一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统及方法，该系统对颗粒物在线捕集、热脱附后，经过一维色谱柱和二维色谱柱分离，最后进入质谱检测。本发明专利技术所涉及的系统包括颗粒物粒径切割器、有机溶蚀器、电动三通阀、收集‑热脱附一体化装置、高温四通阀、电子压力控制器、气相色谱质谱联用系统、固态热调制解调器、一维色谱柱、二维色谱柱和调制柱等组件。本发明专利技术使用极性不同的两根色谱柱，将颗粒物中的有机组分按照沸点和极性分离，使得系统具有高分离度、高灵敏度、低检测限和高峰容量等优点，并且不同种类的化合物在色谱图上的分布有规律，便于定性分析。

An on-line measurement system and method for particulate organic components based on two-dimensional chromatography

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统及方法
本专利技术涉及环境监测
，特别是涉及基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统及方法。
技术介绍
有机物是大气颗粒物重要的组成成分，其质量浓度可以占到颗粒物总质量浓度的20-90％。研究颗粒有机物对研究颗粒物源解析、二次气溶胶的生成和生长、颗粒物健康风险评估和气溶胶的气候效应具有重要意义。大气颗粒物的有机组成十分复杂，种类繁多，测量困难。热脱附气溶胶气相色谱系统(ThermalDesorptionAerosolGasChromatographyMassSpectrometer,简称TAG)是测量分子水平大气颗粒物中有机物的有效手段。其原理是将颗粒物收集到热脱附装置(CollectionandThermalDesorptionCell，简称CTD)中，然后高温热脱附至冷肼或色谱柱柱头，随后气相色谱开始升温，有机组分按照沸点进行分离并检测。但是，挥发性和极性相近的化合物可能存在分度不高或共流出的情况，特别是在复杂的大气环境中。全二维气相色谱是提高分辨率、减少共流出的有效方法。在全二维气相色谱中，有机组分会根据沸点和极性在串联的两根色谱柱中进行分离。在一维气相色谱中不能分离或者存在共流出的有组分有可能在二维色谱柱中进行分离。由于其具有高分辨率、高峰容量、高灵敏度的优点，近年来，全二维气相色谱被应用到颗粒物有机化学组分在线测量系统中。调制解调器，简称调制器，是实现二维分离的关键部件。热调制器被广泛应用到大气颗粒物的测量中。热调制器通过冷却和加热位于一维和二维色谱柱之间的调制柱，周期性地释放一维色谱柱流出的组分到二维色谱柱。主流热调制器采用液氮或液态二氧化碳作制冷剂，主要用于实验室研究。这类制冷剂消耗量大，无法应用于实际大气观测中。因此，无制冷剂的热调制器引起了大气观测研究的关注。美国伯克利加州大学(UniversityofCalifornia,Berkeley)Goestein课题组结合TAG和无制冷剂的热调制器实现了在线大气颗粒物中有机组分的测量。这种热调制器没有使用液氮等制冷剂，而是利用涡流冷却器对压缩空气进行制冷，从而进行调制。针对外场观测，热调制器仍然有可改进的空间。近年来，Juong等人研发了一种固态热调制解调器，其使用半导体制冷，无需制冷剂或者压缩空气等制冷，体积小，功耗低，集成度高，适合外场观测。这种固态热调制器目前尚未应用在大气观测领域。因此希望有一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统及方法能够解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术公开了一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统及方法，所述在线测量系统包括：切割器、有机溶蚀器、第一电动三通阀、颗粒物收集热脱附一体化装置、第二电动三通阀、采样泵、高温电子四通阀、第一电子压力控制器、第二电子压力控制器、气相色谱、一维色谱柱、色谱柱连接卡套、固态热调制解调器、调制柱、二维色谱柱和四级杆质谱；切割器的入口连接待测对象，切割器的出口通过1/4英寸不