利用同步辐射研究大气气溶胶的新技术

Atmospheric aerosol is ubiquitous in the atmosphere of our lives,it is a relatively stable suspension system that liquid or solid particles evenly dispersed in the atmosphere. With the worsening of environmental pollution problems, it has been recognized that atmospheric aerosols cause a range of climate and environmental issues, such as the impact on the ecological balance, atmospheric visibility, the global energy balance and rainfall changes, in harm to human health, formation of photochemical smog in the city, affecting the balance of OH and O3 in the stratosphere and troposphere. Volatile organic compounds could produce a large number of diverse organic matter to form secondary organic aerosols (SOA)eventually by oxidation or photo-oxidation reaction.The detection and analysis of SOA, and the study of SOA formation mechanism such as the chemical processes in the atmosphere are the all the hotspots today.We want to use the Synchrotron Radiation Facility at Hefei to study the atmospheric aerosol. Research,design,and construct the thermal desorption photoionization aerosol mass spectrometer and the environment chamber. We prepare to use the environmental chamber to simulate the atmospheric oxidation or photo-oxidation processes which lead to generate secondary organic aerosol.A new study for online analysis of SOA in environment chamber experiments could be carried by using thermal desorption/tunable vacuum-ultraviolet photoionization time-of-flight aerosol mass spectrometry with synchrotron radiation and scanning mobility particle spectrometer.To study the chemical composition and physical properties, and explore the SOA formation mechanism are very important and significant to the regional and global atmospheric chemistry, climate change and environmental effects.

大气气溶胶在我们生活的大气环境中无处不在，它是液体或固体颗粒均匀地分散在大气中形成的相对稳定的悬浮体系。随着环境污染问题的日趋严重，人们已经认识到大气气溶胶造成一系列的气候与环境问题，如影响着生态平衡、大气能见度、全球能量收支平衡及降雨量的增减，危害人体健康，在城市中形成光化学烟雾，影响对流和平流层中的OH和O3等的平衡。挥发性有机物经过氧化或光氧化反应产生大量性质各异的有机物，生成的二次有机气溶胶（SOA）。SOA的探测分析和形成机理研究是当今大气化学过程的研究热点之一。我们利用合肥同步辐射装置研究大气气溶胶，研制热解析光电离气溶胶质谱仪和环境腔。在环境腔中模拟大气氧化或光氧化产生二次有机气溶胶的过程，利用热解析光电离气溶胶质谱技术及颗粒粒径谱仪等，实时在线检测SOA。研究其化学成分及物理性质，探索SOA的形成机制。对探讨区域和全球大气化学、气候变化和环境效应等都有非常重要的意义。

气溶胶颗粒普遍存在于地球大气中，其组成极其复杂多变，大部分(20-90%)的亚微米颗粒都含有机物，这些有机物对气候、健康和大气化学等均有重要的影响。当前，气溶胶科学中的一个重要挑战就是在分子层面鉴定出气溶胶的组成，因为气溶胶的成分不仅关系到人们对于气溶胶形成机理的认识，同时也是预估气溶胶物理特性以及潜在的毒害作用的重要依据。过去的二十多年中，气溶胶质谱逐渐发展成为一种分析大气气溶胶的重要手段。但是，传统的电子轰击电离方法会产生过多的碎片，因此不是一种理想的气溶胶质谱电离源。由于产生的碎片相对较少，软电离方法，例如化学电离、单光子电离、电子捕获电离等为气溶胶质谱提供了多种更为理想的电离方法。本实验室之前研制出了利用同步辐射的高强度紫外光作为电离源的热解析/可调真空紫外光电离飞行时间质谱。温度控制结合能量可调（7.5-22.5 eV）使得气溶胶质谱产生的碎片很少，有利于对质谱数据进行多维分析，既可以借母体峰和碎片峰对分子进行定性，也可以通过扫描光电离效率曲线得到的电离能来判定分子的结构。该方法可以在室内模拟实验中测定气溶胶形成过程中的动力学参数以及生产气溶胶的组成。本课题执行过程中主要完成了以下工作：（1）在先前工作的基础上，对于VUV真空紫外光束线和同步辐射气溶胶质谱进行了升级改造，提高了质谱的质量分辨率和探测灵敏度。（2）实现了同步辐射气溶胶质谱和新建的烟雾箱反应系统以及部分气溶胶检测仪器，例如GC-FID/MS、温湿度控制器、氮氧化学检测仪等的联用，搭建了较为完善的气溶胶研究系统，并在此系统内测定了OH自由基和部分含有六个碳原子的烯醇之间的反应常数。（3）与安光所合作设计建立了一套流动管反应器，利用气溶胶质谱和电迁移粒径扫描谱仪研究部分难挥发性物质与O3, OH and NOX等的均相/非均相反应。（4）基于在电离能阈值附近的光电离质谱的分析，鉴定出了一些重要的易挥发的有机物（α-蒎烯、β蒎烯、柠檬烯、环己烯）与O3（或）OH和反应生成气溶胶的化学组成并推断出了可能的形成机理。（5）利用同步辐射光电离质谱对一些重要的气溶胶前体物的光电离解离进行了研究，这些结果将有助于大气气溶胶以及实验室模拟气溶胶研究的质谱峰解析。（6）发展了利用同步辐射气溶胶质谱离线检测低浓度反应前体物生产气溶胶的离线方法。该实验方法将对外场气溶胶和实验室模拟气溶胶研究具有重要意义。