水下质谱原位分析技术的研究进展

　　摘要深海是自然环境的重要组成部分，建立快速、准确、灵敏的深海原位探测技术，对于研究地质概况、探测资源、检测污染物和保护环境都具有重要的应用价值。质谱技术具有检测速度快、灵敏度高、可对未知物定性定量检测等特点，可准确捕捉海洋内部化学物质动态变化过程，已成为深海原位分析的高效探测技术。本文对近年来有关水下质谱原位分析技术的研究进展进行了综述，分析了其目前存在的问题和面临的挑战，讨论了现有水下质谱原位分析的特点和局限性，并对该技术的未来应用前景进行了展望。

　　关键词原位分析;水下仪器;质谱仪;膜进样质谱法;评述

　　深海的物质分布及循环过程对人类生产和生活有着巨大影响。海底蕴藏着丰富的微生物群落[1]，对深海进行快速、准确的探测，对于研究地球的地质概况、探究生命起源和早期演化[2]，认识圈层间相互作用及研究全球环境变化具有重要意义[35]。

　　对深海沉积的有机物进行探测，可寻找海底资源，评估油气及矿产资源储备，分析污染对海洋生态系统的危害[6]，从而充分利用海洋资源和制定可持续开发策略[7。因此，深海探测已成为未来地球科学领域的重要发展方向。然而，人类对海洋的认识仍非常有限。

　　传统的分析技术需要收集、储存并将样品运送到实验室进行检测，但海洋是一个动态系统，取样和分析之间的延迟会破坏样品的完整性，在样品运送过程中，温度、pH值等参数可能发生变化[7,1，无法对物质分布的时空状况进行连续分析[3,1。

　　解决此问题的一种有效方法是采用现场原位技术，可以提高时空分析的精度，消除由于样品处理和存储过程中产生的问题，实现原位、长期实时的连续观测，降低人力和物力的消耗[1。海洋探测技术的进步依赖于分析仪器的发展[1。目前，许多海洋搭载装备发展已较完善[1，如自主式水下潜器(Autonomousunderwatervehicle，AUV)、水下机器人(Remoteoperatedvehicle，ROV)等，但由于水下探测设备缺失，从而导致其原位分析功能受限。

　　由于待分析物通常具有不同状态，其最大浓度差甚至超过15个数量级，并且化学反应是随时间动态变化的，这给海洋探测原位分析设备提出了极高的要求，如较大的动态范围、超低的检出限、快速的响应速度、高选择性及精度、高稳定性和抗污染性能等[34,2。利用平衡器或者色谱等进行采样分离是常见的海洋原位探测方法[2，但其响应时间会随物质种类变化而改变，进而导致时间混叠，这可能掩盖水生环境中的重要化学以及生物学特征。传感器、荧光光谱和红外光谱技术在深海原位分析某些物质方面具有较好的效果，但这些方法通常局限于一种或几种物质，或者缺乏特异性[1,2,2。

　　拉曼光谱具备实时、连续、非接触、可同时探测多组分等优点，但由于常规拉曼散射效应是一种弱散射，导致该技术对目标物的探测灵敏度较低，因此，拉曼光谱目前主要应用在目标物浓度较异常的区域，并且对原位探测物质的种类也限制[1,229。为了快速准确地对深海样品进行成分和结构鉴定，通常需要将多种检测器集成至深海原位探头上，但该流程通常较复杂、定量困难，并且无法对同位素进行分析，难以实现原位探测19,3。质谱是将物质离子化，然后按照离子的质荷比(m/z)，测量各种离子谱峰的强度，从而实现对物质的定性和定量分析的一种分析技术，具有在低浓度下识别多种化学物质的能力，非常适用于海洋环境中溶解的气体、轻烃和挥发性有机物(Volatileorganiccompounds，VOCs)等的现场分析[3。

　　随着采样技术的发展，水下质谱(Underwatermassspectrometry，UMS)已成为一项重要的海洋探测技术[3。本文对该技术近年的研究进展进行了综述，对UMS原位分析系统的结构和功能进行了归纳总结，阐述了其研究现状和面临的技术瓶颈，并对其发展方向和前景进行了探讨。UMS分析系统的结构与其它探测方法相比，UMS分析最大的优点是可对一系列化学物质独立实现原位分析，可在mg/L水平检测许多溶解气体，并可在几秒钟到几分钟内检测到μg/L水平的VOCs[5,2,341。

