俞　飛，　沈陽輝，　伊力塔,b

(浙江農(nóng)林大學 a.林業(yè)與生物技術(shù)學院；b.林學類國家級實驗教學示范中心，浙江 臨安 311300)

0　引　言

植物揮發(fā)性有機化合物(Volatile organic compounds，VOCs)是主要來源于森林、草原、灌木和農(nóng)田等陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物次生代謝物質(zhì)。這些化合物不僅是植物抵御逆境脅迫、信息傳遞的重要手段，并且可以通過氧化、沉降等作用影響區(qū)域和全球尺度的大氣化學、生物化學循環(huán)和氣候變化[1]，因此，植物VOCs的釋放和隨后在空氣中的轉(zhuǎn)變引起了科學工作者的廣泛探索。植物VOCs研究的主要測量和分析儀器包括色譜、質(zhì)譜、REA 系統(tǒng)、FIS(Fast Isoprene System)系統(tǒng)、質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀(Proton Transfer Reaction Mass Spectrometer，PTR-MS)等。其中氣相色譜(Gas chromatography，GC)或氣質(zhì)聯(lián)用(gas chromatography mass spectrometer，GC-MS)是最常規(guī)的VOCs檢測技術(shù)，而PTR-MS是20世紀90年代初，Lindinger研究組在選擇離子流動管質(zhì)譜(Selected ion flow tube mass spectrometry，SIFT-MS)的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學電離思想和流動漂移管模型技術(shù)開發(fā)的在線VOCs檢測技術(shù)[2]。PTR-MS技術(shù)無需對樣品進行預處理，可直接測定有機物的絕對濃度，并具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、裂解度低以及不受空氣中常規(guī)組分干擾等優(yōu)點，已發(fā)展成為痕量氣體在線檢測的潛在手段，在環(huán)境、醫(yī)療和食品領(lǐng)域的使用也越來越多。在國外PTR-MS技術(shù)也廣泛應(yīng)用于植物揮發(fā)物的檢測中，但是國內(nèi)相關(guān)研究開展較少，因此本文通過國外研究實例，從個體和生態(tài)系統(tǒng)兩個層面對PTR-MS在植物VOCs檢測中的應(yīng)用展開了介紹。

1　PTR-MS的原理和特點

1.1　PTR-MS的原理

PTR-MS主要由進樣系統(tǒng)、離子源、漂移管、質(zhì)量分析器、檢測系統(tǒng)5部分組成，其工作流程為：空氣中的VOCs在漂移管與離子源產(chǎn)生的母體離子H3O+發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，將VOCs分子離子化成唯一的(VOC)H+，然后進入質(zhì)量分析器通過質(zhì)荷比(m/z)進行定性分析，并通過檢測 H3O+和(VOC)H+強度的變化來定量VOCs的絕對濃度[2]。PTR-MS使用的這種電離技術(shù)稱為軟電離技術(shù)，即利用母體離子與目標物反應(yīng)，把目標分子轉(zhuǎn)換成離子。在VOCs檢測中，H3O+是目前為止最為理想的母體離子。這是因為H3O+可以和大多數(shù)的VOCs分子發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)(CH4和C2H4等少數(shù)有機物不能)，但是不能與空氣的主要成分(N2、O2、CO2和Ar等)發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)[3]。關(guān)于PTR-MS儀器原理和結(jié)構(gòu)的詳細闡述在多篇文獻中已有報道，在此就不再贅述。

2　PTR-MS在植物揮發(fā)性有機物檢測中的應(yīng)用

2.1　在個體尺度植物VOCs釋放研究中的應(yīng)用

植物VOCs最初受到人們關(guān)注是因為具有信號傳遞、抵抗高溫和病原體侵染、創(chuàng)傷修復以及防止細胞傷害等生理生態(tài)作用，所以VOCs釋放種類、排放速率與環(huán)境關(guān)系是植物生理生態(tài)研究的重要內(nèi)容之一。目前利用PTR-MS開展的個體和種群水平的研究主要以控制試驗為主，有模擬氣候變化或環(huán)境污染對植物VOCs釋放的影響，如CO2濃度升高對楊樹異戊二烯釋放特性的影響，模擬氮沉降對歐洲赤松單帖釋放的影響，臭氧脅迫導致煙草VOCs大量釋放的研究，水淹對歐洲顫楊等3種植物VOCs釋放的影響等；還有生物脅迫造成的植物VOCs釋放變化，如被褐卷葉蛾幼蟲取食的蘋果葉片72 h內(nèi)植物VOCs的釋放變化研究；以及植物隨著自身物候變化化合物釋放的變化，如絡(luò)石VOCs釋放隨花期變化的研究[4-7]。

圖1是常見的PTR-MS檢測流程圖[7]。主要有PTR-MS儀、采樣室(chamber)、碳氫化合物捕集器、抽氣泵、流量計等組成。一般流程是碳氫化合物捕集器將抽氣泵抽進的空氣過濾后(去除空氣中的VOCs)輸入采樣室，然后攜帶植物釋放的VOCs進入PTR-MS進行測定，而流量計用于控制空氣流速。

圖1　植物VOCs采樣和檢測系統(tǒng)[7]

