单颗粒质谱仪进样装置的设计与模拟

刘志影，李 磊，李 梅，傅 忠，周 振，黄正旭

(1. 上海大学环境污染与健康研究所，上海 200072； 2. 暨南大学环境工程系，广东 广州 510632；3. 广州禾信分析仪器有限公司，广东 广州 510530)

单颗粒质谱仪进样装置的设计与模拟

刘志影1，李 磊1，李 梅2，傅 忠3，周 振1，黄正旭2

(1. 上海大学环境污染与健康研究所，上海 200072； 2. 暨南大学环境工程系，广东 广州 510632；3. 广州禾信分析仪器有限公司，广东 广州 510530)

目前，广泛采用空气动力学透镜-喷嘴作为单颗粒质谱仪的进样装置。针对大气环境污染物PM2.5的研究需要，对单颗粒质谱仪进样装置中空气动力学透镜-喷嘴(聚焦颗粒的空气动力学直径在0.3～3 μm范围内)进行优化设计，并选用Fluent软件对颗粒运动进行数值模拟。仿真结果表明：优化设计的进样装置对粒径0.3～3 μm范围的颗粒聚焦效果较好，在距离装置出口24 cm处的颗粒束宽在0.03 mm以内。因此，优化设计的进样装置能满足单颗粒质谱仪对PM2.5颗粒进样聚焦的要求。

单颗粒质谱仪；PM2.5；空气动力学透镜-喷嘴；颗粒聚焦；数值模拟

在线气溶胶质谱仪是一类能够实时检测气溶胶粒径及其化学组成的分析仪器。气溶胶质谱技术在颗粒物的物理及化学性质表征方面的应用非常广泛，包括为大气环境气溶胶颗粒提供源解析和表征、材料合成、排放源检测及药物检测等[1-3]。根据检测原理和分析对象的不同，可以将气溶胶质谱分成很多类，如基于电子轰击电离的整体气溶胶质谱、基于激光的单颗粒气溶胶质谱以及采用软电离技术的新型单粒子质谱[4]。这些仪器都有一个共同的技术需求点，即需要将颗粒物从大气压引入真空，并能够将颗粒物聚焦成亚毫米级的准直颗粒束。对于单颗粒质谱技术而言，由于电离颗粒的脉冲激光光斑尺寸的限制，一般要求距离进样装置出口几十厘米处的颗粒束宽度不超过0.3 mm，这对准直进样技术的要求极高[5-6]。最早用于单颗粒质谱进样的方式是毛细管进样及汇聚喷嘴进样，这类进样方式的局限性在于能良好聚焦的粒径段较窄，且在这一粒径段之外的聚焦效率下降很快[7]。

目前，大多数在线气溶胶质谱仪器都采用了空气动力学透镜-喷嘴(简称透镜-喷嘴)作为仪器的进样系统[6,8]。空气动力学透镜是由圆通道内一系列不同内径和厚度的圆孔(透镜孔)组成，气体在经过每一个孔时形成压缩-扩张的流场，特定粒径范围的颗粒物会向中心轴线靠拢。透镜出口处连接喷嘴，气流在喷嘴出口处发生超音速膨胀并被真空泵抽走，颗粒物在加速气流的作用下具有不同速度，并且稀薄气体对其拖拽力很小，故仍将沿着透镜轴心进行运动，形成高质量的准直颗粒束。透镜-喷嘴系统能够聚焦的颗粒粒径的范围较宽，且传输率较高[7]。

Liu等[9]对透镜-喷嘴的气流场及颗粒运动进行了理论数学描述，并讨论了布朗力和升力对颗粒束宽的影响，建立了受这些因素影响下的颗粒物最窄束宽评估模型，此模型针对于300 nm以下超微细颗粒的聚焦效率可以达到100%[10]。Wang等[11-14]针对3～30 nm粒径范围的颗粒聚焦问题，进行设计的理论公式推导及数值模拟，并编写了一套用于辅助设计透镜-喷嘴系统主要尺寸的程序代码。Zhang等[15]从透镜尺寸、流体的雷诺数和颗粒的斯托克斯数对颗粒束宽及传输率影响的角度来研究空气动力学透镜-喷嘴系统的性能。目前，对聚焦颗粒范围的研究主要集中在亚-微米级别[16-18]。随着人们对大气环境污染的关注，研究能够聚焦PM2.5范围内大颗粒的空气动力学透镜是非常必要的。