锈钢管与有机溶蚀器的入口连接，有机溶蚀器的出口与第一电动三通阀的接口A连接，第一电动三通阀的接口C与颗粒物收集热脱附一体化装置的入口连接，颗粒物收集热脱附一体化装置的采样出口与第二电动三通阀的接口C连接，颗粒物收集热脱附一体化装置的热脱附出口与高温电子四通阀的接口A连接；采样泵的入口与第二电动三通阀的接口A连接；第一电动三通阀的接口B和第二电动三通阀的接口B通过1/16英寸不锈钢管连接至第一电子压力控制器的入口，第一电子压力控制器的出口与高温电子四通阀的接口D连接；高温电子四通阀的接口C与第二电子压力控制器连接；高温电子四通阀的接口B与气相色谱中的一维色谱柱的入口连接，一维色谱柱的出口通过色谱柱连接卡套连接固态热调制解调器中对称设置的两个调制柱，调制柱出口通过色谱柱连接卡套与二维色谱柱的入口连接；二维色谱柱的出口连接四级杆质谱。优选地,所述固态热调制解调器使用半导体制冷，最低温度可达-40℃；体积小巧，功耗低；独立于色谱柱温箱，安装简单，可与任何色谱平台连接；实现对C2-C40的调制，性能与主流热调制器相当。优选地，所述调制柱为毛细柱，所述调制柱对C10-C40的半挥发性或者低挥发性组分进行调制。优选地，如果所述一维色谱柱为弱极性柱，则所述二维色谱柱为中等或者强极性柱；如果所述一维色谱柱为中等或者强极性柱，则所述二维色谱柱为弱极性柱。本专利技术还公开了一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统的使用方法，所述在线测量方法包括以下步骤：步骤1：对颗粒物进行在线采集；步骤2：所述第一电子压力控制器控制反吹气压力，所述第二电子压力控制器控制所述气相色谱分析载气压力进行吹扫；步骤3：所述颗粒物收集热脱附一体化装置进行热脱附；步骤4：所述第一电子压力控制器控制热吹扫载气压力，所述第二电子压力控制器控制分析载气压力，所述颗粒物收集热脱附一体化装置升温进行热吹扫；步骤5：所述颗粒物收集热脱附一体化装置降温至室温优选地,所述步骤1对颗粒物进行在线采集的具体步骤：所述第一电动三通阀的A接口与C接口接通，所述第二电动三通阀的A接口与C接口接通，所述采样泵接通；所述颗粒物收集热脱附一体化装置保持室温，颗粒物通过切割器切割2.5μm的颗粒物，通过有机溶蚀器去除大气中的气体有机物，被所述颗粒物收集热脱附一体化装置捕集；所述高温四通阀的A与D、B与C接口接通，所述第一电子压力控制器控制颗粒物采样的反吹气压力，所述第二电子压力控制器控制所述气相色谱分析载气压力，气相色谱和质谱处于分析上一个样品的状态。在采样结束前，气相色谱和四级杆质谱结束分析，并进入待机状态，准备下一次的测量。优选地，所述步骤2吹扫的具体步骤：所述第一电动三通阀的B与C接口接通，所述第二电动三通阀的A与C接口接通，所述采样泵停止，所述高温四通阀的A与D、B与C接口接通，所述第一电子压力控制器控制反吹气压力，所述第二电子压力控制器控制所述气相色谱分析载气压力。优选地，所述步骤3的热脱附具体步骤：所述第一电动三通阀的B与C接口接通，所述第二电动三通阀的B与C接口接通，所述高温四通阀的A与B、C与D接口接通，所述第一电子压力控制器控制热脱附载气的压力。优选地，在所述步骤4中，所述第一电动三通阀的B与C接口接通，所述第二电动三通阀的A与C接口接通，所述高温四通阀A与D、B与C接口接通，所述第一电子压力控制器控制热吹扫载气压力，所述第二电子压力控制器控制分析载气压力，所述颗粒物收集热脱附一体化装置升温至340℃进行热吹扫。优选地，在所述步骤5中，所述第一电动三通阀的B与C接口接通，所述第二电动三通阀的A与C接口接通，所述高温四通阀的A与D、B与C接口接通，所述第一电子压力控制器控制吹扫载气压力，所述第二电子压力控制器控制分析载气压力，所述颗粒物收集热脱附一体化装置降温至室温。气相色谱和质谱分析。本专利技术提出了一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统及方法，本专利技术可对大气颗粒物或其他源排放体系的有机组分进行在线测量，测量周期为90分钟。本专利技术的优点为：可在线测量颗粒有机物分子水平的化学组分；可根据沸点和极性两个维度对颗粒物中有机物进行分离，提高分辨率，降低共流出。