在线全自动大气雾霾化学组分分析装置的制作方法

本申请涉及大气雾霾分析，特别是涉及一种在线全自动大气雾霾化学组分分析装置。

背景技术：

大气雾霾对于人体身体健康，大气能见度，酸沉降，和气候变化都有显著影响。理解雾霾的来源十分依赖于先进的大气雾霾检测仪器。雾霾的化学成分十分复杂，主要包含硫酸盐，硝酸盐，铵盐，成千上万的有机物，无机碳，金属元素等等。复杂的成分对于雾霾的监测分析是个很大的挑战。监测技术有离线和在线监测之分。离线监测即传统的分析方法。它将大气雾霾颗粒物采集在滤膜上。随后，将滤膜(样品)进行预处理并用GC-MS或HPLC-MS等分析方法进行监测。离线监测的缺点：1.样品预处理会增加分析结果的误差；2.样品的周期比较长，导致无法扑捉到大气雾霾成分在时间上的变化，进而无法进行正确的源解析。然而，在线监测技术可以弥补这两个缺点。气溶胶质谱技术是最近二三十年发展迅速的在线监测大气雾霾的技术。其中，ATOFMS^1,2和AMS³是比较广泛使用的二种技术。ATOFMS主要用于在线监测有机碳，无机碳，矿尘，金属元素等。它的优点是能监测单个颗粒物的化学成分。它的缺点是定量差。AMS主要用于监测大气雾霾颗粒中的大部分的有机物和无机盐。它较之于ATOFMS的优点是定量好，但无法监测到无机碳和金属元素。同时，ATOFMS和AMS还无法将成千上万的有机物进行有效分离并检测。这使得精准源解析成为一个难题。在线监测技术相对于离线监测也有它的缺点，那就是价格昂贵，并会产生大量的数据，这使数据分析变得很有挑战。

总之，在线监测技术将成为未来发展的趋势。在现有的广泛使用的在线监测技术ATOFMS和AMS中，缺点之一是造价高。它们都使用真空系统，使得造价成本昂贵。缺点二是在这两种仪器中，任何一个都无法全面的定量的监测大气雾霾的组分。缺点三是这两种在线仪器无法对成千上万的有机物进行分离和检测，这是精准源解析的一个极大障碍。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种在线全自动大气雾霾化学组分分析装置，目标就是要解决现有在线监测技术中的三大缺点，一是降低成本，二是能全面的定量的在线自动监测大气雾霾中的组成成分，三是对大气雾霾中成千上万的有机物实现分子级别的分离，为精准源解析提供有力证据。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本申请实施例公开了一种在线全自动大气雾霾化学组分分析装置，包括：

样品收集装置，包括主管、副管，所述副管一端连通于大气，另一端设置有滤膜并延伸至所述主管底部，所述主管与副管之间密封连接，所述副管连通于大气的一端安装设置有第一阀门，所述主管底部连接设置有抽真空装置；

温控箱，所述主管位于所述温控箱内；

废气排放管，连通于所述副管，并设置有第二阀门；

进样管，连通于所述主管，开设于所述滤膜与所述抽真空装置之间，并设置第四阀门，所述进样管通向质谱仪或者气相色谱质谱联用仪；

惰性载气系统，包括第一支路与第二支路，所述第一支路通向所述副管，所述第二支路通向所述主管，所述第二支路开设于所述进样管与所述抽真空装置之间。

优选的，在上述的在线全自动大气雾霾化学组分分析装置中，所述抽真空装置设置有第三阀门。

优选的，在上述的在线全自动大气雾霾化学组分分析装置中，所述主管为石英主管，所述副管为石英副管，所述滤膜为石英滤膜。

优选的，在上述的在线全自动大气雾霾化学组分分析装置中，所述主管底部形成有石英多孔支架，所述滤膜位于所述石英多孔支架上。

优选的，在上述的在线全自动大气雾霾化学组分分析装置中，所述副管包括相互连通的第一支管与第二支管。

优选的，在上述的在线全自动大气雾霾化学组分分析装置中，所述第一支路与第二支路分别设置有第一流量控制器与第二流量控制器。

优选的，在上述的在线全自动大气雾霾化学组分分析装置中，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门均为球阀。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

1、造价低。相比于现在流行的AMS和ATOFMS高真空系统，本实用新型采用常压系统和惰性载气-氦气结合，使得造价成本降低，进而最终使得仪器价格降低，使得在全国范围内推广成为可能。