　　第一台UMS诞生于199年42，此后的十余年间，数个研究团队对UMS仪器研制以及应用展开了研究。目前，UMS系统已可部署在AUV、ROV、海洋观测站、温盐深仪等平台上19，可进行连续的实时原位测量，完成高准确度的探测工作[343。

　　主要包括耐压壳、进样系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统和真空系统等。进样系统将待测海水样品转化成气相并引入质谱，离子源使样品分子电离并从中引出离子束流，质量分析器将离子按质荷比大小分离，检测器接收并将离子转换成电子脉冲，数据处理系统用于分析和处理接收到的电子脉冲，真空系统保证离子源和质量分析器等组件的真空工作环境，耐压壳用于维持系统内部的稳定。

　　1.1进样技术

　　与地面应用相比，质谱技术在水下的应用面临的最大难度是高压进样。质谱工作在高真空环境，而海洋深处的静水压力与之形成了巨大压差，这使得质谱进样更困难。对于UMS的应用，需从液相环境中提取出被分析物，并将其有效送入质谱真空系统。膜技术的出现使得该目标得以实现，目前的UMS系统基本普遍采用了膜进样质谱技术(Membraneinletmassspectrometry,MIMS)19。

　　1.1.1膜进样技术

　　渗透气化是一种新兴膜分离技术，1963年，Hoch等44首次将该技术应用于质谱进样，与其它进样技术相比，膜进样系统不需要样品制备过程，进样界面简单，降低了系统的气体负荷43，并可选择性透过特定的物质45，再现性好46。目前，MIMS已用于测量环境中的复杂混合物，并成为分析海水中溶解气体的重要工具[7,4750。目前，普遍认为MIMS进样机理是溶解扩散[3，整个样品引入过程可分为个步骤：(1)渗透物小分子在膜的高压表面吸附;(2)在浓度梯度的作用下，渗透物小分子穿过膜扩散到膜的另一侧;(3)渗透物小分子在膜的低压表面解吸51。表征膜性能的一项重要指标是进样效率，影响膜进样效率的关键是膜的结构和材质。

　　1.1.2膜的结构

　　膜的结构主要包括管状膜和平板膜52。管状膜可增加进气量，提高检测灵敏度5354;平板膜分为单层膜及多层膜，单层膜结构易于制备和操作5556，而多层膜结构可进一步提高富集效率57。对于不同的应用系统，需要选择合适的膜结构，以实现其最佳平衡19。对于水下应用，为避免膜在高压下破裂，需在真空侧提供结构支撑58。支撑结构一般是由具有一定强度的网孔烧结材料制成，如不锈钢、钛等金属的合金或混合物、陶瓷等，在支撑膜的同时也实现了待测物质的渗透，以配合膜达到进样的目的。对应管状膜和平板膜，其支撑结构可分别为棒状5354和片状57结构。

　　1.1.3膜材料

　　膜可分为优先透水膜、优先透有机物膜和有机物分离膜。应用环境不同，相应的膜材料也各有特点。应用于水下以及深海质谱系统中的分离膜，需要从水环境中提取有机物，应优先透过具有较大分子尺寸的有机化合物分子，因此，分离膜应由疏水性有机材料制成，以增加其对分离组分的亲和力。对于待测样品，膜应具有较高的渗透速率，此外还需具有良好的热稳定性和化学稳定性，以及耐酸碱、耐微生物侵蚀、耐氧化等特性。膜的材料通常选用极性低、表面能小和溶解度参数小的聚合物，包括聚乙烯、聚丙烯、有机硅聚合物、含氟聚合物、纤维素衍生物和聚苯醚等[1,1,3395966。

　　在常用的疏水膜材料中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前综合性能最优秀，也是UMS系统中应用最多的一种膜材料，可很好地实现溶解气体和VOCs在水中的分离43，但其机械强度较弱，在压力发生变化时，渗透效应会发生改变，出现滞后效应[3。Pinnau等67发现无定形氟聚物(TeflonAF)膜对永久气体具有很好的渗透效果，并且耐压能力较强。Wankel等[5]对该膜进行了MIMS进样实验，证明其在压力发生较大变化时，质谱信号强度的变化小于10%。Miranda等66在阳极氧化铝表面涂覆一层聚硅氧烷膜形成一种复合膜PNC，其机械强度较高，受滞后效应的影响较小。

