【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及污染物溯源監(jiān)測，尤其涉及一種大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)及其應(yīng)用方法。
技術(shù)介紹
1、本專利技術(shù)
技術(shù)介紹
中公開的信息僅僅旨在增加對(duì)本專利技術(shù)的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。
2、揮發(fā)性有機(jī)物在大氣環(huán)境中普遍存在，其種類繁多，時(shí)空變化迅速。而揮發(fā)性有機(jī)物會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境空氣產(chǎn)生重大影響，一方面，許多揮發(fā)性有機(jī)物本身具備毒理特性，人體直接吸入會(huì)引發(fā)各類疾病；另一方面，其也是臭氧和二次有機(jī)氣溶膠形成的重要前體物，進(jìn)而引發(fā)臭氧污染和光化學(xué)煙霧等惡性環(huán)境污染事件。而對(duì)于揮發(fā)性有機(jī)物污染的問題，溯源監(jiān)測是關(guān)鍵。
3、長久以來關(guān)于氣體污染的溯源監(jiān)測技術(shù)，以機(jī)器人/機(jī)器狗配載傳感器進(jìn)行地面搜索為主，但受地面環(huán)境復(fù)雜度的影響，機(jī)器人/機(jī)器狗的搜索覆蓋范圍較小，同時(shí)定位速度也較慢。無人機(jī)因其超高的靈活機(jī)動(dòng)性，可以進(jìn)行多層次多維度的搜索，近年來，也被開發(fā)用于大氣污染物的應(yīng)急溯源檢測。目前，研究較多的技術(shù)以無人機(jī)搭配氣味傳感器、風(fēng)向傳感器、氣體傳感器等傳感設(shè)備結(jié)合溯源算法進(jìn)行空中溯源為主，這種技術(shù)被稱為主動(dòng)嗅覺技術(shù)。然而，對(duì)于種類繁多的揮發(fā)性有機(jī)物，傳感器的性能和物質(zhì)檢測范圍非常有限，搭配無人機(jī)進(jìn)行溯源檢測時(shí)并不能全面獲得污染源的污染信息。
4、現(xiàn)階段針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物檢測的便攜式質(zhì)譜技術(shù)研究成為近年來研究的熱點(diǎn)，其中微型離子阱質(zhì)譜因其小巧的體積、較高的工作氣壓以及單一分析器的串級(jí)質(zhì)譜分析能力使得其在揮發(fā)性有機(jī)物溯
5、普渡大學(xué)的graham?r.cooks團(tuán)隊(duì)一直致力于離子阱質(zhì)譜微型化的工作，其提出非連續(xù)性大氣壓接口，打破了真空泵組對(duì)質(zhì)譜小型化的束縛，開發(fā)出手持式一級(jí)真空微型離子阱質(zhì)譜結(jié)合大氣壓下電離實(shí)現(xiàn)多種化合物檢測。但是具備非連續(xù)大氣壓接口的便攜式離子阱質(zhì)譜由于氣壓劇烈變化導(dǎo)致儀器定量穩(wěn)定性不能滿足揮發(fā)性有機(jī)物定量要求，而且非連續(xù)大氣壓接口中使用的夾管閥通過壓縮彈性硅橡膠管實(shí)現(xiàn)離子進(jìn)樣儀器，儀器長期使用的魯棒性差。北京理工大學(xué)徐偉團(tuán)隊(duì)使用毛細(xì)管進(jìn)樣，研發(fā)出一款新型的具備連續(xù)性大氣壓接口的二級(jí)差分真空微型離子阱質(zhì)譜，改善了儀器的穩(wěn)定性和魯棒性。而且，該儀器在第一級(jí)真空中引入離子漏斗聚焦離子，提升離子傳輸效率，獲得了10ppbv的甲苯檢測限。但針對(duì)用于揮發(fā)性有機(jī)物溯源監(jiān)測的微型離子阱質(zhì)譜而言，離子漏斗裝配復(fù)雜且存在低質(zhì)量歧視問題，質(zhì)荷比低于100da的化合物難以檢出。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李海洋團(tuán)隊(duì)，搭建了二級(jí)真空差分離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，嘗試在第一級(jí)差分真空系統(tǒng)中100pa下使用六極桿進(jìn)行離子傳輸聚焦，實(shí)現(xiàn)了揮發(fā)性有機(jī)物的高靈敏定性定量，甲苯檢測限達(dá)到1ppbv，同時(shí)保持了較高的穩(wěn)定性，但目前該儀器主要針對(duì)污染源的短距離地面溯源監(jiān)測。
6、目前尚未有現(xiàn)有技術(shù)中將便攜式離子阱質(zhì)譜儀與無人機(jī)聯(lián)用，由于無人機(jī)在對(duì)污染物的溯源過程需要在空中進(jìn)行啟停、升降、加減速等過程，氣流的變化會(huì)使便攜式離子阱質(zhì)譜的檢測穩(wěn)定性下降，從而造成檢測結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此，如何提供一種具有較高檢測穩(wěn)定性的無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中揮發(fā)性有機(jī)物的全面監(jiān)測及溯源，是亟待解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，該系統(tǒng)能夠?qū)Υ髿庵械膿]發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行全面的監(jiān)測及溯源，具有高靈活性、高檢測精度和良好的檢測穩(wěn)定性。
