柴油机，汽油机发动时所排放的颗粒物组分以及树木，香烟燃烧或热解时所排 放的颗粒物的化学组分的实时监测分析等，本研究无疑对于研究大气污染物的来源，种类 等问题具有重要的贡献，而且也更适合中国的国情。虽然本研究是基础性的研究，但却为 后续的类似研究提供了重要的参考数据。有关其详细的研究成果已经在国际杂志 “International Journal of Mass Spectrometry”以及“Science of the Total Environment”上发表。 （3）利用VUV-ATOFMS 研究了芘（pyrene）与苯并蒽（benzo(a)anthracene）颗粒物与臭 氧进行非均相反应，推导了其所生成的产物类型，并且对非均相反应的反应通道和机理进 行了初步的研究。实验证明，臭氧主要通过“原子攻击”和“键攻击”两种方式与芘和苯 并蒽颗粒物进行反应。对于芘与臭氧的非均相反应来说， 其主要的反应产物为 4-carboxy-5-phenanthrene-carboxyaldehyde (71%)和hydroxypyrene (23%)；而对于苯并蒽颗 粒物与臭氧的非均相反应来说，其主要的反应产物为2-(2-formyl)phenyl-3-naphthoic acid (35%)，hydroxybenz[a]anthrone (30%)和benz[a]anthracene-7,12-dione (18%)。本论文在国际 上第一次研究了芘与苯并蒽的颗粒物在大气环境的条件下进行的非均相反应的产物认证， 并且进行了相应的机理推导研究。本研究进行了实验方法上的创新，即采用将PAHs 的颗 粒物置于悬浮态（在烟雾箱中）的反应条件下进行非均相化学反应，比较以往将PAHs 颗 粒物涂覆在基质上（聚集态）的类似研究，其更接近于真实大气环境下PAHs 的存在状态。 因此，虽然我们的研究还处于比较初级的阶段，但是其对于揭示真实大气环境下此类化合 物的迁移转化行为具有十分重要的指导意义。并且，本研究也为后续的类似研究在实验方 法上提供了重要的参考。有关其详细的研究成果已经在国际杂志“Atmospheric Environment” 上发表。目前，本实验室正在开展有关PAHs 颗粒物的非均相反应动力学方面的研究。 |
| 学科主题 | 环境化学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-06-04 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/317]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_大气环境科学实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高绍凯. 气溶胶质谱仪的研制以及其在有机气溶胶质谱和非均相化学反应方面的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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