基于延时引出技术的单颗粒质谱分辨率提升及其影响研究

Single particle mass spectrometry (SPMS) provides real-time analysis of individual particle size and chemical composition, and has unique technological advantages over traditional off-line analysis and bulk analysis techniques. Self-developed single particle aerosol mass spectrometer (SPAMS) has been widely used in the field of particulate matter research, atmospheric chemistry research, particle source apportionment and so on. However, limited by SPMS's special ionization method, mass resolution has been a bottleneck for SPMS in the past 20 years, which greatly limits the application capability of SPMS. This project innovatively proposes a delayed extraction technique based on an exponential pulse waveform. Compared with the ordinary square-wave delay extraction method, this technology can realize dynamic compensation for different ions and obtain high mass resolution in the full mass range. Preliminary experiments show that the SPAMS resolution using this technology is 2-3 times higher than the original. Since this technique avoids the deflection of charged particles in the electric field, the SPAMS hit rate is greatly improved. Preliminary experiments have also found that the ion detection sensitivity is enhanced, which may be due to the increased probability of molecular ion collisions due to the presence of delay time. This research results will further enhance the technical level of SPMS in China and provide researchers with better analytical tools.

单颗粒质谱（SPMS）能实时分析单个颗粒粒径与化学组成，与传统离线分析及总成分分析法相比具有独特的优势。自主开发的单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）已被广泛用于颗粒物特性研究、大气化学研究、颗粒物污染源解析等领域。然而，受限于SPMS特殊的电离方式，分辨率在过去20多年始终是SPMS无法突破的瓶颈，这也极大地限制了SPMS的应用能力。本项目创新性地提出了一种基于指数脉冲波形的延时引出技术，相比较于普通的方波脉冲延迟引出方式，该技术能够实现对不同质量数离子的动态补偿，在全质量范围获得高分辨率。初步实验表明，采用该技术的SPAMS分辨率较原来提升2-3倍。由于该技术避免了带电颗粒在电场中的偏转，SPAMS颗粒打击率得到大幅提高。且SPAMS离子检测的灵敏度得到了增强，这可能是由于延时时间的存在增加了分子离子碰撞几率。本项目研究成果将进一步提升我国SPMS的技术水平，为科研人员提供更好的分析工具。

单颗粒质谱技术作为一种能够实时快速分析大气中单个气溶胶粒径及化学组成的新工具，在大气化学过程、气溶胶来源等科学研究方面发挥了重要作用。然而，在该技术出现的30多年时间里，单颗粒质谱仪器的质量分辨率却始终维持在较低的水平，这严重限制了单颗粒质谱对颗粒物中化学组分的定性分析能力。这种情况主要是因为激光电离产生的离子动能分散过大，飞行时间质量分析器无法对初始动能分散进行有效地补偿。本项目研究了基于指数脉冲的延时技术用于提升单颗粒质谱全质量范围分辨率的可行性。通过离子光学建模与仿真，验证了该技术的可行性，同时基于仿真结果对现有的单颗粒质谱（SPAMS）进行了全面的技术升级，实现了在全质量范围上提升了质谱仪器的分辨率，质谱仪的最高分辨率超过2000以上，远超当前行业水平，大幅度提高了仪器的定性分析能力。并基于改进后的高性能单颗粒质谱仪（HP-SPAMS）在韶关天井山国家背景监测站进行了使用，探究了内陆运输的海洋飞沫气溶胶的氯亏损程度及其潜在的影响因素。HP-SPAMS对有机物有更强的检测能力，使得我们可以更全面的了解海洋飞沫气溶胶的混合态和氯亏损程度。研究结果表明，有机酸对海洋飞沫气溶胶有明显的氯亏损贡献（高达~34%）。富含较高生物有机信号（磷酸和有机氮）的海洋飞沫气溶胶的氯亏损程度较低，这可能是因为有机涂层的包裹。 此外，还利用HP-SPAMS和空气动力学粒径筛分仪（AAC）联合，实现了对不同发动机状态下的轻型柴油车排放尾气颗粒化学组成、混合态和有效密度的在线检测。HP-SPAMS的高分辨率使得其可以更好地识别含有多环芳烃(PAHs)的颗粒，得到更为准确的有机指纹图谱。研究结果展示了不同发动机状态下的汽车尾气的单颗粒特征，有利于完善源解析模型，了解汽车尾气对人体健康和环境的影响。