奈米微粒即時化學成分的檢測方法

本研究團隊去年曾回顧奈米微粒即時化學成分的檢測方法，含即時氣膠質譜

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儀(real-time aerosol mass spectrometry, RTAMS) ， 氣 膠 質 譜 儀 (Aerosol mass spectrometer, AMS)，氣膠化學成分偵測儀(Aerosol Chemical Speciation Monitor, ACSM) 及熱脫附化學電離質譜儀(TDCIMS)等(蔡, 100年度-1)。

氣膠質譜儀(Aerosol mass spectrometer, AMS)為目前使用率最高的即時氣膠質 譜儀儀器，可量測微粒粒徑及分析化學組成。AMS的微粒粒徑的量測係透過兩個 散射光源(Salt et al., 1996)測量微粒在真空中飛行的時間(Time of flight, TOF)，再搭 配飛行距離計算微粒速度換算成由微粒氣動直徑；粒徑測量也可透過散射光的強 度的測量(Murphy and Thomson, 1995)或使用不同的氣膠粒徑儀器測量。

在AMS內氣膠經特殊的空氣動力鏡後會集中成一個粒子束(圖1. 10)，粒子束打 擊在電阻式加熱表面而使得揮發性以及半揮發性的成分蒸發，分子成分受電子衝 擊(electron impact, EI)而游離，正離子再由四極柱式質譜儀(quadrupole mass spectrometry)分析。

圖1. 10 氣膠採樣腔體中的空氣動力鏡。

如圖 1. 11 所示，氣膠質譜儀主要分為三個構造：氣膠採樣腔體(Aerosol Sampling Chamber)、粒徑量測腔體(Particle Sizing Chamber)以及微粒偵測腔體 (Particle Detection Chamber)。第一部分氣膠採樣腔體又分成兩個小部分，一是將粒 子收集入採集室內並匯集成束，第二部分為真空系統，收集粒子的構造為一帶有 濾鏡(空氣動力鏡)的管子，由六個濾鏡將管子分隔，其上帶有小孔，入口處直徑最 大(5 mm)至出口處最小(3 mm)，可將微粒匯集成直徑 1 mm 的微粒束，其傳輸效率 接近 100%，最後射出的微粒束直徑控制在約 1 mm，內含的微粒粒徑約在 70 nm~500 nm 之間，之後入射至只有 10^-3torr 的真空區內。第二部分微粒粒徑分析，

管中的壓力利用550L/s 之渦輪幫浦維持在 10^-5 torr，偵測粒子的飛行時間(Time of

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flight)，搭配粒子在管內飛行的距離，可進而得到粒子速度，再計算得粒子的氣動 直徑(aerodynamic diameter)。第三部分為粒子偵測腔體(Partical Detection Chamber)，

測完粒徑的微粒束直接打在一約600℃高溫的表面，之後微粒進入成分分析腔體，

微粒中的揮發及半揮發性的成分因高溫而蒸發，例如NH4NO3, DOP 及 PSL 分別在 溫度為420, 320 及 600℃時可被蒸發。氣化的化合物接著被電子束撞擊而生成帶正 電的離子，然後被導入會改變電位的四極柱式(quadrupole)質譜分析儀並被放大離 子強度以利偵測，根據質荷比之測量及訊號強弱，可判定微粒中含有哪些化合物 及其濃度大小。

圖1. 11 氣膠質譜儀示意圖(Jimenez et al., 2003)。

氣膠質譜儀AMS 雖然為目前使用率最高的即時氣膠質譜儀儀器，但價格十分 昂貴且體積龐大，操作不易。最近發展出的氣膠化學成分偵測儀ACSM 為簡易型 的AMS，其技術原理和氣膠質譜儀(Aerosol Mass Spectrometer, AMS)相同之處在於 將氣動粒子匯集成束、高真空熱粒子蒸發、電子衝擊游離以及質譜儀。ACSM 有 兩個不同於 AMS 的重要設計： (1)使用較低成本的殘餘氣體分析器(residual gas analyzer, RGA)，及四極柱式質量分析儀來取代 AMS 上高性能之四極柱和 TOF 光 譜儀 (2)但無測量微粒飛行時間以得到微粒粒徑資訊的快速數據收集系統及粒子 束截斷系統，另外由於ACSM 没有測量微粒飛行時間的真空腔體因此可縮小體積，

但ACSM 就無法同 AMS 一樣測量微粒粒徑，因此對於微粒的解析度相對比 AMS 低。ACSM 的最大好處是體積小，重量輕，價錢低且更易於操作，能長時間執行 例行性的即時氣膠化學成分的監測工作，值得國內引進。在國外AMS 及 SMPS 已

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大量使用，相較之下國內在奈米微粒的即時監測技術落後國外，建議未來國內可 發展個人暴露測量、即時奈米微粒的物性及化學測量、標準參考物質的研究等方 向。