　　此外，还有其它一些膜材料，如聚三甲基甲硅烷基丙炔(PTMSP)膜，其渗透通量高，可用于增大信号，但由于其链段松弛，减小了膜的自由体积，随着操作时间延长，其通量会降低6568;微孔性聚合物(PIMs)、聚二苯氧基膦腈(BPOP)和聚醚酰胺嵌段共聚物(PEBA)的选择性较强596970，适用于特定物质的检测;丁二烯丙烯腈聚合物(NBR)和聚氨酯(PUR)性能较好，但易受到温度变化的干扰。这些膜材料目前尚未直接应用于MIMS系统。

　　1.2离子源

　　在众多质谱技术中，电离技术近年发展较快71，但每种离子化方法都有特定的电离反应机理，检测的分子范围也不同。因此，分析样品的物理性质决定了可选择的离子化方法。电子电离(EI)与化学电离(CI)适用于气体或气化后仍然稳定的样品72，电喷雾电离(ESI)与大气压化学电离(APCI)等适用于液态或可溶解在溶液中的样品7374，激光解吸电离(LDI)和基质辅助激光解吸电离(MALDI)更适用于固态样品75。

　　极性高的分子因为分子间作用力强、挥发性低，通常呈现液态或固态，无法直接在EI/CI离子源中气化，若使用过高的温度气化样品，被分析物可能在离子化前发生热裂解，因此极性高的分子通常采用直接以液态或固态的离子化法产生离子。非极性的分子很难在ESI/APCI/MALDI中实现电离，因此较适合选择EI以及CI对其进行分析72。

　　UMS常应用于油气现场检漏、资源探测、化学循环过程研究等，通常以Ar、CO、CH、VOCs等低极性小分子物质作为主要分析对象76，所以应选用EI或CI进行电离。二者结构相似，但CI没有标准谱库，并且反应试剂可能会形成较高的本底值，影响仪器的检测灵敏度，而EI源电离效率高、能量分散小、结构简单、操作方便、重现性好，适合分析VOCs等物质，是UMS系统中应用最多的离子源。

　　1.3质量分析器

　　质量分析器可分为磁场式和电场式，磁场式分析器主要包括扇形磁场质量分析器和傅里叶变换离子回旋共振质量分析器(FTICR);电场式分析器包括飞行时间(TOF)、四极杆、离子阱等质量分析器。

　　便携式系统是UMS进行水下原位分析的基础，对仪器的体积、重量、功耗等都有限制，因此质量分析器必须进行小型化。目前，大部分类型的质量分析器都进行了小型化的测试77，但成功应用于UMS系统的仅有四极杆、离子阱和摆线质量分析器19。早期的便携式质谱仪一般使用扇形磁场质量分析器7880，但随着尺寸变小，其质量分辨率会变差81。TOF结构简单、质量范围高，经常被应用于太空环境中，但与扇形磁场质量分析器相似，其尺寸受到了分辨率的限制8284，目前尚未有应用于UMS的报道。FTICR虽然性能很好，但其对真空和磁场具有特殊要求，难以用于深海探测。

　　四极杆质量分析器结构简单、体积较小、对真空要求较低，虽然动态范围通常相对较低，但其小型化不会影响质量分辨率85，到目前为止，其依然是UMS系统中最常用的质量分析器[341435886。离子阱的结构与四极杆类似，其抗干扰能力更强，但其小型化会受到工艺限制，并会影响质量分辨率。Short等87对比了四极杆和离子阱质量分析器的水下原位分析效果，图显示了四极杆和离子阱质量分析器对部分VOCs的响应[38]，离子阱的检出限比四极杆低20倍左右。由于分子量小于40的物质会受到干扰，因此采用UMS系统对小分子物质进行检测时，四极杆质量分析器更适用87。

　　2002年，Hemond等[1开发了一个独立的UMS平台NEREUS，该仪器由一种便携式质谱衍生而来88，采用了一种摆线分析器，其原理如图所示，将一个固定的磁场叠加在一个正交的电场上，利用磁铁和电路产生的交叉电磁场进行聚焦，以保证其分辨率。该电场由低功率直流供电，简化了电路，在保证灵敏度的同时减小了功耗[3，其质量数检测范围为2~150amu，在较小的体积内实现了对一些溶解气体和轻烃等物质的分析检测[1。但是，摆线分析器所需的磁场体积较大，并且较难配备电子倍增器88，这对系统的整体设计具有较大影响。