2、应用广。本实用新型可以和任何普通质谱或者气相色谱质谱联用连接，使得应用范围非常广。

3、具有分离有机物组分的特性。相比于AMS和ATOMFS将所有的有机物混合在一起，本实用新型对成千上万的有机化合物，通过控温箱程序升温或者气相色谱进行了有效的分离，使得基于示踪化合物的精准源解析成为可能。

4、定量化。本实用新型相比于现有的ATOFMS，它可以轻松实现定量化。通过在石英滤膜上滴一定量的硝酸铵试剂，通过升温加热，试剂气体通过质谱分析得到相应信号。试剂量和相应质谱信号的对应关系可以实现简单方便的样品定量化分析，从而为定量化源解析打下基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本实用新型具体实施例中在线全自动大气雾霾化学组分分析装置进样管连接质谱仪时的结构示意图；

图2所示为本实用新型具体实施例中进样管连接质谱仪时温控箱升温图；

图3所示为本实用新型具体实施例中进样管连接气相色谱质谱联用仪时温控箱升温图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

结合图1所示，进样管400连接质谱仪600时，在线全自动大气雾霾化学组分分析装置，包括：

样品收集装置100，包括主管110、副管120，副管120一端连通于大气，另一端设置有滤膜130并延伸至主管110底部，主管110与副管120之间密封连接，副管120连通于大气的一端安装设置有第一阀门140，主管110底部连接设置有抽真空装置160；

温控箱200，主管110位于温控箱200内；

废气排放管300，连通于副管120，并设置有第二阀门310；

进样管400，连通于主管110，开设于滤膜130与抽真空装置160之间，并设置第四阀门410，所述进样管400通向质谱仪600；

惰性载气系统500，包括第一支路510与第二支路520，第一支路510通向副管120，第二支路520通向主管110，第二支路520开设于进样管400与抽真空装置160之间。

在另一实施例中，质谱仪可以换成气相色谱质谱联用仪，即进样管可以通向气相色谱质谱联用仪，同样进行大气化学组分分析。

进一步地，抽真空装置160设置有第三阀门161。

进一步地，主管110为石英主管，副管120为石英副管，滤膜130为石英滤膜。

优选为石英材质，但是不限于石英材质，一切不影响实验的材质均应当属于本申请的范围。

进一步地，主管110底部形成有石英多孔支架150，滤膜130位于石英多孔支架150上。

进一步地，惰性载气系统500为氦气系统。副管120包括相互连通的第一支管121与第二支管122。

进一步地，第一支路510与第二支路520分别设置有第一流量控制器511与第二流量控制器521。

进一步地，所述第一阀门140、第二阀门310、第三阀门161均为球阀。

优选为球阀，但不限于球阀，采用其他阀门均可以实现本申请，都应当属于本申请的范围。

相应的，在线全自动大气雾霾化学组分分析方法，包括以下步骤：

S1，打开第一阀门140与第三阀门161，关闭第二阀门310、第四阀门410，第一流量控制器511控制第一支路510流量为0，第二流量控制器521控制第二支路520流量为0，打开抽真空装置160，滤膜130采集大气样品；

S2，关闭第一阀门140、第二阀门310、第三阀门161，打开第四阀门410，第一流量控制器511控制第一支路510流量为0.2升/分钟，第二流量控制器521控制第二支路520流量为0，控制温控箱200逐渐升温，直至滤膜130上收集的样品不再气化；

S3，关闭第一阀门140、第三阀门161、第四阀门410，打开第二阀门310，第一流量控制器511控制第一支路510流量为0，第二流量控制器521控制第二支路520流量为5升/分钟，将残留物吹走。

进一步地，进样管400通向质谱仪600时，温控箱200逐渐升温至600℃，并在150℃、300℃、450℃、600℃时保持8分钟；进样管400通向气相色谱质谱联用仪时，温控箱200逐渐升温至300℃，并在300℃时保持10分钟。

如果质谱作为分析工具，参图2所示为温控箱升温图，温度上升至600℃，收集的颗粒物逐渐被热解析成气体，气体被惰性载气-氦气送到质谱中进行质谱分析。在600℃的时候，硫酸盐，硝酸盐，铵盐，有机物，氯化物全部都气化，并被质谱检测产生质谱信号用于化学组分分析。同时，成千上万的有机物利用温度坡度，根据不同的挥发度进行了有效分离和热解析，分离后的有机物质进入质谱进行质谱分析。

如果气相色谱质谱联用作为分析工具，参图3所示为温控箱升温图，温度上升至300℃，收集的颗粒物逐渐被热解析成气体，气体被惰性载气-氦气送到气相色谱质谱联用中进行化合物分离和质谱分析。

