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儀器概述

氣溶膠化學(xué)組成在線監(jiān)測儀（ACSM）能夠?qū)崟r并直接地定量測量和顯示 PM_2.5 (0.1-2.5 µm) 或者 PM_1.0 (0.04-1.0 µm) 氣溶膠中非難熔性組分（簡稱: NR-PM_2.5或者NR-PM₁）的質(zhì)量濃度和化學(xué)組成，包括有機物、硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽和氯離子。通過對有機氣溶膠質(zhì)譜進行正矩陣因子解析(PMF), 可以區(qū)分和得到不同種類的有機氣溶膠，包括HOA（烴類有機物，主要為一次燃燒源排放），OOA（氧化態(tài)有機物，主要為二次有機氣溶膠）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)級的四極桿質(zhì)譜儀，相對而言體積小、價格低、維護簡單、易于操作，使其更適用于長期無人照看的日常監(jiān)測應(yīng)用。

新版的ACSM還可以實時輸出常用格式（.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)實時上傳到監(jiān)測平臺，更為簡潔方便。

ACSM的特點：實時在線、直接定量、維護簡單、分辨率高、數(shù)據(jù)上傳

圖 1 . ACSM-PM2.5實物照片

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

應(yīng)用范圍

大氣氣溶膠濃度連續(xù)在線監(jiān)測；
氣溶膠中銨、硝酸鹽、硫酸鹽、氯鹽及有機物的化學(xué)組分分析；
將有機氣溶膠分解成HOA（碳水化合物，可標識一次燃燒源）和OOA（氧化有機物，可標識二次燃燒源）。
常規(guī)空氣質(zhì)量監(jiān)測, 源特征,光學(xué)/CCN閉合試驗
氣溶膠煙霧箱實驗和工業(yè)過程控制

技術(shù)指標

測量粒徑范圍：	0.1µm - 2.5µm; 或0.04μm - 1μm（空氣動力學(xué)）
檢出限（30 分鐘）	有機物: 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日在北京的觀測試驗，詳細內(nèi)容請參考孫業(yè)樂等的論文（Sun et al., 2013）。

圖 2. 觀測期間 (a) 氣象要素（相對濕度、氣溫、降水量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、太陽輻射）； (b) NR-PM₁ 和PM_2.5 質(zhì)量濃度;(c) NR-PM₁ 化學(xué)組成 (Org, SO₄, NO₃, NH₄, Chl) 的時間序列。灰色陰影部分表示氣溶膠濃度較低的時段。

圖2展示了觀測期間氣象要素、ACSM測量的NR-PM₁ 和TEOM測量的PM_2.5隨時間的變化狀況。從圖2b可知，觀測期間NR-PM₁的質(zhì)量濃度隨時間變化很大，其日平均值的變化范圍是6.6 - 192 μg·m^-3，高、低污染時期交替出現(xiàn)，PM_2.5的變化同NR-PM₁的變化幾乎同步。

圖3. 整個觀測期間平均NR-PM₁ 和有機物化學(xué)組成比例圖。

從圖2c和圖3可知，觀測期間NR-PM₁的最主要成分是有機物（52%），之后依次為硝酸鹽（16%），硫酸鹽（14%），銨鹽（13%）和氯化物（5%）。對有機氣溶膠質(zhì)譜進行正矩陣因子解析（PMF）進一步發(fā)現(xiàn)冬季北京地區(qū)有機物的主要來自：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)二次有機氣溶膠（OOA，31%）。

圖 4. 觀測期間SOA 與POA 的關(guān)系；散點的顏色代表NR-PM₁ 中有機物的質(zhì)量分數(shù)，散點大小代表PM₁ 的質(zhì)量大??；

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，HOA的貢獻更大。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OA的平均貢獻約為19%，用餐時間高達32%；而CCOA在冬季供暖期對OA的平均貢獻為33%，午夜時濃度較高（18 μg·m^-3）；OOA在冬季空氣清潔時占OA的比例較高（40%），表明北京冬季以一次污染物為主。

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

結(jié)構(gòu)與原理

ACSM主要由進樣口(Aerosol Inlet)、空氣動力透鏡(Aerodynamic Lens)、真空系統(tǒng)(Vacuum Chamber)（包括三個渦輪泵(Turbo Pumps)和一個隔膜泵(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。

圖6. 工作原理示意圖

ACSM工作原理：

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

參考文獻