揭秘大气奥秘:黄汝锦团队利用GC-Orbitrap/MS技术在有机气溶胶研究中取得新进展

王伟  邢江涛

有机气溶胶（OA）是大气气溶胶的重要组成部分，对空气质量、人类健康和气候产生影响。OA可以直接排放到大气中（一次OA），也可以通过气态前体物的氧化形成（二次OA）。作为一种高度复杂的混合物，OA在分子质量、官能团、极性和结构方面具有较大的差异，使其在化学表征上存在挑战。目前，只有10-30%OA质量的有机化合物结构被现有分析技术识别。

OA分子特征表征对深入理解其化学特性、来源和大气过程至关重要。气相-单四极杆质谱（GC-qMS）在鉴定非极性和极性有机物方面有广泛应用，但由于其对标准品的依赖和较低的灵敏度，限制了对更多目标分子的分析。同时，GC-qMS较低的分辨率也限制了对同分异构体的鉴定。

黄教授团队使用GC-Orbitrap/MS技术，在西安市的PM_2.5样本中识别出了335种有机标志物，包括之前被忽视的同分异构体和低浓度化合物，其数量是传统GC-qMS的1.6倍。研究团队通过“分子走廊”评估法，将纯饱和质量浓度（C₀）作为摩尔质量的函数进行估算，将识别的有机化合物映射到“分子走廊”中，相比质谱的直接比较，其分子特征更加直观（图1）。总的来说，GC-Orbitrap/MS额外鉴定的非烃类化合物中，超过60%是高度氧化的化合物，这突显了GC-Orbitrap/MS在详细碎片模式和强大数据库匹配方面的能力，允许检测出更广泛的化合物。同时，GC-Orbitrap/MS在鉴定更多VOCs、IVOCs和SVOCs方面展现出优越的能力，每种化合物类别分别增加了17.0倍、2.1倍和1.2倍。这些化合物可能作为气溶胶颗粒中的痕量成分存在，容易被GC-qMS忽视。

图1本研究测量的所有 PM2.5样品饱和质量浓度(C0)与摩尔质量(M)的分子通道。（点击查看大图）

研究进一步通过偏最小二乘判别分析（PLS-DA）和潜在源贡献函数（PSCF）模型，揭示了有机气溶胶成分的季节性变化。化学组分的变化也反映了不同的来源特征，例如，冬季室内排放增加的多元/多羟基醇，春夏季节可能来自生物源排放和二次形成的呋喃糖/吡喃糖和杂环化合物，以及秋季可能来自生物质燃烧的酰胺（图2、3）。

图2通过 GC-Orbitrap MS (a)检测的化合物的平均季节浓度的弦图和通过 GC-MS 和 GC-Orbitrap MS (b)检测的化合物浓度的条形图的比较。（点击查看大图）

图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)和潜在源贡献函数(PSCF)图谱的化合物中鉴定的显着改变的热图。（点击查看大图）

黄教授团队使用GC-Orbitrap/MS技术在中国南海的气溶胶样本中，鉴定出358种化合物（图4），其中芳香族化合物最为丰富，约占鉴定出化合物总数的43%，主要包括酯类、单/多环芳烃、酮类和酚类。研究进一步揭示了陆源OA与海洋源OA在氧化性和挥发性等理化性质上的显著差异。通过PLS-DA模型，识别出陆源OA和海洋源OA的特征组分，强调了陆源大气传输对南海OA的重要影响。

图4 检测到 OA化合物的分类研究

1. https://doi.org/10.1021/acs.est.4c03171

2. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.4c00173

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