皇冠最新官网2023年7月28日电（通讯员 蒋靖坤）近日，皇冠最新官网郝吉明和蒋靖坤团队评述了用于在线测量大气纳米颗粒物化学组分的质谱技术。团队分析了大气纳米颗粒化学组分测量的难点，将目前可用于大气纳米颗粒化学组分在线测量的质谱技术根据气化/电离方式归纳为三类：基于热脱附、基于激光、基于溶液辅助。这些质谱技术促进了人们对大气纳米颗粒成因和演变过程的认识，但仍存在分子破碎、物种检测不完整、质量分辨率低、难以与气相组分直接对比等挑战。团队还进一步探讨了可能的解决方案。

空气中的纳米颗粒物（又称为“大气超细颗粒物”）数浓度主导了大气颗粒物的总数量。大气纳米颗粒物可深入人体呼吸系统产生健康危害，还会对全球气候和空气质量产生影响。另外，目前越来越多的工业过程合成了悬浮于气体中的纳米颗粒物，也需要对其进行测量和表征。大气纳米颗粒物的形成过程和组分相对复杂，且由于纳米颗粒物的质量小、与气体污染物和大颗粒物的分离困难等特点，对其组分的在线测量也存在较大困难。

图1 典型大气颗粒物粒径分布及其在人体呼吸道的主要沉积区域

近20年来，大气化学领域的一些研究开发了可用于纳米颗粒物组分在线测量的质谱仪。根据其气化/电离方式大致可分为三种类型：（1）基于热脱附化学电离的质谱，如静电捕集热脱附化学电离质谱仪（TDCIMS）；（2）基于激光剥脱气化电离的质谱，如纳米气溶胶质谱仪（NanoAMS）；（3）基于溶液辅助溶解电离的质谱，如液滴辅助电离。这些质谱仪被应用在大气纳米颗粒物组分和来源分析，以及新粒子生成机制的研究中，取得了显著的进展。但仍然存在一些挑战，限制了其更广泛的应用。

目前纳米颗粒物在线测量质谱技术主要存在三个挑战：（1）分子破碎。如TDCIMS在加热和电离过程中会产生一定程度的分子破碎、NanoAMS激光剥脱过程会把颗粒物破碎成原子组成，破碎后难以追溯到母分子信息。（2）组分检测不全。如TDCIMS在化学电离过程中使用特定反应离子，只能选择性地检测某些组分。（3）质谱分辨率不足。目前常用于大气在线测量的四极杆和飞行时间质量分析器的质量分辨率普遍低于8,000，不足以准确区分大气中复杂的含氮、含硫有机组分。这些难点不仅是纳米颗粒物组分测量的挑战，也是许多气态和气溶胶质谱技术普遍存在的挑战。

图2 静电捕集热脱附化学电离质谱仪（TDCIMS）的测量原理

针对这些问题，团队讨论了一些可能的改进方案：（1）对于分子破碎的问题，可以使用温和热脱附技术，如热脱附管将气溶胶通入加热管实现颗粒物气化；（2）对于检测物种不全的问题，可使用多离子协同化学电离技术，结合不同选择性的离子实现较宽范围的组分检测；（3）对于质谱分辨率不够的问题，使用超高分辨率质量分析器（如轨道阱质量分析器）进行检测，质量分辨率高达数十万。尽管这些技术可以一定程度解决上述问题，但其在应用于纳米颗粒物测量的过程中可能会存在灵敏度不足、定量难等挑战，需要进一步研发和优化。

图3 可用于改进纳米颗粒物组分在线测量的技术（a）温和热脱附；（b）多离子协同化学电离；（c）轨道阱质量分析器

除了上述问题以外，在线质谱仪的检出限还有改进的空间，进而实现更小粒径纳米颗粒物、更高时间分辨率的测量。如TDCIMS在流动管和大气中测量的单分散颗粒物粒径下限分别为5纳米和8纳米，通过进一步优化其荷电、筛分、捕集、气化、电离、质谱检测效率等，有望将粒径下限拓展至3纳米以下。当然，仪器的整体设计需要在更高性能与仪器稳定性、实用性之间寻求平衡。

7月17日，上述研究成果以“用于在线测量大气纳米颗粒物化学组分的质谱技术：进展、挑战与机遇"（Online detection of airborne nanoparticle composition with mass spectrometry: Recent advances, challenges, and opportunities）为题发表在期刊《分析化学趋势》(Trends in analytical chemistry)上。论文的第一作者为皇冠最新官网博士后李晓晓（现为武汉大学资源与环境科学学院特聘副研究员），合作导师为郝吉明院士和蒋靖坤教授。论文的通讯作者为蒋靖坤教授和美国加州大学尔湾分校James Smith教授。赫尔辛基大学博士后蔡润龙对文章作出了重要贡献。研究获得了国家自然科学基金、三星全球研究项目、美国能源部、美国国家自然科学基金的经费支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2023.117195