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儀器概述

氣溶膠化學(xué)組成在線監(jiān)測(cè)儀（ACSM）能夠?qū)崟r(shí)并直接地定量測(cè)量和顯示 PM2.5 (0.1-2.5 µm) 或者 PM1.0 (0.04-1.0 µm) 氣溶膠中非難熔性組分（簡(jiǎn)稱: NR-PM2.5或者NR-PM1）的質(zhì)量濃度和化學(xué)組成，包括有機(jī)物、硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽和氯離子。通過對(duì)有機(jī)氣溶膠質(zhì)譜進(jìn)行正矩陣因子解析(PMF), 可以區(qū)分和得到不同種類的有機(jī)氣溶膠，包括HOA（烴類有機(jī)物，主要為一次燃燒源排放），OOA（氧化態(tài)有機(jī)物，主要為二次有機(jī)氣溶膠）和BBOA（生物質(zhì)燃燒示蹤物）等。

基于氣溶膠質(zhì)譜儀（AMS）相同開發(fā)的ACSM采用商業(yè)級(jí)的四極桿質(zhì)譜儀，相對(duì)而言體積小、價(jià)格低、維護(hù)簡(jiǎn)單、易于操作，使其更適用于長(zhǎng)期無人照看的日常監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

新版的ACSM還可以實(shí)時(shí)輸出常用格式（.csv，.dat）的化學(xué)組分濃度數(shù)據(jù)和儀器狀態(tài)參數(shù)。便于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，更為簡(jiǎn)潔方便。

ACSM的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)在線、直接定量、維護(hù)簡(jiǎn)單、分辨率高、數(shù)據(jù)上傳

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圖 1 . ACSM-PM2.5實(shí)物照片

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

應(yīng)用范圍

  1. 大氣氣溶膠濃度連續(xù)在線監(jiān)測(cè)；
  2. 氣溶膠中銨、硝酸鹽、硫酸鹽、氯鹽及有機(jī)物的化學(xué)組分分析；
  3. 將有機(jī)氣溶膠分解成HOA（碳水化合物，可標(biāo)識(shí)一次燃燒源）和OOA（氧化有機(jī)物，可標(biāo)識(shí)二次燃燒源）。
  4. 常規(guī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè), 源特征,光學(xué)/CCN閉合試驗(yàn)
  5. 氣溶膠煙霧箱實(shí)驗(yàn)和工業(yè)過程控制

技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量粒徑范圍： 0.1µm - 2.5µm; 或0.04μm - 1μm（空氣動(dòng)力學(xué)）
檢出限

（30 分鐘）

 有機(jī)物: 0.3 μg·m-3
硫酸鹽: 0.04 μg·m-3
硝酸鹽: 0.02 μg·m-3
氨  鹽: 0.5 μg·m-3
氯離子: 0.2 μg·m-3
時(shí)間分辨率： 可調(diào)節(jié)，通常選用 10-30分鐘
采樣流量： 85cc/min (體積流速)
電源/能耗： 85-264 VAC, 47-63 Hz / 300 W

應(yīng)用案例

這里介紹的應(yīng)用案例取自中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所于2011年11月21日至2012年1月20日在北京的觀測(cè)試驗(yàn)，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考孫業(yè)樂等的論文（Sun et al., 2013）。

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圖 2. 觀測(cè)期間 (a) 氣象要素（相對(duì)濕度、氣溫、降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、太陽輻射）； (b) NR-PM1 和PM2.5 質(zhì)量濃度;(c) NR-PM1 化學(xué)組成 (Org, SO4, NO3, NH4, Chl) 的時(shí)間序列。 灰色陰影部分表示氣溶膠濃度較低的時(shí)段。

圖2展示了觀測(cè)期間氣象要素、ACSM測(cè)量的NR-PM1 和TEOM測(cè)量的PM2.5隨時(shí)間的變化狀況。從圖2b可知，觀測(cè)期間NR-PM1的質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化很大，其日平均值的變化范圍是6.6 - 192 μg·m-3，高、低污染時(shí)期交替出現(xiàn)，PM2.5的變化同NR-PM1的變化幾乎同步。

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圖3. 整個(gè)觀測(cè)期間平均NR-PM1 和有機(jī)物化學(xué)組成比例圖。

從圖2c和圖3可知，觀測(cè)期間NR-PM1的最主要成分是有機(jī)物（52%），之后依次為硝酸鹽（16%），硫酸鹽（14%），銨鹽（13%）和氯化物（5%）。對(duì)有機(jī)氣溶膠質(zhì)譜進(jìn)行正矩陣因子解析（PMF）進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)冬季北京地區(qū)有機(jī)物的主要來自：煤碳燃燒（CCOA，33%）, 天然氣燃燒（COA，19%），柴油燃燒（HOA，17%）,以及氧化態(tài)二次有機(jī)氣溶膠（OOA，31%）。

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圖 4. 觀測(cè)期間SOA 與POA 的關(guān)系；散點(diǎn)的顏色代表NR-PM1 中有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，散點(diǎn)大小代表PM1 的質(zhì)量大?。?/p>

    圖4表明SOA與POA之間完全不同的特征，它們的相關(guān)系數(shù)為0.28；POA占主要部分，而當(dāng)POA濃度比例增加時(shí)，HOA的貢獻(xiàn)更大。圖5是通過PMF分析冬季OA譜圖得出四類（HOA、COA、CCOA、OOA）主要成分及其時(shí)間序列；其中HOA主要為柴油燃料燃燒排放的未氧化氣溶膠，COA對(duì)OA的平均貢獻(xiàn)約為19%，用餐時(shí)間高達(dá)32%；而CCOA在冬季供暖期對(duì)OA的平均貢獻(xiàn)為33%，午夜時(shí)濃度較高（18 μg·m-3）；OOA在冬季空氣清潔時(shí)占OA的比例較高（40%），表明北京冬季以一次污染物為主。

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圖5. 觀測(cè)期間，HOA、COA、CCOA、OOA的質(zhì)譜圖及質(zhì)量濃度的時(shí)間序列。

結(jié)構(gòu)與原理

ACSM主要由進(jìn)樣口(Aerosol Inlet)、空氣動(dòng)力透鏡(Aerodynamic Lens)、真空系統(tǒng)(Vacuum Chamber)（包括三個(gè)渦輪泵(Turbo Pumps)和一個(gè)隔膜泵(Diaphragm Pump)）、熱蒸發(fā)(Thermal Vaporization)和電子轟擊離子化(Impact Ionization)裝置、四極桿質(zhì)譜儀(Quadrupole)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Data Collection)六部分組成。

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圖6. 工作原理示意圖

ACSM工作原理：

  1. 氣溶膠隨著氣流進(jìn)入進(jìn)樣口；
  2. 氣溶膠經(jīng)過空氣動(dòng)力學(xué)透鏡時(shí)被聚焦成一個(gè)直徑約為 1 毫米的粒子束；
  3. 真空系統(tǒng)有效地分離氣體和氣溶膠；
  4. 氣溶膠在熱蒸發(fā)和電子轟擊裝置被氣化和離子化；
  5. 離子碎片經(jīng)四極桿質(zhì)譜儀檢測(cè)，然后通過以太網(wǎng)記錄到數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

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  8. 更多參考文獻(xiàn)，請(qǐng)查看氣溶膠質(zhì)譜儀。