开动、看路、油门、监测： Vocus B环境空气走航最小成本解决方案

2024-04-15 17:48:46, Lopez-Hilfiker等 TOFWERK中国-南京拓服工坊

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2024.4.1

Vocus B环境空气走航最小成本解决方案

TOFWERK

Vocus CI-TOF

当前环境和城市的快速发展使得对综合空气质量和气候数据监测的需求日益增长。车载移动环境空气监测为应对这一挑战提供了重要的解决方案，并提供了传统固定点位监测无法匹敌的空间和时间分辨率。这些移动监测平台可以为监管和研究机构收集重要数据，帮助识别污染点源、了解对流层内的光化学反应并量化对人类的健康风险。

本文中，将TOFWERK新开发的Vocus B化学电离飞行质谱仪（Vocus B CI-TOF）安装在普通家用汽车上，无需特别的移动实验室设计和改造。Vocus B结构紧凑，具有快速切换试剂离子和TOF电压极性的功能，以及超‘软’化学电离功能。上述组合使用户只需要一台仪器，即可实现高覆盖度的无机和有机化合物快速检测。

在普通家用汽车中安装仪器

如图1所示，将Vocus B安装在一辆普通的混动汽车中，由汽车电池供电，仪器功耗约700瓦，氮气发生器功耗为350瓦（不包括压缩机的周期性循环）。仪器安装在减震支架上，以减少行使过程中的撞击和震动。气体进样口安装在车顶上，面向汽车前方，仪器排气管通过副驾驶窗户排到车外。

汽车从瑞士图恩的TOFWERK总部出发，行驶约25公里，穿过小镇和农田，到达瑞士伯尔尼市。

图1 Vocus B和紧凑型氮气发生器安装在一辆电动汽车中，用于移动空气检测。仪器和N₂发生器均由汽车电池供电，在瑞士伯尔尼周边行驶约三小时

Vocus B化合物覆盖范围

通常情况下，同时测量不同类型的物种需要多台质谱仪才能实现。Vocus B只需一台仪器，通过快速的试剂和极性切换，配备多种超软化学电离试剂，能够同时测量无机酸、过氧化物、碳氢化合物、氨气和有机胺等。

图2展示了Vocus B在行驶过程中测量到的氨、硝酸和单萜烯的时间序列。这些数据显示了Vocus B能够同时测量多种不同类型的化合物的检测能力。而一般情况下，完成这种测量通常需要好几个仪器，并需要配备相应空间和耗材。多选择性试剂离子与软化学电离的结合，可以将结构更紧凑、偏低质量分辨率的仪器仍然能够实现对痕量、‘黏性’、活性化合物的强力和灵敏检测，这种检测能力的实现对其他原理和设计的在线测量技术是具有较大的性能优势。

图 2. 氨、硝酸、单萜烯和异戊二烯羟基过氧化物 (ISOPOOH) 的时间序列，质谱图简单，碎片可忽略不计。Vocus B 采用超‘软’电离技术和快速试剂离子切换，能够测量通常难以用单离子模式测量的化合物

除了广谱检测能力外，Vocus B 还具有高灵敏度，可识别痕量碳氢化合物，这通常可以用质子转移反应质谱法 (PTR-MS) 完成分析。Vocus B 能以高时间分辨率检测到检测限为单个 ppt 浓度乃至更低的这些物质。图 3 展示了在低 ppb 浓度区间检测到的甲苯、二甲苯、甲酸、丙二醇单甲醚 (PGME) 和三甲苯 (TMB)的时间序列。

图 3. 某走航路段中甲苯、二甲苯、TMB、甲酸和 PGME 时间序列。由于甲酸是光化学氧化产物，因此分布较广泛，而甲苯、二甲苯和 TMB 的来源则局部效应较为明显

绘图和实时数据

利用同步记录的 GPS 数据，绘制了三种代表性化合物的浓度分布（图4）。左图是伯尔尼和图恩之间山谷中测到的氨气的浓度空间分布，这些浓度热点可归因于该地区的农业活动。右上图（A）显示了行使路径的放大部分，展示了图恩市区的 PGME 浓度，PGME 浓度的升高可能是由于行使路径附近的印刷厂造成的。右下图（B）展示了在瑞士图恩和戈尔迪维尔之间的丘陵森林地区测量到的单萜烯含量。

图 4. 在伯尔尼和图恩之间的行驶路线上测量到的氨气、PGME 和单萜烯浓度的示意图。移动大气监测车的行驶路线用相应的颜色标记，与右侧的图例相对应。颜色梯度从低浓度（蓝色）到高浓度（红色）不等。地图上标注的 A 点和 B 点在右侧面板上有更详细的显示

Vocus B 的快速切换能力不仅能更好地覆盖化合物，还能实时监测不同类型物种的浓度变化，不会丢失瞬时信号。图 5 展示了使用丙酮试剂离子检测到的甲乙酮 (MEK) 的时间序列，可以看到洗车设施附近的浓度突然增加。分析以蓝色标出事件的质谱，可以看到存在其他溶剂，如 PGME 和乙酸正丁酯 (nBA)。同时，分析红色标注事件的质谱，可以发现其他化合物，包括二甲苯、TMB、甲苯和其他碳氢化合物。这些变化可能与附近车辆和加油站的排放物有关。这个示例突出说明了 Vocus B 如何实现实时、全面的分析，使我们能够精确定位特定事件，并将其与诱发因素联系起来。

图 5. 移动监测中观察到的洗车设施附近 MEK 浓度增加的多个点事件（左）。丙酮试剂离子和苯试剂离子段的相应高亮事件的综合谱图分别以蓝色和红色显示

结论

本文所展示的测量结果表明，Vocus B 无需改装，即可集成到家用汽车中进行车载移动空气监测，无需对车辆内部进行任何永久性改动，同时完全由汽车现有的电池系统供电。

此外，我们还展示了 Vocus B 同时检测多种不同类型的化学物质的突出能力，这些化合物传统上是需要通过组合搭配几种不同原理的监测技术进行评估的。之所以能做到这一点，是因为 Vocus B 系列将软电离 Vocus Aim 反应器与TOF快速极性切换技术独特地结合在一起。这确保了对化合物进行精确、实时的测量。得益于这些前所未有的功能，Vocus B 非常适合车载移动大气监测。该仪器便携小巧，而且检测能力强大，结果易于解读。

简而言之，传统定点和车载移动测量可能需要一整套不同种类的仪器，耗费大量空间、电力、耗材和人力维护，而现在只需一台：TOFWERK Vocus B。