大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪及其使用方法技术

本发明专利技术公开了大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其中：包括依次连接的大气在线收集装置、大流量质量流量控制器、大流量电磁控制阀、分离腔、MnO2催化室、小流量质量流量控制器、冷凝部、干燥室、真空泵以及衰荡腔，分离腔内安装有石英纤维膜，分离腔的进口侧分别连接有载气瓶和O2气瓶，分离腔上设有加热器，衰荡腔为真空腔，衰荡腔腔内有反射镜，衰荡腔外设置有激光系统和聚焦光路，衰荡腔外设置有光谱仪，光谱仪能接收从出光口射出的激光，并对激光进行光谱分析。本发明专利技术具有可以实时收集大气颗粒物并检测C同位素的装置，实现OC/EC分辨，

On-line Laser Detector and Analyser for Carbon Isotope of Atmospheric Particulates and Its Application

The invention discloses an on-line laser detection analyzer for carbon isotope of atmospheric particulate matter, which comprises an on-line air collection device connected in turn, a mass flow controller with large flow rate, a large flow electromagnetic control valve, a separation chamber, a MnO 2 catalytic chamber, a small flow mass flow controller, a condensation section, a drying chamber, a vacuum pump and a ring-down chamber, and quartz fiber membrane is installed in the separation chamber for separation. The inlet side of the cavity is connected with the carrier gas cylinder and the oxygen gas cylinder respectively. The separation chamber is equipped with a heater. The ring-down chamber is a vacuum chamber. There are mirrors in the ring-down chamber. A laser system and a focusing light path are arranged outside the ring-down chamber. A spectrometer is equipped outside the ring-down chamber. The spectrometer can receive the laser emitted from the light outlet and carry out spectral analysis of the laser. The invention has a device capable of collecting atmospheric particulate matter in real time and detecting C isotope to realize OC/EC resolution.

【技术实现步骤摘要】
大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪及其使用方法
本专利技术属于碳同位素检测的
，具体涉及大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪及其使用方法。
技术介绍