进一步地，进样管400通向质谱仪600时，分析开始前先进行仪器定量分析步骤S0，将定量硝酸铵试剂滴在滤膜130上，关闭第一阀门140、第二阀门310、第三阀门161，打开第四阀门410，第一流量控制器511控制第一支路510流量为0.2升/分钟，第二流量控制器521控制第二支路520流量为0，温控箱200升温至600℃，获得特征质谱信号。

如果质谱作为分析工具，在进行仪器检测定量分析的时候，将一定量的硝酸铵试剂滴在石英滤膜上，温控箱程序升温到600℃，试剂热解析成气体，通过惰性载气-氦气送到质谱获得特征质谱信号(m/z 30:NO)。试剂量和特征质谱信号之间的对应关系可用于采集样品的定量分析。

采用上述装置具体分析方法如下：

1.样品收集：PM_2.5样品经采样口通过主管和副管收集在滤膜上。PM_2.5样品采集时，第一阀门打开大气采集支路，第一、第二流量控制器设置为0，装置清流系统的第二阀门关闭，第三阀门打开开始抽真空，质谱进样阀第四阀门关闭。样品采集时间根据天气污染程度而定。天气污染严重，采集时间就短，比如说5分钟。样品采集的流量是9升/分钟。

2.热解析和质谱(色相色谱质谱联用)分析：样品采集结束后，温控箱升温热解析样品。采集样品支路的第一阀门关闭，第二阀门关闭，抽真空支路第三阀门关闭，质谱进样阀第四阀门打开，温控箱开始升温，同时氦气第一流量控制器的流量从0上升到0.2升/分钟，第二流量控制器的流量仍是0。如果质谱作为分析工具，温控箱温度升温：30℃-600℃，历时40分钟。图2显示了质谱作为分析工具时的温控箱温度升温过程。共有4个温度坡度：150℃，300℃，450℃，600℃，每个温度坡度保持8分钟。温度上升，收集的颗粒物逐渐被热解析成气体，气体被惰性载气-氦气送到质谱中进行质谱分析。在600℃的时候，硫酸盐，硝酸盐，铵盐，有机物，氯化物全部都气化，并被质谱检测产生质谱信号用于化学组分分析。同时，成千上万的有机物利用温度坡度，根据不同的挥发度进行了有效分离和热解析，分离后的有机物质进入质谱进行质谱分析。如果气相色谱质谱联用作为分析工具，温控箱温度升温：30℃-300℃，历时15分钟。图3显示了气相色谱质谱联用作为分析工具时的温控箱温度升温过程。温度上升，收集的颗粒物逐渐被热解析成气体，气体被惰性载气-氦气送到色谱质谱联用中进行化合物分离和质谱分析。在300℃的时候，有机物全部都气化，气化的有机物混合物在气相色谱中进行化合物分离，随后在质谱中进行单个化合物的质谱分析。

3.装置清理：温控箱升温热解析和质谱分析结束后，进行装置清理，为下一次样品分析做准备。第一阀门关闭，第二阀门打开，第三阀门关闭，质谱进样阀第四阀门关闭，氦气第一流量控制器流量设置为0，第二流量控制器流量设置为5升/分钟，对样品收集和热解析系统进行反向吹气(相对于样品采集气流方向)清理，废气经第二阀门从废气排放管排出。这使得残留在滤膜上的未被气化的样品残留(无机碳和金属等)吹走。

4.仪器检测定量分析；如果质谱作为分析工具，在进行仪器检测定量分析的时候，将一定量的硝酸铵试剂滴在石英滤膜上，温控箱程序升温到600℃，试剂热解析成气体，通过惰性载气-氦气送到质谱获得特征质谱信号(m/z30:NO)。试剂量和特征质谱信号之间的对应关系可用于采集样品的定量分析。

本实用新型有点在于：

1、造价低。相比于现在流行的AMS和ATOFMS高真空系统，本实用新型采用常压系统和惰性载气-氦气结合，使得造价成本降低，进而最终使得仪器价格降低，使得在全国范围内推广成为可能。

2、应用广。本实用新型可以和任何普通质谱连接，使得应用范围非常广。

3、具有分离有机物组分的特性。相比于AMS和ATOMFS将所有的有机物混合在一起，本实用新型对成千上万的有机化合物，通过控温箱程序升温或者气相色谱进行了有效的分离，使得鉴于示踪化合物的精准源解析成为可能。

4、定量化。本实用新型相比于现有的ATOFMS，它可以轻松实现定量化。通过在石英滤膜上滴一定量的硝酸铵试剂，通过升温加热，试剂气体通过质谱分析得到相应信号。试剂量和相应质谱信号的对应关系可以实现简单方便的样品定量化分析，从而为精准定量化源解析打下基础。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。