本研究拟研制颗粒聚焦范围在0.3～3 μm的单颗粒质谱仪进样装置，对其空气动力学透镜-喷嘴结构进行优化设计，并利用Fluent软件对颗粒在透镜-喷嘴内的运动轨迹进行数值模拟，旨在满足单颗粒质谱仪对PM 2.5颗粒进样聚焦的要求。

1 理论设计

装置结构包括：进样孔、缓冲腔、透镜和喷嘴，其中对颗粒起聚焦作用的主要是透镜。进样孔主要控制载气的流量，它的前后压差相差2个数量级，在进样孔的出口处，载气会形成超音速流动，小孔的尺寸决定进入装置和仪器内载气的流量。颗粒从进样孔进入装置后速度很快，此时需要缓冲腔结构来降低颗粒的速度。喷嘴主要控制进样装置内的气压，即控制聚焦透镜的气压。同时，喷嘴出口也会形成超音速流动，颗粒在经过喷嘴后被加速到不同速度。整个进样装置的示意图示于图1。

图1 进样装置结构示意图Fig.1 Schematic of the sampling device structure

1.1 流体限制条件

保证颗粒通过透镜实现聚焦的前提是流过透镜的气流是稳定的层流状态。如果流过透镜的气流不稳定或者气流处于湍流状态，那么气流中随着气体运动的颗粒会出现不规则的轨迹，甚至发散，很难实现聚焦[14]。Gong等[19]发现流经聚焦透镜的气体在雷诺数约200时出现不稳定态。由此，必须要保证流体流过每个透镜孔的气体的雷诺数不超过200。雷诺数由公式(1)计算。

(1)

透镜内的气流速度要控制在声速以内，当气体速度大于声速时会产生激波，激波对颗粒的聚焦会产生干扰的作用[20-21]，无法准确的定量描述影响颗粒聚焦的各个参数。所以流过透镜孔的气体速度应限制在亚音速的范围，透镜孔内气流的马赫数Ma应该小于气流从亚音速到超音速转变的临界马赫数Ma*。

(2)

其中，c为当地声速；Ma*为临界马赫数，与气体种类、透镜形状以及气体雷诺数有关，后两者影响不大。对于空气而言，Ma*约取0.35[12]。

透镜实现聚焦颗粒的基础是连续的流体对颗粒碰撞拖拽，如果透镜内的载流气体稀薄，气流处于分子流状态，气流的拖拽力将远小于颗粒的惯性力，载流气体无法改变颗粒的运动轨迹，不能达到聚焦的目的。此外，稀薄气体的动力学非常复杂，不能从简单的连续流角度考虑空气动力对颗粒的聚焦。由此，透镜内的载流气体应限制在连续流状态，则气体的克诺森数需满足公式(3)。

(3)

其中，λ1为聚焦透镜前载流气体分子的平均自由程。

1.2 透镜孔聚焦颗粒

气流进入透镜孔时，即从较宽尺寸的圆通道进入到较窄尺寸的透镜孔，壁面处的气体会产生向中心轴线的加速运动，气流的速度急剧增加，气体被压缩通过透镜孔。那么气流在透镜孔前会形成收缩的流场，处于壁面附近并随着气流运动的颗粒受到收缩流场的作用，具有向中心轴线运动的加速度。载流气体通过透镜孔后，即从较窄尺寸的透镜孔进入到较宽尺寸的圆通道，气体会向四周扩散，气流在透镜孔后会形成扩张的流场。由于扩散的气体速度较小，扩张的气流场对颗粒的轴向拖拽力也不大，此时颗粒的运动是颗粒自身的惯性起主要作用，即沿着靠近轴线运动。收缩-扩张气流场中颗粒的运动轨迹是本身的惯性力和气流对其拖拽力的综合作用结果，即颗粒脱离原来的运动轨迹向中心轴线运动而聚焦成相对紧密的颗粒束。