随着工业的发展，我国许多地区出现雾霾天气，人们长期暴露于高浓度颗粒物环境中,导致人群中呼吸系统疾病的发病率和死亡率提高，雾霾污染与健康的关系引起了广泛关注。雾霾是一个组合词,是雾和霾的统称。雾霾是大量人为排放的污染物在特定的气象条件下积聚造成的。研究表明,高浓度的细颗粒物PM2.5（粒径小于或等于2.5nm的颗粒物)和气溶胶污染是雾霾的根本成因。防治大气雾霾最好的方式是追本溯源，利用科学手段找到排放大气污染物的源头进行整治，碳（Carbon）质气溶胶作为大气颗粒物中重要的组成部分，是寻找污染物源头理想的着手点。因此我们希望开发出利用C同位素来寻找大气污染物的源头的方法。大气中含碳质组分通常可以分为2大类：有机碳（OrganicCarbon，OC）和元素碳（ElementalCarbon，EC）。OC和EC的热学性质有所不同，OC在热作用下产生的EC会先于EC产生氧化作用。因此，我们利用此性质来区分两者在大气中的比值。同样C的来源多种多样，大气组分中含有的多种C的同位素，如13C等。含C不同同位素的物质对应的吸收光谱不同，因此可以选用吸收光谱检测C同位素在大气中的含量。腔衰荡光谱具有灵敏度高、信噪比、高抗干扰能力强等优点，通过OC/EC分辨手段再结合腔衰荡光谱进而实现实时检测C同位素。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种集成的可以实时收集大气颗粒物并检测C同位素的装置，实现OC/EC分辨，13C含量检测等功能的大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪及其使用方法。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其中：包括依次连接的大气在线收集装置、大流量质量流量控制器、大流量电磁控制阀、分离腔、MnO2催化室、小流量质量流量控制器、冷凝部、干燥室、真空泵以及衰荡腔，大气在线收集装置用于收集大气样品，大流量质量流量控制器用于记录流经的大气流量，大流量电磁控制阀用于开断大流量质量流量控制器与分离腔之间的通路，分离腔内安装有石英纤维膜，石英纤维膜用于过滤进入分离腔的大气，吸附大气中的碳质气溶胶，分离腔的进口侧分别连接有载气瓶和O2气瓶，分离腔的出口侧开设有排气口，分离腔内的气体可从分离腔的出口或排气口排出，分离腔上设有加热器，加热器能对石英纤维膜加热，分离腔的出口与MnO2催化室连通，小流量质量流量控制器用于记录流经的气体流量，冷凝部用于对气体降温，干燥室用于对气体干燥，真空泵能将干燥室的气体抽入衰荡腔，衰荡腔为真空腔，衰荡腔下方装有分子泵，分子泵用于抽出衰荡腔内气体，衰荡腔腔内两侧设有两块高反射率的反射镜，衰荡腔上开设进光口和出光口，衰荡腔外设置有激光系统和聚焦光路，激光系统射出的激光经聚焦光路聚焦后，射入进光口，激光经反射镜若干次反射后，从出光口射出，衰荡腔外设置有光谱仪，光谱仪能接收从出光口射出的激光，并对激光进行光谱分析。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的激光探测分析仪还包括控制中心，控制中心分别与大气在线收集装置、大流量电磁控制阀、分离腔出口以及排气口上安装的开关阀、大流量质量流量控制器、加热器、小流量质量流量控制器、分子泵、真空泵、载气瓶和O2气瓶连接，并控制大气在线收集装置收集大气样本，接收大流量质量流量控制器以及小流量质量流量控制器信息，开断大流量电磁控制阀、分离腔出口以及排气口上安装的开关阀、分子泵、真空泵、载气瓶和O2气瓶，控制加热器加热。上述的光谱仪连接有分析芯片，分析芯片还与大流量质量流量控制器以及小流量质量流量控制器连接或与控制中心连接，分析芯片接收光谱仪、大流量质量流量控制器以及小流量质量流量控制器的信息，分析芯片还连接显示器，分析芯片能将信息在显示器上显示。上述的控制中心为电脑或单片机，分析芯片为单片机。上述的衰荡腔连接有集成参考气体装置，集成参考气体装置21内有预知13C含量的CO2气体。上述的冷凝部为蛇形冷凝管。上述的反射镜的反射率为99%以上的凹面镜。上述的载气瓶内的载气为He气。