　　2UMS技术的发展

　　UMS系统最早应用于浅湖表面等处污染情况的分析[3，以及研究水下的化学循环过程，被用于孔隙水、沉积物等环境中溶解气体含量的检测474889，主要对溶解气体以及高分子量挥发性有机物进行分析[34347588789。墨西哥湾漏油事件发生后，烃类物质等成为UMS主要的检测目标[243489091，其对信噪比的要求逐渐提高。随着研究的不断深入，UMS系统的工作环境逐渐深入到深海，而热液冷泉等恶劣环境对UMS仪器的独立工作能力提出了更高的要求，因此研究人员在追求更准确分析结果的同时，也致力于提升仪器的耐压能力和降低其功耗。目前UMS系统已可实现海洋中气体化合物的定量分析。

　　2.1探测深度

　　MIMS最初被用于沼泽、水池、森林、土壤、冰川等地表水环境中的溶解气体的监测889298。1998年，Gereit等42将膜进样技术与GCMS结合，开发了首台UMS系统。

　　工作时，泵通过加热的膜探头吸入海水，载气将渗透到膜内侧的挥发性化合物吹入色谱进行分离，质谱对分离后的物质进行检测。该系统可在海下300m的深度进行工作，被用于海上化学污染物的清理工作。虽然其具有优良的分析性能，但是由于流程复杂，工作时间长，仪器体积较大，无法满足水下原位分析的需求，因而该技术的发展受到了限制19。

　　2002年，Hemond等[1开发了一个独立的平台NEREUS，利用聚乙烯平板膜进行进样，用于连续测量水中溶解气体19。膜的有效面积为0.8mm，厚度为0.025mm39，以厚0.08cm、孔隙率约为12%的不锈钢掩膜材料作为支撑，膜和板使用PTFE垫圈和不锈钢环进行固定[1，该结构可承受10深的压力。2005年，McMurtry等99仿照NEREUS的结构开发了DOMS系统，用于深海碳氢化合物的渗漏检测。该系统使用PDMS平板膜进样，为防止高压下膜破裂，增加了一个电磁阀，一旦发生漏水现象，阀门将自动关闭，可保护系统内部，使其可在4000m海水深处工作99。

　　2007年，Camilli等[36]基于NEREUS系统开发出了一个小型UMS系统TETHYS，用于检测海中的烃类物质，该系统采用聚乙烯平板膜进样，并对耐用性、深度、低分子量物质检测、长期准确性和整体可靠性等进行了优化，其探测深度达到5000[3，这是目前已公开报道的UMS系统所能探测的最大深度。

　　2.2连续工作时间

　　为了实现化学循环过程的完整探测，UMS系统需要在现场进行长时间的连续工作。目前，质谱真空系统通常采用两级真空泵方式，即首先用低真空泵将压力降低至10Pa左右，然后再采用高真空泵(如涡轮分子泵)将压力进一步降低至1010Pa。这种真空泵系统通常需要排气，而对于深海应用，其排出的废气无法直接排放到海水中，当需要长时间工作时，其产生的压力会不断累积，压力过大将会降低真空泵的抽速，同时真空泵的工作也会使系统内部温度升高，这也会降低真空泵的性能。过高的压力和温度将影响UMS系统工作[1，因此，其通常只能运行1~2d[5,7,41588690100。

　　2001年，Short等87对真空系统进行了改进，进样装置、真空泵和质谱核心被封装在个压力容器中，将内部组件热耦合到压力容器壁上，利用外部环境散热，并额外设计了一个压力腔用于排放废气。这种设计将系统的结构分离开，对废气进行干燥87，因此减少了废气的湿度及进样时液体泄露可能对质谱仪器产生的影响，有效降低了系统工作时的温度，使得系统可在水下工作10d以上。

　　对于能提供外部供电的UMS系统，通常可不考虑系统功耗，但对于一些独立工作的应用，必须考虑系统的功耗和体积。水下GCMS系统的结构较复杂，功耗较大，如Gereit等[42]开发的GC/MS，一个完整的分析周期包括富集、热解吸、色谱注入、色谱分离、质谱检测和探针清洗等步骤，需要7min才能完成，功率达到了600，而其它膜进样UMS系统的功率通常约为100[35887103。Hemond等[1开发的NEREUS系统安装在玻璃球内，尺寸小，重量轻，采用了基于摆线设计的磁分析器19，利用低功率直流电路和永磁体保证其内部的电磁场，仪器的功耗约有1/2来自EI源[1，整体工作功率低于20。