在这一过程中，透镜孔的直径是气流场聚焦颗粒的关键参数。公式(4)是在颗粒斯托克斯数定义的基础上推导的计算透镜孔直径的公式。

(4)

其中，df为透镜孔的直径；ρp为颗粒密度；Dp为颗粒直径；Cc为库宁汉滑移系数，与载流气体的平均自由程和颗粒的直径有关，可由公式(5)计算。

(5)

St0是颗粒达到最佳聚焦状态时的斯托克斯值。透镜孔对颗粒的聚焦度ηc定义为颗粒经过透镜孔达到平衡后的最终位置和进入透镜孔前的初始位置的径向尺寸之比[9]。聚焦度ηc不仅与St0有关，还与透镜孔形状和圆通道的直径、气体的马赫数Ma和雷诺数Re有关[9, 17]。

1.3 载流气体流过透镜孔的前后压差

从公式(4)可以看出，透镜孔前气体的密度(即气压)是计算透镜孔径的一个重要参数，因此在计算多级透镜孔直径时，精确计算出透镜孔前后的气压是十分必要的。粘滞流状态的气流通过透镜孔时形成的压差大小不仅与经过透镜孔气体的流量和雷诺数有关，而且与透镜孔尺寸和通道尺寸之比有关。当透镜孔的直径确定后，就可由公式(6)计算透镜孔前后压差。

(6)

其中，△p为透镜孔前后压差；Af为透镜孔的面积；β为透镜孔直径和透镜前通道直径之比，在β<0.5时，其对压差的影响不会超过1Pa，所以在计算压差时，取β=0.25；p1为透镜孔前气压； M为载气的相对分子质量；R为理想气体常数；T1为透镜孔前气体温度；Cd为流量系数，取0.6；Y为膨胀因子，可由公式(7)计算。

(7)

其中，γ为载气的比热。

2 数值模拟和尺寸优化

2.1 软件介绍和模拟过程

本研究采用计算流体力学软件Fluent6.3.26进行数值模拟。在典型的透镜-喷嘴进样中，颗粒浓度低，颗粒间的相互作用可忽略，颗粒对气流场几乎没有影响[11]。因此在数值模拟过程中，首先利用纳维-斯托克斯方程(N-S方程)来模拟气流场，并在此基础上加入跟踪颗粒运动轨迹的拉格朗日方程，以得到颗粒的运动轨迹和速度[22]。透镜-喷嘴内的气体是粘滞层流状态的可压缩理想气体，气体流量1.98×10-6kg/s，以保证颗粒在透镜-喷嘴内实现聚焦。粒径一定的颗粒在Fluent默认下的库宁汉滑移系数是定值，为避免商业软件对模拟的局限，库宁汉滑移系数采用编写的计算机代码[11]进行用户自定义来体现气压变化导致的影响。模拟的颗粒径皆大于30nm，可以忽略布朗运动力作用[12]。

2.2 通过单级透镜的颗粒运动

每个透镜孔可看作一个单级透镜，单级透镜的形状、进出口气体压力和质量流量共同决定了可以聚焦的颗粒尺寸。研究表明，当St≪1，|ηc|≈1；当St≈1，|ηc|<1；当St≫1，|ηc|>1[15]。当颗粒的斯托克斯数St=1时，颗粒就会呈现最大程度的聚焦，即被聚焦到中心轴线；当St<1，即颗粒较小时，颗粒会呈现较小程度的聚焦，随着St的减小，透镜对颗粒的聚焦效果会减小；当St≪1，即颗粒很小时，透镜对颗粒没有聚焦效果，颗粒会随着流体的轨迹线运动；当St>1，即颗粒较大时，颗粒会越过中心轴线达到聚焦，即过聚焦，随着St的增大，透镜对颗粒的过聚焦程度加大；当St≫1，即颗粒很大时，透镜对颗粒呈现发散作用，颗粒远离中心轴线，甚至会偏离流体线碰撞到壁上。在一定气体压力、流量和固定透镜孔径的条件下，不同St值的颗粒聚焦状况示于图2。

图2 颗粒通过单级透镜的运动轨迹示意图Fig.2 Schematic of particle trajectories through a single lens