大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪的使用方法，包括以下步骤：步骤a、关闭分离腔的进口和出口，打开排气口，以载气瓶中的载气冲洗分离腔，使分离腔内充满载气，关闭排气口；MnO2催化室、冷凝部、干燥室以及衰荡腔均为真空状态；步骤b、大气在线收集装置收集大气样本，打开排气口和大流量电磁控制阀，将收集的大气样本通过大流量质量流量控制器和大流量电磁控制阀进入分离腔，大流量质量流量控制器记录进入的大气流量，发送至控制中心，充入预定量的大气样本后，再以载气冲洗分离腔，使分离腔内的大气样本均经过石英纤维膜，大气样本中的碳质气溶胶被吸附在石英纤维膜上，余气从排气口排出；步骤c、关闭排气口，向分离腔充入定量的载气，然后控制加热器逐渐加热，直至吸附在石英纤维膜上的碳质气溶胶中有机碳完全溢出，打开分离腔出口，混有有机碳的载气经小流量质量流量控制器进入MnO2催化室与MnO2发生反应生成CO2，小流量质量流量控制器记录进入的载气流量，气体进入冷凝部进行冷却，再进入干燥室干燥，被真空泵吸入衰荡腔中；激光系统射出激光，经聚焦光路聚焦后，射入衰荡腔的进光口，激光在衰荡腔内经过多次反射，部分被衰荡腔内CO2气体吸收，不同的碳同位素CO2气体将吸收不同的波长的激光，其余激光在两个反射镜若干次反射后，从出光口射出，由光谱仪收集，分析芯片实时处理分辨出衰荡腔中C同位素的含量，从而推导出大气样本有机碳中C同位素的含量；并将结果显示在显示器上；步骤d、以分子泵抽空各管路内空气，关闭分离腔的出口，向分离腔充入定量的载气和O2的混合气，然后控制加热器加热，使得吸附在石英纤维膜上的元素碳和O2反应氧化生成CO2溢出，待反应完全，打开分离腔的出口，混有CO2的混合气经小流量质量流量控制器进入MnO2催化室，小流量质量流量控制器记录进入的载气流量，气体进入冷凝部进行冷却，再进入干燥室干燥，被真空泵吸入衰荡腔中；激光系统射出激光，经聚焦光路聚焦后，射入衰荡腔的进光口，激光在衰荡腔内经过多次反射，部分被衰荡腔内CO2气体吸收，不同的碳同位素CO2气体将吸收不同的波长的激光，其余激光在两个反射镜若干次反射后，从出光口射出，由光谱仪收集，分析芯片实时处理分辨出衰荡腔中C同位素的含量，从而推导出大气样本元素碳中C同位素的含量；并将结果显示在显示器上。步骤d后，具有步骤e：以分子泵抽空各管路内空气，保持衰荡腔密封，以集成参考气体装置向衰荡腔内充入定量的预知13C含量的CO2气体，作为参考气体，激光系统射出激光，经聚焦光路聚焦后，射入衰荡腔的进光口，激光在衰荡腔内经过多次反射，部分被衰荡腔内预知13C含量的CO2气体吸收，其余激光在两个反射镜若干次反射后，从出光口射出，由光谱仪收集，分析芯片实时处理分辨出衰荡腔中13C的含量，并将此含量与预知13C含量作对比，确定矫正比，将此矫正比带入到步骤c和步骤d测出的C同位素的含量中，得到矫正后C同位素的含量值，并将结果显示在显示器上。本专利技术具有以下有益效果：1、此装置可以实时在线探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：包括依次连接的大气在线收集装置(1)、大流量质量流量控制器(2)、大流量电磁控制阀(3)、分离腔(4)、MnO2催化室(7)、小流量质量流量控制器(8)、冷凝部(10)、干燥室(11)、真空泵(22)以及衰荡腔(12)，所述的大气在线收集装置(1)用于收集大气样品，所述的大流量质量流量控制器(2)用于记录流经的大气流量，所述的大流量电磁控制阀(3)用于开断大流量质量流量控制器(2)与分离腔(4)之间的通路，所述的分离腔(4)内安装有石英纤维膜(5)，石英纤维膜(5)用于过滤进入分离腔(4)的大气，吸附大气中的碳质气溶胶，所述的分离腔(4)的进口侧分别连接有载气瓶(19)和O2气瓶(20)，所述的分离腔(4)的出口侧开设有排气口，分离腔(4)内的气体可从分离腔(4)的出口或排气口排出，所述的分离腔(4)上设有加热器(6)，所述的加热器(6)能对石英纤维膜(5)加热，所述的分离腔(4)的出口与MnO2催化室(7)连通，小流量质量流量控制器(8)用于记录流经的气体流量，冷凝部(10)用于对气体降温，干燥室(11)用于对气体干燥，真空泵(22)能将干燥室(11)的气体抽入衰荡腔(12)，衰荡腔(12)为真空腔，衰荡腔(12)下方装有分子泵(13)，分子泵(13)用于抽出衰荡腔(12)内气体，衰荡腔(12)腔内两侧设有两块高反射率的反射镜，衰荡腔(12)上开设进光口和出光口，衰荡腔(12)外设置有激光系统(15)和聚焦光路(14)，所述的激光系统(15)射出的激光经聚焦光路(14)聚焦后，射入进光口，激光经反射镜若干次反射后，从出光口射出，所述的衰荡腔(12)外设置有光谱仪(16)，所述的光谱仪(16)能接收从出光口射出的激光，并对激光进行光谱分析。...