　　该研究组还研制了可容纳NEREUS的AUV，可给该系统提供电源，使其在水下原位探测过程中具有很大的应用优势，该仪器曾进行过300h的浅水原位试验104。Camilli等[36]在其基础上开发的TETHYS系统甚至可工作年的时间。为了提高系统灵敏度，通常需要对进样系统进行加热，但这会增大整个系统的功耗。为减小加热所需功耗，2011年，McMurtry等101设计了一种循环式取样结构，可利用被加热过的液体进行加热。

　　2.3检出限和灵敏度

　　为捕捉海洋中痕量物质的变化，UMS系统需要降低检出限、提高灵敏度。增大膜表面积、减小膜厚度是一种常用的方法，但这会使进入质谱真空系统的水蒸汽增加。水蒸汽含量过高，会对氩、氧、氮、甲烷等的信号造成干扰86;同时，水蒸汽也将大大增加真空泵的负荷，甚至损坏系统104。为降低水蒸汽的干扰，2007年，Schluter等41在对甲烷在线测量的研究中，设计了一套冷阱系统，用于收集水蒸汽，该设计使系统背景干扰减少了96%，从而将甲烷的检出限由100nmol/L降低至16nmol/L41。在此基础上，该研究组开发了一种耦合了冷阱的膜进样系统CTMIS图11B，该设计提高了对VOCs和甲烷等物质的检测性能，并可在液体泄漏时保护系统86。

　　3国内UMS技术现状

　　国内对UMS的相关研究仍处于起步阶段。2011年，北京师范大学Yu等112利用膜进样飞行时间质谱技术对含苯系物等的污染水体进行了在线监测。2014年，中国科学院南京土壤研究所的Li等[113]开始利用MIMS技术进行水稻的反硝化测定。

　　2019年，清华大学的Shi等114证明MIMS对大多数无机气体和挥发性有机化合物有很好的检测灵敏度。为了提高水中痕量挥发性有机化合物的检测灵敏度，中国科学院大连化学物理研究所的Wu等115开发了一种源内螺旋膜入口单光子电离飞行时间质谱，可对水中污染物进行高灵敏度的自动连续分析。2021年，山东大学Cheng等52研发了一款夹层温控膜进样质谱仪(STCMIMS)，通过加热膜的真空侧，建立与分析物浓度梯度相反的热梯度，这增大了分析物在膜表面的解吸效率，从而提高了检测灵敏度和响应速度。目前国内的相关研究仅是对地表水的检测，尚无可部署于水下的原位质谱系统。

　　为了实现对海洋化学及生物环境现场原位探测的目标，本研究组研制了一种耐高压的膜进样结构，利用高效液相色谱泵和背压阀在实验室模拟深海高压环境，设计了多种进样结构，测试了PDMS、聚乙烯等材料的耐压性能，发现PDMS管状膜整体性能最好。采用一体成型加工方式将支撑烧结棒和进样不锈钢管连接，防止其出现间隙，消除了管状膜在间隙处破损的可能，使其可耐受更高的压力，管状膜紧密套在其外部，利用环氧胶进行密封，防止液体从膜的两端渗入，该进样结构可在40MPa的压力差下工作15d以上。

　　总结与展望

　　UMS系统具有快速检测深海中多种物质的能力，是深海探测的有力工具。目前的UMS系统多采用MIMS技术，挥发性样品通过选择性透膜直接从环境中进入质谱仪，所需要样品量少，入口简单可靠。膜的界面显著降低了高真空系统的气体负荷，而且快速、原位测量的能力消除了采样和存储过程中产生的干扰。目前的UMS技术仍不成熟，在低功耗的情况下对多种物质进行灵敏且稳定的检测是UMS技术研究的主要目标。未来，UMS技术的发展趋势主要包括：

　　(1)通过对进样技术的持续优化和创新，包括开发新型膜材料、设计新型膜进样结构、采用固相微萃取等新型进样技术等，增加探测深度;(2)通过优化定量方法，包括标准样品的制备、离线在线校准过程的完善及新定量方法的开发，优化系统的分析效果，使系统可进行更复杂与精确的测量;(3)通过对真空废气的处理和降低系统功耗，包括无废气泵的使用及集成泵的研发、离子源和质量分析器等设备的简单化，使系统的工作时间得到延长。可预见，UMS检测技术未来会有广阔的应用前景。

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　　作者：高佳奇林子涵江游徐赫奕戴新华黄泽建方向

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