祝賀中國科學院地球環境研究所黃汝錦團隊在有機氣溶膠研究領域取得顯著成果，相關論文分別發表于國際頂級期刊《Environment Science & Technology》和《ACS Earth and Space Chemistry》上。研究團隊使用賽默飛的氣相色譜-靜電場軌道阱質譜(GC-Orbitrap/MS)，對我國西北城市(西安市)和南海PM2.5的有機氣溶膠組分進行了非靶向分析。相關成果揭示了區域有機氣溶膠的復雜化學成分和來源。這些工作不僅提高了我們對有機氣溶膠的認識，而且對理解其在全球氣候變化中的作用具有重要意義。
文獻1
文獻2
研究背景
有機氣溶膠(OA)是大氣氣溶膠的重要組成部分，對空氣質量、人類健康和氣候產生影響。OA可以直接排放到大氣中(一次OA)，也可以通過氣態前體物的氧化形成(二次OA)。作為一種高度復雜的混合物，OA在分子質量、官能團、極性和結構方面具有較大的差異，使其在化學表征上存在挑戰。目前，只有10-30%OA質量的有機化合物結構被現有分析技術識別。
OA分子特征表征對深入理解其化學特性、來源和大氣過程至關重要。氣相-單四極桿質譜(GC-qMS)在鑒定非極性和極性有機物方面有廣泛應用，但由于其對標準品的依賴和較低的靈敏度，限制了對更多目標分子的分析。同時，GC-qMS較低的分辨率也限制了對同分異構體的鑒定。
近年來，高分辨率質譜技術的發展為OA中有機標記物的鑒定帶來了突破。GC-Orbitrap/MS的非靶向篩查不需要對樣品中的有機成分有先驗知識，因此在沒有標準品的情況下進行分析具有優勢。GC-Orbitrap/MS最近已被用于分析環境樣品中的有機物，例如室內灰塵中半揮發性有機物的非靶向分析,以及環境氣溶膠樣品中多環芳烴等的靶向分析。然而，GC-Orbitrap/MS在OA分析中的應用仍處于初期階段。
研究成果
文獻1
黃教授團隊使用GC-Orbitrap/MS技術，在西安市的PM2.5樣本中識別出了335種有機標志物，包括之前被忽視的同分異構體和低濃度化合物，其數量是傳統GC-qMS的1.6倍。研究團隊通過“分子走廊”評估法，將純飽和質量濃度(C0)作為摩爾質量的函數進行估算，將識別的有機化合物映射到“分子走廊”中，相比質譜的直接比較，其分子特征更加直觀(圖1)。總的來說，GC-Orbitrap/MS額外鑒定的非烴類化合物中，超過60%是高度氧化的化合物，這突顯了GC-Orbitrap/MS在詳細碎片模式和強大數據庫匹配方面的能力，允許檢測出更廣泛的化合物。同時，GC-Orbitrap/MS在鑒定更多VOCs、IVOCs和SVOCs方面展現出優越的能力，每種化合物類別分別增加了17.0倍、2.1倍和1.2倍。這些化合物可能作為氣溶膠顆粒中的痕量成分存在，容易被GC-qMS忽視。
圖1本研究測量的所有 PM2.5樣品飽和質量濃度(C0)與摩爾質量(M)的分子通道。(點擊查看大圖)
研究進一步通過偏最小二乘判別分析(PLS-DA)和潛在源貢獻函數(PSCF)模型，揭示了有機氣溶膠成分的季節性變化。化學組分的變化也反映了不同的來源特征，例如，冬季室內排放增加的多元/多羥基醇，春夏季節可能來自生物源排放和二次形成的呋喃糖/吡喃糖和雜環化合物，以及秋季可能來自生物質燃燒的酰胺(圖2、3)。
圖2通過 GC-Orbitrap MS (a)檢測的化合物的平均季節濃度的弦圖和通過 GC-MS 和 GC-Orbitrap MS (b)檢測的化合物濃度的條形圖的比較。(點擊查看大圖)
圖3基于冬季(b) ，春季(c) ，夏季(d)和秋季(e) VIP > 1的化合物的 PLS-DA 模型(TOP50)(a)和潛在源貢獻函數(PSCF)圖譜的化合物中鑒定的顯著改變的熱圖。(點擊查看大圖)
文獻2
黃教授團隊使用GC-Orbitrap/MS技術在中國南海的氣溶膠樣本中，鑒定出358種化合物(圖4)，其中芳香族化合物最為豐富，約占鑒定出化合物總數的43%，主要包括酯類、單/多環芳烴、酮類和酚類。研究進一步揭示了陸源OA與海洋源OA在氧化性和揮發性等理化性質上的顯著差異。通過PLS-DA模型，識別出陸源OA和海洋源OA的特征組分，強調了陸源大氣傳輸對南海OA的重要影響。
圖4 檢測到 OA化合物的分類研究
分析利器
在這兩項研究中，PM2.5樣本中的有機氣溶膠通過氣相色譜-靜電場軌道阱質譜方法分析，使用賽默飛GC-Orbitrap/MS分別建立了西安市PM2.5中的335種和南海PM2.5中的358種有機標志物分析方法。GC-Orbitrap/MS是在LC-Orbitrap/MS之后發展起來的，其高精度(?1ppm)和高分辨率(高達240,000，m/z200)有助于鑒定復雜樣品基質中的痕量有機化合物。
(點擊查看大圖)
335種有機標志物包括10種苯、11種雜環化合物、7種酰胺、8種胺、25種多環芳烴(PAHs)、6種醌、23種酯、36種糖類、32種烷烴、6種烯烴、51種醇、91種有機酸、8種萜烷、14種酚類、3種酮、3種醛和1種酐，其中205種GC-MS未檢測到(圖5)。GC-Orbitrap/MS技術有效地分離了在相似保留時間上的重疊峰，從而最小化了噪聲和基質干擾。此外，該技術還能夠識別具有相同碎片離子的同分異構體，這些物質在以往的GC-qMS研究中常常被忽視。
圖5 采用GC-Orbitrap MS測定所有樣品中有機標志物的數量(a)和年平均濃度(c) ，并與GC-MS結果(b 和 d)進行比較。(點擊查看大圖)
專家之聲
黃汝錦博士研究員，主要研究方向包括：定量解析不同來源和不同城市棕碳光學性質與化學組成的關聯，闡明不同條件下大氣老化過程對棕碳光學性質的影響機制機理；結合外場觀測、實驗室模擬和數值模式等手段，量化VOCs的濃度水平和來源特征，厘清自然源和人為源VOCs對O3和SOA形成的影響。
黃汝錦博士表示
“賽默飛GC-Orbitrap/MS氣相色譜靜電場軌道阱質譜聯用儀同時具備高分辨率、高靈敏度、高的質量精準度，是測定大氣中有機氣溶膠的有力工具，在該項研究中提供了強有力的技術支撐。”
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