【技术特征摘要】
1.大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：包括依次连接的大气在线收集装置(1)、大流量质量流量控制器(2)、大流量电磁控制阀(3)、分离腔(4)、MnO2催化室(7)、小流量质量流量控制器(8)、冷凝部(10)、干燥室(11)、真空泵(22)以及衰荡腔(12)，所述的大气在线收集装置(1)用于收集大气样品，所述的大流量质量流量控制器(2)用于记录流经的大气流量，所述的大流量电磁控制阀(3)用于开断大流量质量流量控制器(2)与分离腔(4)之间的通路，所述的分离腔(4)内安装有石英纤维膜(5)，石英纤维膜(5)用于过滤进入分离腔(4)的大气，吸附大气中的碳质气溶胶，所述的分离腔(4)的进口侧分别连接有载气瓶(19)和O2气瓶(20)，所述的分离腔(4)的出口侧开设有排气口，分离腔(4)内的气体可从分离腔(4)的出口或排气口排出，所述的分离腔(4)上设有加热器(6)，所述的加热器(6)能对石英纤维膜(5)加热，所述的分离腔(4)的出口与MnO2催化室(7)连通，小流量质量流量控制器(8)用于记录流经的气体流量，冷凝部(10)用于对气体降温，干燥室(11)用于对气体干燥，真空泵(22)能将干燥室(11)的气体抽入衰荡腔(12)，衰荡腔(12)为真空腔，衰荡腔(12)下方装有分子泵(13)，分子泵(13)用于抽出衰荡腔(12)内气体，衰荡腔(12)腔内两侧设有两块高反射率的反射镜，衰荡腔(12)上开设进光口和出光口，衰荡腔(12)外设置有激光系统(15)和聚焦光路(14)，所述的激光系统(15)射出的激光经聚焦光路(14)聚焦后，射入进光口，激光经反射镜若干次反射后，从出光口射出，所述的衰荡腔(12)外设置有光谱仪(16)，所述的光谱仪(16)能接收从出光口射出的激光，并对激光进行光谱分析。2.根据权利要求1所述的大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：激光探测分析仪还包括控制中心(9)，所述的控制中心(9)分别与大气在线收集装置(1)、大流量电磁控制阀(3)、分离腔(4)出口以及排气口上安装的开关阀、大流量质量流量控制器(2)、加热器(6)、小流量质量流量控制器(8)、分子泵(13)、真空泵(22)、载气瓶(19)和O2气瓶(20)连接，并控制大气在线收集装置(1)收集大气样本，接收大流量质量流量控制器(2)以及小流量质量流量控制器(8)信息，开断大流量电磁控制阀(3)、分离腔(4)出口以及排气口上安装的开关阀、分子泵(13)、真空泵(22)、载气瓶(19)和O2气瓶(20)，控制加热器(6)加热。3.根据权利要求2所述的大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：所述的光谱仪(16)连接有分析芯片(17)，所述的分析芯片(17)还与大流量质量流量控制器(2)以及小流量质量流量控制器(8)连接或与控制中心(9)连接，分析芯片(17)接收光谱仪(16)、大流量质量流量控制器(2)以及小流量质量流量控制器(8)的信息，分析芯片(17)还连接显示器(18)，所述的分析芯片(17)能将信息在显示器(18)上显示。4.根据权利要求3所述的大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：所述的控制中心(9)为电脑或单片机，所述的分析芯片(17)为单片机。5.根据权利要求4所述的大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：所述的衰荡腔(12)连接有集成参考气体装置(21)，所述的集成参考气体装置(21)内有预知13C含量的CO2气体。6.根据权利要求5所述的大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：所述的冷凝部(10)为蛇形冷凝管。7.根据权利要求6所述的大气颗粒物碳同位素在线激光探测分析仪，其特征是：所述的反射镜的反射率为99%以上的凹面镜。8.根据权利要求7所述的大气颗粒物碳同位素在线激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜逸辉，刘玉柱，章炎麟，常运华，张启航，尹文怡，丁鹏飞，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32