单颗粒气溶胶质谱电离光源：213 nm被动调Q微片激光器解析

更新时间：2026-11-13

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单颗粒气溶胶飞行时间质谱（SPAMS/SPMS）是大气环境在线分析设备，可同步获取气溶胶颗粒的粒径、化学组分以及混合态信息，多用于大气污染溯源、霾过程观测、工业排放监测、船舶与车载移动观测等方向。激光解吸电离（LDI）光源是该仪器的核心组成部分，光源波长、脉冲宽度、重复频率、能量稳定性，直接影响颗粒电离效果、离子碎片特征以及仪器颗粒捕获效率。

现有单颗粒质谱较多采用 266 nm 四倍频 Nd:YAG 激光器，光子能量 4.66 eV，对部分高电离阈值矿物组分、低挥发性有机物、含氮含氧组分电离能力有限。193 nm 准分子激光器电离能力更强，但整机体积偏大，耗材与维护成本较高，不利于小型化车载、机载系统搭建。德国 CryLaS FQSS213-Q1 为二极管泵浦被动调 Q 微片固态激光器，输出 213 nm 深紫外激光，光子能量 5.8 eV，兼具窄纳秒脉冲、较高重复频率与小型 OEM 结构，可作为单颗粒质谱的电离光源备选方案。

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一、FQSS213-Q1 激光器工作原理与核心光学特性

FQSS213-Q1 属于 CryLaS FQSS213-Q 系列被动调 Q 微片 DPSS 激光器，采用键合微片谐振结构，Nd:YAG 增益晶体与 Cr:YAG 可饱和吸收体集成键合，无需外部主动调 Q 驱动。系统先产生 1064 nm 基频脉冲，再经多级非线性晶体四倍频转换，输出 213 nm 深紫外脉冲。倍频晶体采用密封封装，降低深紫外辐照带来的老化效应，控制长期能量漂移。

该型号主要光学指标：输出波长 213 nm，最大重复频率 20 kHz，支持外触发同步，适配散射信号触发时序；脉冲宽度不大于 1.0 ns，单脉冲能量不低于 0.05 μJ@15 kHz，平均功率 0.75 mW；光束模式 TEM₀₀，适合聚焦为电离区微米光斑；水平偏振输出，消光比大于 100:1；脉冲能量长期漂移小于 ±5%，脉冲间 RMS 抖动小于 4%；激光等级 Class 4。设备为风冷小型 OEM 激光头，搭配驱动控制单元，支持 RS232 通讯、TTL 外触发，便于集成至分析仪器内部。

二、213 nm 光源适配单颗粒质谱的技术特点

SPAMS 工作流程中，气溶胶颗粒经空气动力学聚焦后，由散射信号完成粒径识别；散射探测器检测到颗粒信号后输出触发指令，激光脉冲作用于颗粒完成解吸电离，生成的正负离子由双极飞行时间质量分析器采集，实现单颗粒粒径与组分同步测量，FQSS213-Q1 的输出特性与该时序逻辑匹配。

相较于 266 nm 光源，213 nm 光子能量更高，对硅酸盐、氧化物类矿物颗粒、低挥发性含氧有机气溶胶、硝基类有机组分的直接光致电离可行性更高，热诱导过度碎片化现象更少，离子特征峰辨识度更好，有助于提升难电离颗粒的检出占比，适用于沙尘、工业无机排放颗粒的组分解析。

不大于 1 ns 的窄脉冲有利于实现相对温和的光解吸电离，抑制剧烈热裂解，减少无关碎片离子背景，降低谱图识别与分类算法的处理难度，改善单颗粒分类结果稳定性。

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三、系统集成要点与使用约束

213 nm 深紫外波段在空气中存在吸收效应，电离光路应尽量缩短；光路窗口与光学镜片须选用适配深紫外波段的专用镀膜元件，普通紫外镀膜元件易出现透过率衰减。

FQSS213-Q1 单脉冲能量偏低，更适合软电离、光致电离类型的单颗粒质谱方案；针对高硬度、高沸点颗粒的强剥蚀电离场景，建议选用同系列更高脉冲能量型号。聚焦光斑尺寸需要标定，通过控制激光通量平衡电离效率与碎片产生水平。

单颗粒质谱对触发时序窗口要求严格，调试阶段需要对散射信号、激光脉冲、质谱采集卡之间的延迟进行校准，保证颗粒到达焦点位置时激光脉冲输出。

该激光器属于 IV 类激光，电离腔体应做全遮光密封并配置安全联锁。进口及项目应用阶段，需提前梳理两用物项、商检相关合规要求。

五、典型应用场景

城市站点长期在线 SPAMS 观测，识别硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机碳、黑碳、矿物粉尘等颗粒类型，区分本地排放与区域传输贡献。

车载、船载移动走航监测，对工业园区、港口、道路沿线气溶胶开展流动采样，识别局地排放热点。

燃烧源排放测试，包括生物质燃烧、锅炉、冶金无组织排放颗粒的组分识别，区分一次排放颗粒与二次转化产物。

烟雾箱模拟实验，追踪新生成二次气溶胶的演化过程，获取低挥发性新粒子的组分变化信息。

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六、总结

CryLaS FQSS213-Q1 213 nm 被动调 Q 微片固态激光器，具备 5.8 eV 光子能量、纳秒短脉冲、最高 20 kHz 外触发能力、输出稳定、结构紧凑等特点，可作为单颗粒气溶胶飞行时间质谱的电离光源。和常用 266 nm 光源相比，它对部分难电离无机组分、低挥发性有机组分的电离潜力更强；对比 193 nm 准分子光源，在运行维护、体积方面更适配长期在线观测场景。

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