便携式大气

p style="text-align: center "img title="1.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201709/insimg/34f2739b-c55e-4c2d-853e-b894046f1fa4.jpg"//pp style="text-align: center "图片来自网络/pp　　据美国国家科学家基金会网站消息，杨百翰大学(BYU)研究人员日前在《美国质谱学会杂志》上发表论文称，他们研制出一种小型化的便携式质谱检测工具，其功能十分“强悍”，包括未来可装在火星探测器上，帮助科学家实时分析火星大气成分。/pp　　过去数年来，质谱仪提供了一种快速、高灵敏度的分析和检测化合物的方法，但是它们的庞大尺寸，一直是限制其现场检测潜力的最大障碍。/pp　　经过12年探索，杨百翰大学化学教授丹尼尔· 奥斯汀与电气工程教授亚伦· 霍金斯等，共同开发出具有强大功能的迷你型质谱仪。奥斯汀解释说，过去也开发出过较小的质谱仪，但通常敏感程度很低，而此次他们开发出来的小型质谱仪，功能范围并没有比同类产品缩小，因此具有一系列潜在的应用。/pp　　小型化学质谱仪可用于发现化学武器，最大限度地减少特定地区士兵的危险 在国土安全领域，该质谱仪可以帮助检测机场或其他地方的爆炸物 对于法医调查员而言，便携式质谱仪可以进行一系列现场检测，包括确定白色粉末是否为非法违禁药品等。/pp　　研究合作者、杨百翰大学化学博士田园说，质谱仪通常大而且昂贵，需要专业技术人员操作，但是小型质谱仪通过缩减尺寸、重量和成本，克服了一些传统问题，同时为复合分析提供了更快、更简便的方法。/pp　　奥斯汀补充说，便携式质谱仪可以帮助进行很多之前无法完成的工作，很多新的科学分析完全可以现场完成，而不需要将样品送到遥远的实验室检测并等待结果。/pp　　据了解，该项目由美国国家科学基金会、国家航空航天局和国防部资助。目前，研究团队正进一步开发其各种可能的商业应用。/pp /p

据台湾媒体报道，9月4日台湾中山大学化学系谢建台教授公布了全新的便携式行动质谱仪器装置，克服了传统检验仪器耗时长的缺陷，已获得美国及台湾的发明专利。　　检验人员可携带该行动大气压力质谱仪，到现场即时检测各种食品中所含的不法化学添加物，改变传统化学分析流程，化被动为主动。　　研究人员称，质谱仪具有高灵敏度及监定结构能力，因此已成为科学界分析化学分子不可缺少的仪器，但必须先进行样品前处理，才能以质谱仪进行分析，可能要长达数小时。　　行动大气压力质谱仪的操作原理，是利用细微金属探针取样，以加热等施加能量方式将分析物气化，导入游离区，并使其与游离区内的带电荷物质反应后，使分析物带电荷，再进入质谱仪内被侦测 整个过程仅需数秒钟的极短时间。　　目前仪器可应用的范围包括各式物件及食品中环境荷尔蒙及如三聚氰胺等有害物质分析及蔬果表面及内部所含残留农药等，同时还可检测毒品与禁药。

