[發明專利]一種用于納米顆粒物氣溶膠質譜儀的毛細管進樣接口裝置

有效

• 申請號: 201610955161.5
• 申請日: 2016-10-27
• 公開（公告）號: CN106449348B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 張為俊;郭曉天;唐小鋒;溫作贏;朱宇鵬;方波;趙衛雄
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: H01J49/04
• 分類號: H01J49/04;H01J49/34;G01N15/06
• 代理公司: 北京創遇知識產權代理有限公司11577
• 代理人: 呂學文,武媛

技術領域

本本發明屬于氣溶膠質譜技術領域，特別涉及一種用于納米顆粒物(直徑小于50nm)化學組分在線檢測氣溶膠質譜儀的毛細管大氣壓進樣和傳輸的質譜接口裝置。

背景技術

氣溶膠顆粒物是大氣污染物的重要組成部分。大氣中納米顆粒物的數密度非常大，其比例能占到總顆粒物數目的80％以上，它們在大氣中吸收和散射光使大氣能見度降低，形成霧霾，影響空氣質量和全球氣候；而且由于其比表面積大，單位面積上吸附的有害物質多，更容易沉積到人的呼吸和心血管系統，危害人們的身體健康。同時，納米顆粒物，尤其是大氣新粒子是氣溶膠顆粒物的重要來源。實時在線測量大氣中納米顆粒物的化學組分，對于理解我國新粒子的成核和生長機制、認清二次細粒子的來源和揭示我國大氣復合污染的成因等具有重要意義。

氣溶膠顆粒物的化學組分測量依賴于氣溶膠質譜檢測技術和儀器的發展。由于納米顆粒物的粒徑非常小，直徑僅為一到幾十個nm，測量其化學組分極為困難，存在著很大的技術挑戰，其中，如何實現納米顆粒物的大氣壓進樣和高效率傳輸是關鍵。

空氣動力學透鏡作為通用的氣溶膠顆粒物進樣裝置，已經大量應用于各種類型的氣溶膠質譜儀器中。然而，由于受布朗運動的影響，空氣動力學透鏡對粒徑小于60nm納米顆粒物的傳輸效率非常低，不能夠作為納米顆粒物的質譜進樣裝置。

我們研制的用于納米顆粒物氣溶膠質譜儀的毛細管進樣接口裝置，發展了全新的帶電毛細管氣溶膠質譜儀接口技術，能夠實現納米顆粒物的大氣壓進樣、聚焦和高效率傳輸，通過外接一臺質譜儀就能夠用于實現大氣中納米顆粒物的化學組分實時在線測量。

發明內容

為解決現有技術中的諸多問題，本發明提供所述毛細管進樣接口裝置包括依次連接的通用接頭、緩沖腔和差分腔室；通用接頭設有與氣溶膠顆粒物預處理儀器相連接的氣溶膠入口及限流小孔；緩沖腔設有壓力計接口；差分腔室設有壓力計接口、電壓接口、真空泵接口，差分腔室內部包括毛細管、固定毛細管所用的定位陶瓷和定位螺釘、聚焦透鏡、固定聚焦透鏡和定位陶瓷所用的絕緣直筒和差分腔室出口。

其中，緩沖腔與差分腔室通過毛細管連接，毛細管的入口與緩沖腔的出口相連，定位陶瓷與毛細管保持同軸心，毛細管垂直穿過定位陶瓷的幾何中心孔，且定位陶瓷設置于毛細管的中前部。

其中，聚焦透鏡由5塊電極片組成，第一塊電極片位于定位陶瓷的前側，第二塊位于毛細管的末端，從第三塊到第五塊依次位于毛細管出口后側，并且所有的電極片都與毛細管保持同軸心，且與毛細管垂直設置。

其中，氣溶膠顆粒物預處理儀器是掃描式電遷移率顆粒物粒徑譜儀SMPS。

本發明能夠實現納米顆粒物的大氣壓進樣和高效率傳輸，具體過程如下：

1、氣溶膠顆粒物預處理儀器(如掃描式電遷移率顆粒物粒徑譜儀SMPS)對大氣中的納米顆粒物進行預處理，使納米顆粒物帶上電荷，并實現粒徑選擇；帶電納米顆粒物和載氣通過管道連接至本毛細管進樣接口裝置的通用接頭，通過限流小孔傳輸至緩沖腔；

2、在緩沖腔中，氣體的壓強將從一個大氣壓(10⁵Pa)下降至千帕量級，實現第一級真空差分，并滿足毛細管對納米顆粒物的傳輸聚焦要求；載氣包裹著的帶電納米顆粒物通過毛細管傳輸匯聚進入差分腔室；

3、在毛細管的表面施加電壓，帶電納米顆粒物在毛細管內的傳輸過程中還將受到電場作用力，克服納米顆粒物的布朗運動影響，使得納米顆粒物能夠聚集在毛細管的中心軸線上，減小納米顆粒物的傳輸損耗；由于毛細管的直徑小，大的長度/直徑比能夠滿足真空度的變化梯度，實現第二級真空差分；

4、在毛細管的出口處，真空泵接口外接的真空泵抽走載氣；聚焦透鏡對帶電納米顆粒物進行再次匯聚，只有帶電納米顆粒物通過差分腔室的出口(第三級真空差分)，通過后接質譜儀器就能夠檢測納米顆粒物的化學組分。

本發明具有如下優點：

1、本發明采用新的氣溶膠質譜儀器接口技術，將毛細管應用于納米顆粒物的大氣壓進樣和傳輸；

2、在毛細管表面施加電壓，通過電場作用力補償納米顆粒物傳輸中的布朗運動影響，使帶上電荷的納米顆粒物能夠匯聚于毛細管的軸線上，實現納米顆粒物大氣壓進樣和高效率傳輸；

3、差分腔室連接的真空泵能夠去除帶電納米顆粒物的氣體伴隨物，避免了大氣中氣體污染物的干擾，檢測獲得的化學組分僅來源于納米顆粒物的貢獻；聚焦透鏡能夠進一步匯聚帶電納米顆粒物，使得帶電納米顆粒物能夠高效率傳輸，到達腔室的出口，；