附图说明图1是基于二维色谱的颗粒物有机组分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统，其特征在于，所述在线测量系统包括：切割器、有机溶蚀器、第一电动三通阀、颗粒物收集热脱附一体化装置、第二电动三通阀、采样泵、高温电子四通阀、第一电子压力控制器、第二电子压力控制器、气相色谱、一维色谱柱、色谱柱连接卡套、固态热调制解调器、调制柱、二维色谱柱和四级杆质谱；切割器的入口连接待测对象，切割器的出口通过1/4英寸不锈钢管与有机溶蚀器的入口连接，有机溶蚀器的出口与第一电动三通阀的接口A连接，第一电动三通阀的接口C与颗粒物收集热脱附一体化装置的入口连接，颗粒物收集热脱附一体化装置的采样出口与第二电动三通阀的接口C连接，颗粒物收集热脱附一体化装置的热脱附出口与高温电子四通阀的接口A连接；采样泵的入口与第二电动三通阀的接口A连接；第一电动三通阀的接口B和第二电动三通阀的接口B通过1/16英寸不锈钢管连接至第一电子压力控制器的入口，第一电子压力控制器的出口与高温电子四通阀的接口D连接；高温电子四通阀的接口C与第二电子压力控制器连接；高温电子四通阀的接口B与气相色谱中的一维色谱柱的入口连接，一维色谱柱的出口通过色谱柱连接卡套连接固态热调制解调器中对称设置的两个调制柱，调制柱出口通过色谱柱连接卡套与二维色谱柱的入口连接；二维色谱柱的出口连接四级杆质谱。...

【技术特征摘要】
1.一种基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统，其特征在于，所述在线测量系统包括：切割器、有机溶蚀器、第一电动三通阀、颗粒物收集热脱附一体化装置、第二电动三通阀、采样泵、高温电子四通阀、第一电子压力控制器、第二电子压力控制器、气相色谱、一维色谱柱、色谱柱连接卡套、固态热调制解调器、调制柱、二维色谱柱和四级杆质谱；切割器的入口连接待测对象，切割器的出口通过1/4英寸不锈钢管与有机溶蚀器的入口连接，有机溶蚀器的出口与第一电动三通阀的接口A连接，第一电动三通阀的接口C与颗粒物收集热脱附一体化装置的入口连接，颗粒物收集热脱附一体化装置的采样出口与第二电动三通阀的接口C连接，颗粒物收集热脱附一体化装置的热脱附出口与高温电子四通阀的接口A连接；采样泵的入口与第二电动三通阀的接口A连接；第一电动三通阀的接口B和第二电动三通阀的接口B通过1/16英寸不锈钢管连接至第一电子压力控制器的入口，第一电子压力控制器的出口与高温电子四通阀的接口D连接；高温电子四通阀的接口C与第二电子压力控制器连接；高温电子四通阀的接口B与气相色谱中的一维色谱柱的入口连接，一维色谱柱的出口通过色谱柱连接卡套连接固态热调制解调器中对称设置的两个调制柱，调制柱出口通过色谱柱连接卡套与二维色谱柱的入口连接；二维色谱柱的出口连接四级杆质谱。2.根据权利要求1所述的基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统，其特征在于：所述固态热调制解调器使用半导体制冷，实现对C2-C40的调制。3.根据权利要求1所述的基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统，其特征在于：所述调制柱为毛细柱，所述调制柱对C10-C40的半挥发性或者低挥发性组分进行调制。4.根据权利要求1所述的基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统，其特征在于：如果所述一维色谱柱为弱极性柱柱，则所述二维色谱柱为中等或者强极性柱；如果所述一维色谱柱为中等或者强极性柱，则所述二维色谱柱为弱极性柱。5.一种如权利要求1所述的基于二维色谱的颗粒物有机组分在线测量系统的使用方法，其特征在于，所述在线测量方法包括以下步骤：步骤1：对颗粒物进行在线采集；步骤2：所述第一电子压力控制器控制反吹气压力，所述第二电子压力控制器控制所述气相色谱分析载气压力进行吹扫；步骤3：所述颗粒物收集热脱附一体化装置进行热脱附；步骤4：所述第一电子压力控制器控制热吹扫载气压力，...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋靖坤，安肇锦，任海霞，薛墨，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11