AirTox Monitor 将挥发性有机物（VOC）自主监测推至新高度

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2026.3.12

TOFWERK

Airtox monitor 

ACTRIS等大规模大气监测网络日益需要具备高时间分辨率、且在站点间和长时间范围内可比对的VOC数据。尽管PTR-MS技术已逐渐成为VOC检测的标准工具，但其在常规监测中的广泛应用一直受到以下因素限制：

• 仪器操作复杂性

• 需要频繁的手动校准和专家监督

• 数据在使用前需经过大量处理

这些障碍凸显了市场对稳健的的自主VOC监测平台的迫切需求，该平台需能够进行标准化、低维护的运行。为了应对这些挑战，AirTox Monitor被开发为一款独立的监测仪器，其设计优先考虑自动化、稳定性和标准化数据输出。

     AirTox Monitor基于TOFWERK VUV PTR反应器，并耦合高效飞行时间（TOF）质量分析器（R = 3500），能够检测与大气监测和法规监测要求的多种VOCs。非等离子体VUV光电离源显著提高了野外条件下的长期信号稳定性，同时保持了不受湿度影响的响应特性。集成模块可实现连续的在线质量校准和自动质量轴校正。硬件设计通过便捷的毛细管清洁和快速的VUV灯更换，进一步简化了维护性，减少了维护时间和操作停机时间，这正是可扩展的自主VOC监测部署的关键要求。

      分析软件通过自动背景扣除、预设的校准计划、持续的系统健康监测、内置的化合物库解析以及标准化的实时数据导出功能，支持自主运行。上述特征共同确保了在无现场操作员的情况下，仪器在长时间测量周期内具有稳定的响应和一致的数据质量。

      集成的采集与处理流程支持直接、实时的浓度报告。持续的校准和自动校正程序确保了长时间运行中稳定的质量精度和灵敏度。内置的质量控制指标可透明评估仪器状态和数据有效性，从而能够即时检测异常状况。因此，无需大量后处理或专业的质谱知识即可生成标准化的VOC数据，有力地支持了可靠的长期及网络规模的监测应用。

现场部署 - 测量站点

该仪器（图1）在两个已建立的大气监测地点分别部署了大约一个月：

1. 德国气象局（DWD）站点，德国——一个代表边界层条件的区域监测站。

2. 少女峰（JFJ）站点，瑞士——一个表征自由对流层条件的高海拔观测站。

      这两个站点共同在不同严苛环境和后勤限制下，对仪器性能进行了重要测试，证明了使用 AirTox Monitor 进行自主 VOC 监测的稳健性。

图1 图中展示了 AirTox Monitor在两个 ACTRIS 站点进行长期自主 VOC 监测部署的位置：德国气象局（DWD）站点和瑞士少女峰（JFJ）高海拔观测站。

      在这两个地点，仪器均在 2-3 小时内安装完毕并完全投入运行（图1所示）。启动后，在剩余的整个实验活动期间均无需现场操作，所有的监测和性能检查均通过远程方式进行。在整个部署期间，仪器以质量分辨率 R ≈ 3500 连续运行。自动校准程序每 24 小时执行一次，自动本底测量每 6 小时执行一次。系统性能参数能够实时监控。在安装期间或任何一个检测周期内，均无需进行手动调谐。

图2. 质荷比m/z 69（C₅H₉⁺，通常指认为异戊二烯）和m/z 137（C₁₀H₁₇⁺，通常指认为单萜烯）的实时AirTox Monitor输出浓度与相同原始数据的离线后处理数据集对比。

图2比较了通过AirTox Monitor实时处理得出的浓度，与对相同原始数据进行离线后处理所得的值，分别针对m/z 69和m/z 137。由于两套数据源自相同的测量，其差异完全源于数据处理方法。实时定量依赖于在预定义的狭窄质量窗口内进行积分，从而实现即时浓度报告。相比之下，离线后处理则包含本底扣除、精确峰拟合和优化的质量轴对齐，从而得到略高的信号强度回收值（recovered signal intensity）。相应地，后处理得出的浓度平均高出约20%。尽管存在这种系统性的尺度差异，我们仍可观察到极强的线性相关性（异戊二烯R² = 0.835，单萜烯R² = 0.775），表明数据实时处理能够精确捕捉浓度的时间变化和动态特征。其余的偏差与信号积分方法的差异一致，而非仪器性能所致。这些结果表明，AirTox Monitor的实时输出提供了稳健的定量信息，适用于常规及网络规模的VOC监测，而离线后处理则在需要时提供了进一步的精细化结果。