2、第一方面，本專利技術(shù)提供了一種大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，包括無人機(jī)航測平臺(tái)和地面控制平臺(tái)；
3、所述地面控制平臺(tái)配備溯源算法軟件和通信模塊；
4、所述無人機(jī)航測平臺(tái)包括無人機(jī)和微型離子阱質(zhì)譜儀；所述微型離子阱質(zhì)譜儀與無人機(jī)相連；
5、所述微型離子阱質(zhì)譜儀包括進(jìn)樣單元、一級(jí)腔體、二級(jí)腔體、渦旋泵和分子泵；一級(jí)腔體和二級(jí)腔體之間通過錐孔電極在水平方向上相連通，分子泵通過抽氣管路與二級(jí)腔體連通，渦旋泵通過抽氣管路分別與分子泵及一級(jí)腔體連通；
6、所述進(jìn)樣單元包括錐形防渦槽和進(jìn)樣毛細(xì)管；所述錐形防渦槽的中軸線與水平方向平行，其內(nèi)部設(shè)置可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)；所述進(jìn)樣毛細(xì)管包括水平段和豎直段，所述進(jìn)樣毛細(xì)管的水平段的一端與所述錐形防渦槽的槽底連通，所述進(jìn)樣毛細(xì)管的豎直段的一端與一級(jí)腔體連通；所述進(jìn)樣毛細(xì)管的外側(cè)設(shè)置伴熱裝置。
7、優(yōu)選的，所述可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)與錐形防渦槽的中軸線垂直，可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)的外圈與錐形防渦槽相抵，可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)的直徑為錐形防渦槽的頂面直徑的1/3～2/3。
8、優(yōu)選的，所述一級(jí)腔體內(nèi)沿向二級(jí)腔體延伸的方向上依次設(shè)置射頻激發(fā)vuv燈、推斥電極、進(jìn)氣電極和片段四極射頻傳輸電極，所述進(jìn)樣毛細(xì)管垂直于射頻激發(fā)vuv燈徑向伸至所述進(jìn)氣電極內(nèi)部的中心孔；所述進(jìn)氣電極的中心孔徑沿向二級(jí)腔體延伸的方向逐漸變大。
9、進(jìn)一步的，所述微型離子阱質(zhì)譜儀中的推斥電極的施加電壓大于進(jìn)氣電極的施加電壓，且二者電壓壓差在10v以下；所述片段四極射頻傳輸電極的徑向上施加一對(duì)頻率為2.3mhz、峰峰值為0-500v可調(diào)、相位相差180°的射頻交流電壓，軸向上施加沿向二級(jí)腔體延伸的方向上梯度減小的兩級(jí)電壓，兩級(jí)電壓的壓差為10v以下。
10、優(yōu)選的，所述二級(jí)腔體內(nèi)沿遠(yuǎn)離一級(jí)腔體的水平方向上依次設(shè)置方形開孔電極、離子阱前端蓋電極、離子阱質(zhì)量分析器和離子阱后端蓋電極。
11、進(jìn)一步的，所述錐孔電極與方形開孔電極之間相距2～3mm，所述方形開孔電極與離子阱前端蓋電極之間相距2～3mm，所述錐孔電極、方形開孔電極和離子阱前端蓋電極三個(gè)電極構(gòu)成靜電透鏡結(jié)構(gòu)。
12、進(jìn)一步的，所述二級(jí)腔體內(nèi)還設(shè)置有離子檢測器，所述離子檢測器為電子倍增器，離子檢測器的中軸線與離子阱質(zhì)量分析器的中軸線垂直，離子檢測器的中心孔與離子阱質(zhì)量分析器的狹縫同軸，離子檢測器與離子阱質(zhì)量分析器相距5～10mm。
13、進(jìn)一步的，所述離子阱質(zhì)量分析器為雙曲面線性離子阱，其y電極施加一對(duì)頻率為1.09mhz、峰峰值為0～5000v可調(diào)的射頻電壓，用于實(shí)現(xiàn)離子的捕集；x電極施加一對(duì)頻率為235khz峰峰值為0～20v可調(diào)相位相差180°的輔助射頻電壓，用于實(shí)現(xiàn)離子的彈射；所述離子檢測器施加-1400～-1800v的電壓，用于接收離子阱質(zhì)量分析器中彈出的離子，實(shí)現(xiàn)離子信號(hào)的放大檢測。
14、優(yōu)選的，所述無人機(jī)為多旋翼運(yùn)載無人機(jī)，所述無人機(jī)的機(jī)身內(nèi)部集成有通信模塊和gps模塊，所述通信模塊用于將微型離子阱質(zhì)譜儀的檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂破脚_(tái)。
15、優(yōu)選的，所述微型離子阱質(zhì)譜儀通過鈑金固定于無人機(jī)機(jī)身下方，所述無人機(jī)上配備有攝像監(jiān)測儀。
16、第二方面，本專利技術(shù)提供了上述大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)的應(yīng)用方法，包括如下步驟：
17、在進(jìn)行溯源任務(wù)時(shí)，首先在地面控制平本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，包括無人機(jī)航測平臺(tái)和地面控制平臺(tái)；
2.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)與錐形防渦槽的中軸線垂直，可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)的外圈與錐形防渦槽相抵，可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)的直徑為錐形防渦槽的頂面直徑的1/3～2/3。
3.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述一級(jí)腔體內(nèi)沿向二級(jí)腔體延伸的方向上依次設(shè)置射頻激發(fā)VUV燈、推斥電極、進(jìn)氣電極和片段四極射頻傳輸電極，所述進(jìn)樣毛細(xì)管垂直于射頻激發(fā)VUV燈徑向伸至所述進(jìn)氣電極內(nèi)部的中心孔；所述進(jìn)氣電極的中心孔徑沿向二級(jí)腔體延伸的方向逐漸變大。