单级透镜仅仅聚焦较窄范围的颗粒，要聚焦宽范围的颗粒必须采用多级透镜系统。选择一组尺寸合适的透镜，可以在中轴线上聚焦宽范围的粒径。理论上，小孔的个数越多聚焦颗粒的粒径范围越大，但考虑到透镜级数的增加会提高加工和装配难度，所以不能无限的增加透镜级数，一般透镜的聚焦粒径范围控制在1个数量级以内。本装置采用5级透镜对0.3～3 μm颗粒进行聚焦，前级透镜聚焦较大粒径的颗粒，后级透镜聚焦较小粒径的颗粒。根据上述理论分别对不同孔径进行计算，在透镜内气压约700 Pa的条件下，最终确定的尺寸列于表1。孔径5 mm透镜聚焦3 μm颗粒，St=0.75；孔径4.6 mm透镜聚焦2.325 μm颗粒，St=0.74；孔径4.1 mm透镜聚焦1.65 μm颗粒，St=0.737；孔径3.5 mm透镜聚焦0.975 μm颗粒，St=0.699；孔径2.4 mm透镜聚焦0.3 μm颗粒，St=0.671。最优斯托克斯数的选择范围为0.7～1.5，因为大颗粒在聚焦时容易发生过度聚焦，所以斯托克斯数值的选择应偏小[12]。

2.3 圆通道尺寸的确定

单透镜对颗粒的聚焦度ηc和颗粒斯托克斯数St之间的关系不仅受气体的马赫数Ma和雷诺数Re的影响，还受透镜孔形状和圆通道直径的影响。Liu等[9]指出，聚焦度ηc=0时的最优斯托克斯数St0很大程度上依赖于透镜的几何形状。透镜几何形状参数是指透镜孔径和透镜孔厚之比，透镜孔径和透镜前的管径之比。其中，透镜孔径和透镜前的管径之比β(即df/ds)是影响聚焦度ηc和颗粒斯托克斯数St关系的主要参数。在装置设计中，每级透镜前的圆通道都取相同尺寸，以便加工和装配，所以这里各级透镜的前通道直径均取相同的值。为了确定最优的圆通道尺寸，这里对不同圆通道直径下透镜对颗粒聚焦情况进行数值模拟。圆通道的直径分别取10、13、16、20、25 mm，第一级透镜孔(即5 mm孔径)对应的β分别是0.5、0.38、0.31、0.25、0.2；最后一级透镜孔(即2.4 mm孔径)对应β分别是0.24、0.185、0.15、0.12、0.096。在气压、载气流量和透镜孔径已知的气流场中，颗粒的粒径和斯托克斯数是一一对应的关系。在气压705 Pa、流量100 mL/min的载气条件下，5 mm透镜孔中不同β对应的聚焦度ηc和颗粒径Dp、颗粒斯托克斯数St的曲线关系示于图3a。由图3a可见：β值越小，透镜对于颗粒的聚焦程度越明显；随着β值不断减小，一部分颗粒开始出现过度聚焦的状态，对于大颗粒也倾向发散状态；对于粒径3 μm的颗粒聚焦，当β=0.25～0.2时，ηc≈0。在气压691 Pa、流量100 mL/min的载气条件下，2.4 mm透镜孔中不同β对应的聚焦度ηc和颗粒径Dp、颗粒斯托克斯数St曲线关系示于图3b，透镜主要聚焦0.3 μm粒径的颗粒。此时，在粒径Dp=0.3 μm处，颗粒聚焦达到最好，同时，不同β值对此处颗粒聚焦没有影响。但是在最后一级透镜中，针对聚焦粒径0.3 μm颗粒设计的透镜会对粒径3 μm颗粒产生一定的发散作用。由于此时大颗粒已经聚焦在中心轴线上，所以对大颗粒的发散程度较小[14]。同时，由图3b可见，β=0.096时，此透镜对3 μm颗粒的发散程度最大，即圆通道尺寸25 mm不是最佳选择，所以最佳的圆通道尺寸为20 mm。

