仪器概述

高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪（英文名：High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer；英文缩写：HR-ToF-AMS）是新版的设计，质谱仪升级为正钜阵飞行时间质谱仪。HR-ToF-AMS通过热力气化和 70eV 的离化电极电子碰撞电离，该仪器能快速、实时、定量地分析和测量粒径介于0.04-1.0微米的非高熔点（200-900oC）气溶胶的化学组成和飞行动力学等效直径。

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图1. AMS所测量化学成分质量浓度的粒径分布，A.Middlebrook等，2012。

ANMF = Ammonium Nitrate Mass Fraction

而且，该仪器也可用于基于高分辨率质谱的元素分析（碳氧比例）研究。

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图2. AMS测量各组分离子的质谱图。P. DeCarlo等. 2006

由于该仪器采用热气化分解，所以其仅能分析气溶胶中非难熔物质，如硝酸盐、硫酸盐、铵盐、有机物及非海盐类氯化物；而不能测量难熔性气溶胶物质，如黑碳、海盐及扬尘类气溶胶。若需要测量难熔性气溶胶物质请查看黑碳气溶胶质谱仪。

仪器实物

AMS_Data_2008.jpg

应用范围

  • 测量环境大气中气溶胶的质量和粒径分布
  • 描述燃烧源中排放物的特性；在测量排放物中CO2的同时直接确定OC的含量。
  • 测量气溶胶硫酸盐、硝酸盐、铵盐等的涡度相关通量和没有降水过程时有机物的沉降通量。
  • 在经济的移动平台上 (如搬运车、小型飞机)测量微小气溶胶的高时间分辨率的变化特性。
  • 实验室里诊断气溶胶的物理和化学特性。

技术指标

检出限 (1分钟积分, 3σ ) ：   V-模   W-模
  (有机物)    29 (ng·m-3)   320 (ng·m-3)
  (硫酸盐)    6 (ng·m-3)   64 (ng·m-3)
  (硝酸盐)    3 (ng·m-3)   32 (ng·m-3)
  (铵  盐)    58 (ng·m-3)   640 (ng·m-3)
  质量分辨率(m/Δm)：   2500   5000
  质量范围(m/z)：   1 - 1200   1 - 1200
气溶胶粒径范围：   40nm - 1μm （空气动力学粒径）
时间分辨率：  可调数据报告间隔，通常选用1-5分钟
 每秒高达100个质谱
 每秒高达150个空气动力学粒径谱
采样流量：  0.085 lpm (体积流速)
操作压力：  环境压力
软件：  常规数据采集和分析，可用PMF模型解析有机物部分
尺寸/重量：  104.14 cm x 83.82 cm x 134.62 cm, 175 kg
电源/能耗：  220 VAC/50Hz; 600 W

质谱结构

HighResolution.jpg

图1. 高分辨飞行质谱仪结构

可选部件：

  1. 气溶胶光散射检测模块：光散射检测模块提供粒径 >200nm 粒子的相关参数，如粒子密度和气溶胶粒子混合状态（内混/外混）。此模块可以安装于四极杆气溶胶质谱仪和飞行时间气溶胶质谱仪；当与飞行时间气溶胶质谱仪结合使用时，可以真正测量到单个气溶胶的质谱。
  2. 黑碳检测模块：黑碳检测模块由本公司与粒子测量公司（Droplet Measurement Technologies）联合开发。模块采用连续工作的1064nm 内腔激光器。含有黑碳的粒子（或者其它可吸收物质）会在 AMS 的离子化室内汽化。除了标准AMS 所测量的组分外，还可以检测碳簇（包括富勒烯）。此模块兼容所有型号的 AMS，即为SP-AMS。
  3. 负离子测量模块（飞行时间质谱）：负离子检测模块选择性地检测稳定的负离子，如硫酸盐、硝酸盐、羧酸等。灵敏度相比电子碰撞电离低1000。此模块通过控制软件可与标准的电子 撞击电离模块交互使用，并可用于其它产生负离子的电离系统。此模块只兼容ToF 质谱系统。
  4. 以上部件可以安装在现有的气溶胶质谱仪上，但总体目标是增强粒径、化学组成和气溶胶粒子密度的快速实时测量能力。

  5. 热力熔蚀系统(TDS)：热力熔蚀系统可以辅助检测挥发性有机气溶胶。热力熔蚀系统只对气溶胶样品进行前处理，可用于所有型号的AMS 自动采样系统和其它气溶胶采样系统。该部件可以独立运行，与其它测量仪器联用。
  6. 二次颗粒物氧化生成反应器(PAM)：二次颗粒物氧化生成反应器通过准确控制温度、相对湿度、氧化剂浓度与相互比例等参数，在反应腔内产生一个已知的高氧化环境，能够以分钟为时间分辨率模拟大气环境中气体前体物生成的氧化过程。该设备还能够与许多气溶胶观测设备搭配使用，是一次气溶胶非均相氧化研究与二次气溶胶生成研究的重要工具。

参考文献

  1. Jayne, J.T., D.C. Leard, X. Zhang, P. Davidovits, K.A. Smith, C.E. Kolb, and D.R.Worsnop, Development of an Aerosol Mass Spectrometer for Size and Composition. Analysis of Submicron Particles, Aerosol Science and Technology, 33, 49-70, 2000.
  2. Jimenez, J.L., J.T. Jayne, Q. Shi, C.E. Kolb, D.R. Worsnop, I. Yourshaw, J.H. Seinfeld, R.C. Flagan, X. Zhang, K.A. Smith, J. Morris, and P. Davidovits, Ambient Aerosol Sampling with an Aerosol Mass Spectrometer. Journal of Geophysical Research - Atmospheres, 108(D7), 8425, doi:10.1029/2001JD001213, 2003.
  3. DeCarlo, P.F., J.R. Kimmel, A. Trimborn, M.J. Northway, J.T. Jayne, A.C. Aiken, M. Gonin, K. Fuhrer, T. Horvath, K. Docherty, D.R. Worsnop, and J.L. Jimenez, Field-Deployable, High-Resolution, Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer, Analytical Chemistry, 78: 8281-8289, 2006.
  4. Canagaratna, M.R., J.T. Jayne, J.L. Jimenez, J.D. Allan, M.R. Alfarra, Q. Zhang, T.B. Onasch, F. Drewnick, H. Coe, A. Middlebrook, A. Delia, L.R. Williams, A.M. Trimborn, M.J. Northway, P.F. DeCarlo, C.E. Kolb, P. Davidovits, D.R. Worsnop, Chemical and Microphysical Characterization of Ambient Aerosols with the Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer, Mass Spectrometry Reviews, 26, 185– 222, 2007.
  5. Drewnick, F., S.S. Hings, P.F. DeCarlo, J.T. Jayne, M. Gonin, K. Fuhrer, S. Weimer, J.L. Jimenez, K.L. Demerjian, S. Borrmann, D.R. Worsnop. A new Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) – Instrument Description and First Field Deployment, Aerosol Science and Technology, 39:637–658, 2005