4.如權(quán)利要求3所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述推斥電極的施加電壓大于進(jìn)氣電極的施加電壓，且二者電壓壓差在10V以下；所述片段四極射頻傳輸電極的徑向上施加一對(duì)頻率為2.3MHz、峰峰值為0-500V可調(diào)、相位相差180°的射頻交流電壓，軸向上施加沿向二級(jí)腔體延伸的方向上梯度減小的兩級(jí)
5.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述二級(jí)腔體內(nèi)沿遠(yuǎn)離一級(jí)腔體的水平方向上依次設(shè)置方形開孔電極、離子阱前端蓋電極、離子阱質(zhì)量分析器和離子阱后端蓋電極。
6.如權(quán)利要求5所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述錐孔電極與方形開孔電極之間相距2～3mm，所述方形開孔電極與離子阱前端蓋電極之間相距2～3mm，所述錐孔電極、方形開孔電極和離子阱前端蓋電極三個(gè)電極構(gòu)成靜電透鏡結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求5所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述二級(jí)腔體內(nèi)還設(shè)置有離子檢測器，所述離子檢測器為電子倍增器，離子檢測器的中軸線與離子阱質(zhì)量分析器的中軸線垂直，離子檢測器的中心孔與離子阱質(zhì)量分析器的狹縫同軸，離子檢測器與離子阱質(zhì)量分析器相距5～10mm。
8.如權(quán)利要求7所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述離子阱質(zhì)量分析器為雙曲面線性離子阱，其Y電極施加一對(duì)頻率為1.09MHz、峰峰值為0～5000V可調(diào)的射頻電壓；X電極施加一對(duì)頻率為235kHz峰峰值為0～20V可調(diào)相位相差180°的輔助射頻電壓；所述離子檢測器施加-1400～-1800V的電壓。
9.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述無人機(jī)為多旋翼運(yùn)載無人機(jī)，所述無人機(jī)的機(jī)身內(nèi)部集成有通信模塊和GPS模塊，所述通信模塊用于將微型離子阱質(zhì)譜儀的檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂破脚_(tái)；所述微型離子阱質(zhì)譜儀通過鈑金固定于無人機(jī)機(jī)身下方；所述無人機(jī)上配備有攝像監(jiān)測儀。
10.如權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)的應(yīng)用方法，其特征在于，包括如下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，包括無人機(jī)航測平臺(tái)和地面控制平臺(tái)；
2.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)與錐形防渦槽的中軸線垂直，可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)的外圈與錐形防渦槽相抵，可拆卸導(dǎo)熱篩網(wǎng)的直徑為錐形防渦槽的頂面直徑的1/3～2/3。
3.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述一級(jí)腔體內(nèi)沿向二級(jí)腔體延伸的方向上依次設(shè)置射頻激發(fā)vuv燈、推斥電極、進(jìn)氣電極和片段四極射頻傳輸電極，所述進(jìn)樣毛細(xì)管垂直于射頻激發(fā)vuv燈徑向伸至所述進(jìn)氣電極內(nèi)部的中心孔；所述進(jìn)氣電極的中心孔徑沿向二級(jí)腔體延伸的方向逐漸變大。
4.如權(quán)利要求3所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述推斥電極的施加電壓大于進(jìn)氣電極的施加電壓，且二者電壓壓差在10v以下；所述片段四極射頻傳輸電極的徑向上施加一對(duì)頻率為2.3mhz、峰峰值為0-500v可調(diào)、相位相差180°的射頻交流電壓，軸向上施加沿向二級(jí)腔體延伸的方向上梯度減小的兩級(jí)電壓，兩級(jí)電壓的壓差為10v以下。
5.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源無人機(jī)離子阱質(zhì)譜系統(tǒng)，其特征在于，所述二級(jí)腔體內(nèi)沿遠(yuǎn)離一級(jí)腔體的水平方向上依次設(shè)置方形開孔電極、離子阱前端蓋電極、離子阱質(zhì)量分析器和離子阱后端蓋電極。
6.如權(quán)利要求5所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)污染物溯源...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：侯可勇，鄭天賜，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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