透镜对颗粒的通过率反映进样装置对颗粒的进样效率。Zhang等[15]将单透镜对颗粒的通过率ηt定义为通过该透镜的颗粒流量与进入该透镜前的颗粒流量之比。这里为了利于数值模拟的定量化，将单透镜对颗粒的通过率简化为能够通过透镜的颗粒束宽与透镜前管径之比。Zhang等[15]指出，单透镜对特定颗粒达到最大聚焦程度时，该颗粒碰撞到透镜壁上的损失也达到最大。当粒径Dp>2.5 μm的颗粒通过第一级透镜时，透镜对其通过率降为40%[23]。同时，给出不同β值对斯托克斯数St和通过率关系的影响，结果显示，当St值偏大时，透镜对颗粒的通过率下降得很快。针对设计的透镜，本研究也给出不同β值下透镜对颗粒通过率和颗粒径Dp、颗粒斯托克斯值St的关系曲线。在气压为705 Pa、流量为100 mL/min的载气条件下，5 mm透镜孔中不同β值对应的颗粒通过率ηt和颗粒径Dp、颗粒斯托克斯数St曲线关系示于图4a。结果表明，不同β值下的透镜对于3 μm左右的大颗粒通过率很高，达95%以上；并且β≤0.38的透镜对于5 μm颗粒的通过率仍保持很高，达95%以上。在气压为691 Pa、流量为100 mL/min的载气条件下，2.4 mm透镜孔中不同β对应的颗粒通过率ηt和颗粒径Dp、颗粒斯托克斯数St曲线关系示于图4b。此时，β≤0.185的透镜对于0.3～3 μm粒径范围的颗粒通过率都很高，达90%以上。

表1 各级透镜孔对应的颗粒斯托克斯数以及透镜孔前气压

注：a.气压705 Pa，流量100 mL/min，透镜厚度1 mm，透镜孔径df=5 mm；b.气压691 Pa，流量100 mL/min，透镜厚度1 mm，透镜孔径df=2.4 mm图3 不同β值下的颗粒斯托克斯数St和聚焦度ηc的关系Fig.3 Particle beam contraction ratio versus particle Stokes number with different β value

2.4 透镜组和整体进样装置

前面已确定了透镜的主要尺寸，即各个单透镜的孔径和圆通道的直径。根据进样气压和载气流量计算进样孔径尺寸df0；根据喷嘴前气压和载气流量计算喷嘴尺寸dn。由于进样孔和喷嘴处的气体都属于超音速流动，所以按照小孔阻塞流动来处理。喷嘴的形状根据经验取dt=2dn，Lt=ds[14]。缓冲腔尺寸dr和Lr的设计以不损失颗粒为标准，喷嘴出口厚度和透镜孔厚度都取1 mm，进样装置各尺寸列于表2。

注：a.气压705 Pa，流量100 mL/min，透镜厚度1 mm，透镜孔径df=5 mm；b.气压691 Pa，流量100 mL/min，透镜厚度1 mm，透镜孔径df=2.4 mm图4 不同β值下颗粒斯托克斯数St和通过率ηt的关系Fig.4 Transmission efficiency versus particle Stokes number with different β value