研究背景气溶胶对人体健康、气候变化及空气质量都有显著的影响，一个关键影响因素是其粒径。在进行相关研究时，需要以高时空分辨率的气溶胶粒径分布数据为基础，这些数据需要通过组建高密度的监测网络获取。扫描电迁移率粒径谱仪 (SMPS) 是一种常用的粒径分布测量仪器，通过对气溶胶进行荷电、筛分、计数来获得粒径分布。其结果准确，但是价格昂贵、尺寸较大，不适用于高密度的组网监测。已有仪器公司开发出了商业化的便携式 SMPS，但在提升了便携性的同时也牺牲了其结果的准确度。这种便携式 SMPS 的不确定度通常来源于使用单极荷电器对气溶胶进行荷电，这种荷电器因其尺寸小、荷电效率高而在便携式 SMPS 中常用，但也同时有荷电分布不稳定的缺点，而荷电分布正是获得准确粒径分布的重要参数。近日，清华大学蒋靖坤教授研究组展示了一种能够降低荷电过程带来的不确定度的新测量方法，包括使用大气天然离子对气溶胶的荷电和同时测量带正电和带负电的气溶胶粒径分布，将新方法应用于一台商用的便携式SMPS 以减少单极荷电器带来的不确定度。通过使用这种新的测量方法，研究组提高了便携式 SMPS 的性能，同时进一步减小了其尺寸，使其更适合于建立大气网格化监测设施。该文章题为 “Improving the performance of portable aerosol size spectrometers for building dense monitoring networks” (《研发适用于大气网格化监测的便携式气溶胶粒径谱仪》)，发表在期刊 Environmental Science: Atmospheres 上。论文详情本工作中，研究人员通过对一台商业化的便携式 SMPS 进行改造，实现了新方法的应用。该台便携式 SMPS 原本通过单极人工荷电器调节气溶胶的荷电分布，并测量带正电的气溶胶粒径分布，结合荷电分布反演得到全部气溶胶（带正电+带负电+不带电）的粒径分布，这也是大多数 SMPS 的常用方法。而大气中有天然离子在调节着气溶胶的荷电分布，即使不使用人工荷电器，同时测量带正电和带负电的气溶胶粒径分布就可以获知这一荷电分布，并用于数据反演，这一新方法已被应用于 SMPS 上并证明了可靠性。在本工作中，通过去掉便携式 SMPS 上单极荷电器进而使用天然大气离子荷电，并将原本的单极高压电源替换为双极高压电源，使新方法可以被应用于这台仪器。为了检验改造后的仪器性能，研究人员使用了大气气溶胶和室内气溶胶进行测试，并将改进前后的粒径谱仪测量结果与一套参考粒径谱仪的测量结果进行了比较。比较的指标包括分粒径段数浓度、几何平均粒径、几何标准偏差等刻画粒径分布的重要参数，改进后的仪器与参考仪器具有更好的一致性。图 1. 改造前后便携式 SMPS 与参考 SMPS 不同参数的对比，(a) 改造后, (b) 改造前总结展望在选择应用于高密度组网监测的粒径分布测量仪器时，一大挑战是在测量结果的准确性与仪器的便携性和易于维护之间找到一定平衡。现有的商用便携式 SMPS 具有很大的应用潜力，它们已经成功地将尺寸缩小到合理的范围，但是其常用的单极荷电器对测量结果造成了较大不确定性。在本工作中，研究人员展示了新测量方法在便携式 SMPS 中的应用，通过利用天然大气离子荷电和测量两个极性的带电气溶胶，改造后的仪器更紧凑，也可以获得更准确的结果。新方法的应用使便携式 SMPS 更接近于建立密集监测网络的理想仪器，未来也可以被应用于职业暴露监测、机载测量等应用场景。论文信息Improving the performance of portable aerosol size spectrometers for building dense monitoring networksYiran Li, Jiming Hao and Jingkun Jiang*Environ. Sci.: Atmos., 2023https://doi.org/10.1039/D2EA00163B 作者介绍李怡然 清华大学博士研究生第一作者，博士研究生，指导教师为郝吉明院士和蒋靖坤教授，主要研究方向为双极气溶胶电迁移率粒径谱仪研发与应用。郝吉明 清华大学教授合作作者，清华大学环境学院教授，中国工程院院士、美国工程院外籍院士。主要研究领域为能源与环境、大气污染控制工程。主持全国酸沉降控制规划与对策研究，为确定我国酸雨防治对策起到了主导作用。建立了城市机动车污染控制规划方法，推动我国机动车污染控制的进程。深入开展大气复合污染特征、成因及控制策略研究，发展了特大城市空气质量改善的理论与技术方法，推动我国区域性大气复合污染的联防联控。蒋靖坤 清华大学教授通讯作者，清华大学环境学院教授，清华大学科研院副院长、环境学院副院长和环境模拟与污染控制国家重点联合实验室副主任。从事气溶胶测量和颗粒物成因研究。承担了国家重点研发计划、基金委重大项目、国家重大科研仪器设备研制专项等任务。发表 SCI 论文 180 余篇，授权发明专利 10 余项。入选教育部长江学者特聘教授，获国际气溶胶领域 Smoluchowski Award 和亚洲青年气溶胶科学家奖。任 Aerosol Science and Technology 副主编和 ES&T Letters 编委。