bevictor伟德官网2023年7月28日電（通訊員 蔣靖坤）近日，bevictor伟德官网郝吉明和蔣靖坤團隊評述了用于在線測量大氣納米顆粒物化學組分的質譜技術。團隊分析了大氣納米顆粒化學組分測量的難點，将目前可用于大氣納米顆粒化學組分在線測量的質譜技術根據氣化/電離方式歸納為三類：基于熱脫附、基于激光、基于溶液輔助。這些質譜技術促進了人們對大氣納米顆粒成因和演變過程的認識，但仍存在分子破碎、物種檢測不完整、質量分辨率低、難以與氣相組分直接對比等挑戰。團隊還進一步探讨了可能的解決方案。

空氣中的納米顆粒物（又稱為“大氣超細顆粒物”）數濃度主導了大氣顆粒物的總數量。大氣納米顆粒物可深入人體呼吸系統産生健康危害，還會對全球氣候和空氣質量産生影響。另外，目前越來越多的工業過程合成了懸浮于氣體中的納米顆粒物，也需要對其進行測量和表征。大氣納米顆粒物的形成過程和組分相對複雜，且由于納米顆粒物的質量小、與氣體污染物和大顆粒物的分離困難等特點，對其組分的在線測量也存在較大困難。

圖1 典型大氣顆粒物粒徑分布及其在人體呼吸道的主要沉積區域

近20年來，大氣化學領域的一些研究開發了可用于納米顆粒物組分在線測量的質譜儀。根據其氣化/電離方式大緻可分為三種類型：（1）基于熱脫附化學電離的質譜，如靜電捕集熱脫附化學電離質譜儀（TDCIMS）；（2）基于激光剝脫氣化電離的質譜，如納米氣溶膠質譜儀（NanoAMS）；（3）基于溶液輔助溶解電離的質譜，如液滴輔助電離。這些質譜儀被應用在大氣納米顆粒物組分和來源分析，以及新粒子生成機制的研究中，取得了顯著的進展。但仍然存在一些挑戰，限制了其更廣泛的應用。

目前納米顆粒物在線測量質譜技術主要存在三個挑戰：（1）分子破碎。如TDCIMS在加熱和電離過程中會産生一定程度的分子破碎、NanoAMS激光剝脫過程會把顆粒物破碎成原子組成，破碎後難以追溯到母分子信息。（2）組分檢測不全。如TDCIMS在化學電離過程中使用特定反應離子，隻能選擇性地檢測某些組分。（3）質譜分辨率不足。目前常用于大氣在線測量的四極杆和飛行時間質量分析器的質量分辨率普遍低于8,000，不足以準确區分大氣中複雜的含氮、含硫有機組分。這些難點不僅是納米顆粒物組分測量的挑戰，也是許多氣态和氣溶膠質譜技術普遍存在的挑戰。

圖2 靜電捕集熱脫附化學電離質譜儀（TDCIMS）的測量原理

針對這些問題，團隊讨論了一些可能的改進方案：（1）對于分子破碎的問題，可以使用溫和熱脫附技術，如熱脫附管将氣溶膠通入加熱管實現顆粒物氣化；（2）對于檢測物種不全的問題，可使用多離子協同化學電離技術，結合不同選擇性的離子實現較寬範圍的組分檢測；（3）對于質譜分辨率不夠的問題，使用超高分辨率質量分析器（如軌道阱質量分析器）進行檢測，質量分辨率高達數十萬。盡管這些技術可以一定程度解決上述問題，但其在應用于納米顆粒物測量的過程中可能會存在靈敏度不足、定量難等挑戰，需要進一步研發和優化。

圖3 可用于改進納米顆粒物組分在線測量的技術（a）溫和熱脫附；（b）多離子協同化學電離；（c）軌道阱質量分析器

除了上述問題以外，在線質譜儀的檢出限還有改進的空間，進而實現更小粒徑納米顆粒物、更高時間分辨率的測量。如TDCIMS在流動管和大氣中測量的單分散顆粒物粒徑下限分别為5納米和8納米，通過進一步優化其荷電、篩分、捕集、氣化、電離、質譜檢測效率等，有望将粒徑下限拓展至3納米以下。當然，儀器的整體設計需要在更高性能與儀器穩定性、實用性之間尋求平衡。

7月17日，上述研究成果以“用于在線測量大氣納米顆粒物化學組分的質譜技術：進展、挑戰與機遇"（Online detection of airborne nanoparticle composition with mass spectrometry: Recent advances, challenges, and opportunities）為題發表在期刊《分析化學趨勢》(Trends in analytical chemistry)上。論文的第一作者為bevictor伟德官网博士後李曉曉（現為武漢大學資源與環境科學學院特聘副研究員），合作導師為郝吉明院士和蔣靖坤教授。論文的通訊作者為蔣靖坤教授和美國加州大學爾灣分校James Smith教授。赫爾辛基大學博士後蔡潤龍對文章作出了重要貢獻。研究獲得了國家自然科學基金、三星全球研究項目、美國能源部、美國國家自然科學基金的經費支持。

論文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2023.117195