装置尺寸/mm装置尺寸/mmdf00.115ls452dr35ls560Lr210lsn80ls115Lt20ls245dt3ls348dn1.5

3 结果与讨论

3.1 透镜内的气流线分布和颗粒速度分布

为了衡量设计的进样装置对颗粒的聚焦程度，本研究对其中的空气动力学透镜-喷嘴部分进行数值模拟。透镜-喷嘴内气流线分布示于图5a；透镜-喷嘴内气体静压和中心轴线上气流速度，以及4种不同粒径的颗粒速度，示于图5b。气体压力在各个透镜处的压降很小，但在透镜和喷嘴之间有较明显的下降；在各个透镜以及透镜和喷嘴之间，中心轴线上的气流速度均小于音速，这符合颗粒聚焦设计的气流亚音速条件；在喷嘴出口处气体的压力突降到最小，气体的速度达到最高峰，最终以超音速自由喷射出喷嘴。透镜-喷嘴内部的颗粒速度趋势与气体速度趋势一致，并且0.05 μm颗粒的速度值几乎与气体速度值一致。但是，经过超音速喷嘴喷射后的颗粒速度明显不同于气体速度，颗粒粒径越大，颗粒速度与气体速度的差异越大。这是因为透镜-喷嘴内部的气体克努森数Kn<0.1，属于粘滞流，气流对颗粒的拖拽力足够大，可以使颗粒速度与气体速度保持一致；喷嘴处的气体由于喷嘴前后的压差超过空气流经小孔形成阻塞流的压差(pup/pdown<0.528)，在喷嘴出口形成超音速流动，不同粒径的颗粒随着气流被加速到不同速度，示于图5b，粒径越小，被气流加速后的速度越大；透镜-喷嘴外部(即喷嘴出口后)的气体克努森数Kn≈1(基于仪器的真空腔气压在0.1 Pa和仪器尺寸计算)，属于分子流，气体对颗粒的碰撞拖拽力很小，属于稀薄气体动力学，颗粒的运动不再受气体分子的影响。此时基于连续流计算的N-S方程已经不能准确地表示喷嘴后的气流场，但是喷嘴后的流场不影响本研究的结论，即颗粒运动轨迹[11]。

图5 透镜-喷嘴内气流线分布(a)和中心轴线上气体的压力和速度分布以及颗粒速度分布(b)Fig.5 Flow streamlines in the lens-nozzle system(a) and static pressure, axial flow and particle velocities along the axial of the lens-nozzle system(b)

中心轴线上的颗粒最终速度的数值模拟结果示于图6。可以看出，粒径在1 μm以下的小颗粒速度变化梯度很大，粒径在1 μm以上的大颗粒速度变化梯度很小。在线气溶胶质谱仪大都根据颗粒飞行的速度来计算颗粒的粒径(即空气动力学直径)，小颗粒在仪器测径时容易分辨，大颗粒不容易分辨，所以对于大颗粒的测径和分析，还需要较灵敏的测径装置进行配合。

图6 中心轴线上的颗粒最终速度的数值模拟结果Fig.6 Numerical simulation results of particle axial terminal velocity

3.2 颗粒运动轨迹以及颗粒束宽和发散角

粒径分别为0.05、0.3、3、5 μm的颗粒在透镜-喷嘴内部的运动轨迹示于图7a～7d。为了便于观察，放置在透镜-喷嘴入口处的颗粒数目是18个。由图可见：颗粒随着气流运动逐级汇聚，0.05～5 μm的颗粒通过透镜-喷嘴进样装置后会有不同程度的聚焦，未出现较大颗粒在透镜壁上严重损失的现象。

颗粒束宽是透镜-喷嘴装置对颗粒聚焦效果的直接体现，本研究所关注的是透镜-喷嘴装置后的颗粒束宽。这里将颗粒束宽定义为包含总颗粒数目90%颗粒束的宽度，即在透镜-喷嘴入口处均布1 000个颗粒，在喷嘴出口处包含900个颗粒束的宽度定义为此处的颗粒束宽[11]。经过喷嘴加速作用后进入仪器真空腔颗粒的运动不再受气体分子的作用，达到最终速度。此时，在任何位置的颗粒束宽都可以用稳定后位置的束宽和发散角描述。计算包含总颗粒数目90%的颗粒束发散角的正切值，首先要计算距离喷嘴出口10 mm和40 mm处颗粒束宽的半径，分别对应6.7dn和26.7dn，然后用两处的颗粒束宽半径之差除以两处之间距离。在Wang等[11]的文章中，计算发散角的两个位置分别是距离喷嘴1.8dn和5.4dn处，在距离喷嘴出口大于5.4dn的部分，颗粒的速度分布不再有变化，所以本研究取6.7dn和26.7dn来计算。

注：a. 0.05 μm；b. 0.3 μm;c. 3 μm; d. 5 μm图7 不同颗粒在透镜-喷嘴内部的运动轨迹Fig.7 Different size of particle trajectories through the aerodynamic lenses-nozzle system