图3 (a) 德国气象局（DWD）和 (b) 瑞士少女峰（JFJ）站点为期一个月的自主VOC测量结果，展示了仪器稳定性和可靠的无人值守性能。上图突出了观测到的昼夜变化，而下图说明了在高海拔站点的稳定运行情况。

图3展示了在两个野外站点测得的异戊二烯和单萜烯的时间序列。此处将异戊二烯暂定为质荷比（m/z）69，单萜烯暂定为m/z 137。所报告的浓度代表在相同质荷比下检测到的异构体化合物的信号总和。在DWD站点，浓度水平大约在100 ppt到1 ppb之间。明显的昼夜变化清晰可见，表现为白天浓度升高，夜间浓度降低。这种模式主要受温度/光照依赖性排放驱动，并受到边界层动力学的复杂影响。相比之下，在JFJ站点，总体浓度水平较低，且日变化周期不明显，这反映了以自由对流层背景条件为主的特征。异戊二烯浓度看起来高于单萜烯，考虑到异戊二烯的高反应性和较短的大气寿命，这并非必然预期。一种可能的解释是，异戊二烯质量数处的信号可能包含了其他VOCs碎裂的贡献，这在文献中已有报道。更深入的讨论超出了本说明的范围。

总体而言，尽管两个站点的大气背景和浓度水平特征不同，该仪器在两地均可靠地量化了环境VOC浓度。数据显示了连续运行、由大气过程驱动的清晰时间变化性，以及在整个部署期间一致的仪器响应。这些结果凸显了该平台在长期环境监测应用中的适用性，此类应用对数据的连续性、稳定性和可靠性至关重要。

      图4 展示了在少女峰（JFJ）测得的选定人为源VOCs的时间序列，包括二甲苯、甲苯、苯和呋喃。背景浓度保持相对较低（约40–150 ppt），这与偏远的高海拔位置及典型的自由对流层条件一致。人为源化合物的偶发性增高清晰可见。短暂的峰值可能反映了站点附近的局部活动（例如游客存在或维护工作），而持续时间更长的、持续数小时的增高则更可能与边界层影响或区域输送事件有关。观测到的浓度升高与报告中该时期站点的施工活动时间相吻合。

图4. 少女峰（JFJ）测得的选定人为源VOCs（二甲苯、甲苯、苯和呋喃）的时间序列。

      总体而言，数据显示了仪器具备低检测限，能够定量极低的背景浓度，并对快速的瞬态污染事件敏感——这突出了其即使在偏远高海拔站点也适用于长期监测。

此次部署展示了其对监测网络和法规应用相关的几项实际优势：

1. 快速安装 最大限度地减少了后勤工作量和对站点的干扰。

2. 自主运行 减少了对持续现场专家支持的需求。

3. 通过降低操作复杂性，AirTox Monitor实现了比现有网络基础设施条件下更密集的空间覆盖和更长期的VOC观测。

      在德国气象局站点和少女峰为期一个月的部署表明，AirTox Monitor能够在实际条件下实现可靠、长期的VOC监测。稳定的性能与简化的操作相结合，支持了在不同环境特征站点间的常规大气观测。

      通过在保持高质量、定量VOC数据的同时降低操作障碍，AirTox Monitor支持了大气监测网络不断发展的需求，并有助于扩大VOC测量的时间和空间覆盖。尽管上述结果侧重于固定站点部署，该系统也可集成到移动平台上，进行高时间分辨率的测量。这使得单一仪器能够同时支持固定站点的长期观测和移动实验室的短期、空间分辨调查。这种灵活性扩展了该仪器在研究、监测和法规应用场景中的实用性。

    作者衷心感谢Felix Klein、Barbara Nassl和Anja Claude在DWD站点部署期间的支持与合作。我们同时感谢Martin Vollmer（瑞士联邦材料科学与技术研究所，EMPA）和Claudine Frieden（伯尔尼大学）在JFJ站点的合作与支持。此外，我们真诚感谢少女峰天文台运营经理Thomas Furter，他为在少女峰的仪器安装提供了支持，并完成了此次野外部署。