[發明專利]一種在線采集大氣細顆粒物濃縮液并測量重金屬元素的裝置和方法

在審

• 申請號: 202011470714.0
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112747975A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 陳建民;尚曉娜;康慧慧;孫劍峰;李丹;李凌
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N1/22
• 分類號: G01N1/22;G01N1/28;G01N1/40
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于環保技術領域，具體為一種在線采集大氣細顆粒物濃縮液并測量重金屬元素的裝置和方法。本發明裝置包括：浮子流量計、濃縮氣流真空泵、主氣流真空泵、干燥管、質量流量控制器、碰撞式PM2.5切割頭、冷凝系統機、水箱、電加熱棒、虛擬切割器、生物采樣瓶、兩臺微量注射泵、自動進樣器、電感耦合等離子體質譜等。本裝置通過采樣、冷凝、濃縮等環節，將顆粒物融入液體，使顆粒物濃度提高一個數量級，濃縮效果比同類產品更好，還有效避免傳統濾膜采集監測法存在的樣品污染、試劑高損耗等問題；用濃縮技術與電感耦合等離子體質譜聯用測定重金屬，可大幅提高檢出率和降低采樣時長，使人工智能化大氣顆粒物在線檢測的實現成為可能，可廣泛應用于環境監測中。

技術領域

本發明屬于環保技術領域，具體涉及一種顆粒物濃縮采集并在線測量的裝置及方法。

背景技術

PM2.5是指大氣中空氣動力學當量直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可吸入顆粒物。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但其對空氣質量和能見度等有重要的影響。大氣PM2.5粒徑小、比表面積大，含有大量的有毒、有害物質且在大氣中的懸浮時間長、傳輸距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的負面影響不容忽視。

近年來，我國大氣PM2.5污染嚴重, 導致就診率急劇上升及易感人群過早死亡。尤其是霧霾氣溶膠粒子攜帶的有毒有害化學成分，危及人群健康，引起全社會的高度關注。已經有大量流行病學證據表明，PM2.5有急性與慢性健康效應。有毒有害重金屬如 Pb、Cd、Ni、Mn、V和Zn 等，主要吸附在小于2.5μm顆粒物上。研究表明，重金屬能夠通過呼吸作用隨PM2.5直接進入到人體的肺泡中并在人體內大量富集。As、Cr、Ni 和As、Cr、Ni 和 Cd 對人體具有一定的致癌作用，Zn、Cu、Pb積累會增加人體致畸作用。高濃度PM2.5暴露會增加患急性呼吸道疾病與心腦血管疾病的風險，同時PM2.5可能誘發肺癌、COPD（慢性阻塞型肺炎）、心腦血管疾病等慢性疾病，影響人體免疫系統、神經系統等。因此，霧霾氣溶膠粒子生物毒性的研究也成為研究熱點和前沿方向之一。但對大氣顆粒物生物毒性的測定因受到檢測技術和儀器的制約（如較高的檢測限），目前仍停留在離線檢測階段，且需要在重污染及較長持續采樣時間的條件下進行，無法滿足實時監測大氣顆粒物濃度及有毒化學成分特征的要求。

為填補上述技術空白，為填補上述技術空白，本發明所研制的中流量大氣PM2.5在線濃縮與采集裝置可將氣溶膠在不改變除濃度外的任何理化特性的前提下，濃縮富集到足以明顯檢出其毒性的水平。同時，該裝置可與在線毒性檢測裝置聯用，通過采樣、飽和、冷凝、濃縮、采集等環節，將顆粒物融入液體，使顆粒物濃度可以濃縮提高一個數量級，不僅濃縮效果比同類產品更好，還有效避免了傳統濾膜采集監測法存在的樣品污染、樣品和試劑的高損耗等問題，易于用飛行時間質譜技術測定有機組分、離子色譜測定無機組分、電感耦合等離子體質譜測定重金屬，并大幅降低了空氣流量需求，從原先的1000升/分鐘降至50升/分鐘。使得日后人工智能化大氣顆粒物在線檢測的實現成為可能，并可廣泛應用于環境監測及健康風險評估當中。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在線濃縮采集大氣細顆粒物并測量重金屬元素的裝置和方法，以大幅提高顆粒物濃縮度，并有效避免樣品污染、試劑高損耗等問題。

本發明提供的在線濃縮采集大氣細顆粒物并測量重金屬元素的裝置，其包括：浮子流量計、濃縮氣流真空泵、主氣流真空泵、干燥管、大流量質量流量控制器、冷凝劑循環管、碰撞式PM2.5切割頭、冷凝機、水箱、水箱隔溫層、可視窗口、帶有溫度傳感器的電加熱棒、溫控數顯裝置、冷凝內管、冷凝外螺旋管、隔溫層、虛擬切割器、主氣流出口、噴嘴、噴嘴接管、生物采樣瓶、微量注射泵、自動進樣器、電感耦合等離子體質譜；其中：

所述水箱外套有一層隔溫層，其前壁左上方三分之二處設有一個石英玻璃可視窗口；

所述U型加熱棒設置于水箱內部底端，U型加熱棒外置電源線連接于溫控數顯裝置；

水箱上部開有兩口，其一，用快接法蘭連接旋風式PM2.5切割頭和溶蝕器；其二，用快接法蘭連接同軸安置的冷凝內管；