对于本研究小组自行研制的单颗粒质谱仪，其激光电离检测点在距离喷嘴出口24 cm处[5-6]。因此，真空腔中(即喷嘴出口之后的部分)距离喷嘴1 cm和24 cm处的颗粒束宽和发散角的曲线是U型，示于图8。这是因为透镜-喷嘴装置是针对聚焦0.3～3 μm范围的颗粒设计，超出范围的颗粒将不会被聚焦。结果表明，透镜-喷嘴装置对0.3～3 μm粒径范围内的颗粒聚焦效果很好，在距离喷嘴出口24 cm位置的颗粒束宽皆在0.03 mm以下；颗粒束的发散角也很小，颗粒飞行较长的距离后也不会出现束宽过大的现象。

图8 真空腔中距离喷嘴1 cm和24 cm处的颗粒束宽和发散角Fig.8 Particle beam width and divergence angles in the vacuum chamber 1 cm and 24 cm downstream of the nozzle exit

4 结论与展望

针对粒径0.3～3 μm范围内颗粒的聚焦问题，本研究对在线气溶胶质谱仪进样装置中空气动力学透镜部分进行优化设计，并利用Fluent软件对颗粒在透镜-喷嘴内的运动轨迹进行数值模拟。在单透镜对颗粒的聚焦问题中，透镜孔径和圆通道直径比β是影响透镜对颗粒聚焦度的重要参数，当β>0.3时,聚焦度随着β的变化而变大，当β<0.3时,聚焦度不再随着β的变化而变化；气压的选择对于聚焦颗粒(尤其是大颗粒)的通过率有很大影响，孔径5 mm的单透镜在气压700 Pa的条件下，对于粒径大于2.5 μm的颗粒通过率在95%以上。对透镜-喷嘴装置的数值模拟结果表明，粒径小于1 μm的颗粒引入仪器的最终速度变化梯度较大，粒径大于1 μm颗粒最终速度变化梯度较小，对在线气溶胶质谱仪根据颗粒飞行的速度来计算颗粒的粒径来说，小颗粒在仪器测径时容易分辨，大颗粒不容易分辨；透镜-喷嘴装置对0.3～3 μm粒径范围内的颗粒聚焦效果很好，颗粒束的发散角也很小，在距离喷嘴出口24 cm位置的颗粒束宽皆在0.03 mm以下。因此，优化设计后的进样装置可以实现对PM2.5颗粒的进样聚焦，为仪器检测粒径和化学组成提供条件。

在本研究基础上，可构建合适的实验装置对优化的进样装置进行实验，从而得出实验条件下该进样装置的聚焦度、出口束宽等一系列参数，对本研究模型进行验证与进一步优化。

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Design and Simulation of Sampling Device in Single Particle Mass Spectrometer

LIU Zhi-ying1, LI Lei1, LI Mei2, FU Zhong3, ZHOU Zhen1, HUANG Zheng-xu2

(1.InstituteofEnvironmentalPollutionandHealth,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China;2.InstituteofEnvironmentalEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China;3.GuangzhouHexinAnalyticalInstrumentsCo.,LTD.,Guangzhou510530,China)

Aerodynamic lens-nozzle is widely used as sampling device in single particle mass spectrometer recently. For the analysis need of PM2.5, aerodynamic lens-nozzle with a focusing ability from 0.3 to 3 μm was optimally designed. Fluent software was chosen to numerically simulate the particle motion in the aerodynamic lens-nozzle. Simulation results demonstrate that the performance of particle in the range of 0.3—3 μm in the optimal design sampling device is very well. Particle beam diameter at a distance of 24 cm downstream of the nozzle exit is less than 0.03 mm. Accordingly, the optimal design sampling device can satisfy the requirement of tightly focusing PM2.5 in single particle mass spectrometer.

single particle mass spectrometer; PM2.5; aerodynamic lens-nozzle; particle focusing; numerical simulation

2013-06-05；

2013-08-05

中国科学院战略性先导科技专项(XDB05040502)资助

刘志影(1987～)，女(汉族)，江苏人，硕士研究生，从事气溶胶质谱仪器研究。E-mail: liuzhiying19872006@126.com

黄正旭(1982～)，男(汉族)，福建人，助理研究员，从事质谱仪器研究。E-mail: hzx126@126.com

时间：2014-01-23； 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7538/zpxb.youxian.2014.0004.html

O 657.63

A

1004-2997(2014)03-0216-10

10.7538/zpxb.youxian.2014.0004