基于离子漏斗化学电离飞行时间质谱的甲苯大气氧化机理烟雾箱模拟研究

According to the urgent requirement of high sensitivity and high resolution VOCs real-time and quantitative analysis iinstrument for the study of VOCs atmospheric oxidation mechanism, an ion funnel chemical ionization time-of-flight mass spectrometry (IFCI-TOFMS) will be developed by self-development of the key components, such as high frequency and short pulse cathode discharge device, ion funnel reaction tube and high frequency input power, based on the experience of mass spectrometry development and applications for many years. Using H3O+,NO+,NO2+,and O2+ as the primary reaction ions and ion funnel as the ion reaction and transmission device, IFCI-TOFMS can realize the real-time and quantitative analysis of various VOCs, and the sensitivity can reach 1 ppt. Combing with the smoke chamber simulation system, single particle aerosol mass spectrometry and other advanced equipments, IFCI-TOFMS will be used to study the atmospheric oxidation mechanism of toluene. The implementation of this project not only develops an ultra-high sensitivity technology for on-line and quantitative VOCs analysis, but also plays an important role in verifying the oxidation mechanism, clarifying the photochemical activity and O3 and SOA production potential for toluene, and optimizing atmospheric photochemical reaction model. At the same time, it also provides the scientific theory and technical means for the pollution control of VOCs and PM2.5 in our country at present.

针对VOCs大气氧化机理研究中对高灵敏度、高分辨率实时定量分析仪器的迫切需求，在团队多年质谱仪器研制和应用基础上，自主开发高频脉冲放电装置、离子漏斗传输装置等关键部件，研制离子漏斗化学电离飞行时间质谱仪(IFCI-TOFMS)。仪器采用H3O+、NO+、NO2+和O2+作为初始反应离子，离子漏斗作为离子传输装置，可对多种VOC进行实时定量分析，灵敏度达到1ppt。本项目利用IFCI-TOFMS，结合团队搭建的烟雾箱模拟系统、单颗粒气溶胶质谱仪等先进分析设备，将对甲苯的大气氧化降解机理进行全面的实验研究。项目的实施不仅开发一种超高灵敏度的VOCs实时定量分析技术，而且对验证和阐明以甲苯为代表的大气芳香型化合物的降解机理，明确其光化学活性以及O3、SOA的生成潜势，优化大气光化学反应模型等起着重要的作用，同时也为我国VOCs和PM2.5的污染治理提供理论支持和技术手段。

高分辨、高灵敏检测和分析科学仪器的研制对于研究环境科学、大气科学中VOCs 的氧化过程以及PM2.5 形成机理具有重要的作用。本项目开发了一款离子漏斗化学电离飞行时间质谱仪器（IFCI-TOFMS）样机，该仪器可实现大气中的VOCs进行实时、在线检测，灵敏度大达到ppt量级，整体性能指标达到国外同类仪器的先进水平。基于IFCI-TOFMS仪器，借助烟雾箱大气模拟系统，结合SPAMS， SPIMS等在线分析仪器对以甲苯为代表的VOCs大气氧化机理进行了细致的研究；同时还通过低温等离子体技术对甲苯等VOCs的降解进行了模拟研究，分析了其降解通道以及副产物的产生和环境影响。研究结果为进一步明晰大气VOCs氧化机理，阐明其大气光化学活性以及SOA的生成潜势，优化大气光化学反应模型等起着重要的作用。此外，研究结果也为我国VOCs和PM2.5的污染治理提供一定的理论支持和技术手段。在项目执行过程中，共发表SCI研究论文15篇，申请发明专利5个（2个以授权），培养和协助培养博士研究生5名，硕士研究生6名，项目资金预算使用率为64.08%，各项指标达到了本基金课题的结题要求。