其中，采樣室是非常重要的配件，用于放置待測葉片、枝條甚至整個植株。因為植物VOCs含量低，而且活性高，極不穩(wěn)定，特制的采樣室可以保證植物釋放的VOCs能順利進入儀器而不是揮發(fā)到空氣中，并且不改變VOCs成分。常用的采樣室材料有聚四氟乙烯(PTFE或Teflon)、不銹鋼、黃銅、玻璃等，其中PTFE/Teflon是最常見的，不能使用橡膠或塑料，因為這兩種材料會釋放或吸收VOCs。圖2是常見的兩種采樣室。Schuhfried[6]等就采用特制的玻璃采樣室來盛放采摘后的絡(luò)石花朵并收集VOCs(見圖3)，以研究絡(luò)石花朵凋謝過程中VOCs的釋放特征，其PTR-MS的檢測結(jié)果見圖4。也有的研究者直接將氣體交換儀的葉室作為VOC的采樣室開展研究。如Niinemets[8]等將Walz GFS-3000光合作用儀和PTR-MS進行聯(lián)用，利用光合作用儀的葉室為VOC采樣室，同步測定楊樹葉片的氣體交換數(shù)據(jù)和異戊二烯排放速率，進一步拓展了PTR-MS的應(yīng)用。采樣室至少要有一面是透明的以保證光線的進入維持正常的光合作用，因為一些植物的VOCs釋放是受光照控制的。影響植物VOCs釋放的環(huán)境生物因素有CO2濃度、濕度、臭氧變化等，這些大多數(shù)可以通過在采樣室內(nèi)安裝風扇對葉室內(nèi)空氣速率進行控制，從而將環(huán)境因素的影響降到最低，有的采樣室根據(jù)試驗需要甚至安裝了控溫裝置[7]。采樣室與氣泵和儀器等各氣路也需要用PTFE或Teflon相連。

A: 玻璃采樣室

B: PTFE采樣室

圖3采摘后置于采樣室的絡(luò)石花朵照片(Trachelospermumjasminoides)[6]。

注：在第1,5,9,10,11,12和13天分別用PTR-MS進行VOCs檢測。

圖4　絡(luò)石鮮花凋謝過程中VOCs釋放特征圖[6]

利用PTR-MS進行VOCs研究大多會在可以控制溫度和濕度的室內(nèi)開展，以保持儀器的精度和靈敏度。在開展植物VOCs檢測時的參數(shù)設(shè)置一般為：漂移管壓強220 Pa左右，漂移電壓600 V左右，漂移管內(nèi)所加電場(E)和氣體數(shù)密度(N)比值(E/N)為100-140 Td之間。在測定前需要用標準氣體對儀器進行校準，以保證精度。

2.2　在生態(tài)系統(tǒng)尺度植物VOCs檢測中的應(yīng)用

據(jù)估算，全球生物源揮發(fā)性化合物的年均排放量高達1 273 Tg C，其中90%左右(約1 150 Tg C)來自陸地生態(tài)系統(tǒng)，為植物生理過程中排放到大氣中的次生代謝物質(zhì)，而人為源揮發(fā)性化合物僅為110 Tg C[1]。這些VOCs可以與大氣中的活性自由基發(fā)生反應(yīng)生成二次有機氣溶膠，產(chǎn)生光化學煙霧及灰霾，造成空氣污染，影響區(qū)域大氣環(huán)境；也可以在氧化過程中與O3、NO2、OH自由基反應(yīng)，降低大氣的氧化性從而延長CH4等溫室氣體在大氣中的壽命，改變大氣輻射平衡，增強溫室效應(yīng)；還可以在大氣中經(jīng)過一系列反應(yīng)最終生成 CO2，參與到生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中，最終影響全球氣候變化。所以全球不同地區(qū)代表性生態(tài)系統(tǒng)植物VOCs釋放研究成為了生態(tài)學和大氣化學等學科研究的熱點內(nèi)容之一。

PTR-MS的發(fā)明解決了陸地生態(tài)系統(tǒng)植物VOCs排放在線檢測困難的問題。這是因為很大一部分的植物VOCs為高活性物質(zhì)，釋放后幾秒內(nèi)即與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)代謝為其它有機化合物，要求儀器具有實時、快速響應(yīng)的特點。國外利用PTR-MS開展陸地生態(tài)系統(tǒng)植物VOCs排放的研究開始于2000年左右。目前已經(jīng)對熱帶雨林，如南美亞馬遜和馬來西亞的熱帶雨林等；溫帶闊葉林，如法國地中海橡樹林，日本櫟樹林等；北方針葉林，如芬蘭的歐洲赤松林等；亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)，如美國科羅拉多州北部的針葉林等世界典型森林；還有一些農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，如歐洲西北部玉米地開展了研究[9-11]。國內(nèi)近幾年也陸續(xù)開展了不同森林類型植物VOCs排放通量的研究，使用的檢測儀器還是以GC，或者GC-MS為主，利用PTR-MS進行的VOCs排放研究幾乎未見報道。

圖5　實驗進樣裝置示意圖[12]

PTR-MS參數(shù)設(shè)置為標準設(shè)置：漂移管電壓600 V，壓強220 Pa(127 Td)。每個高度采樣2 min，PTR-MS進行6-7次(每次20 s)掃描。PTR-MS 使用選擇離子掃描模式，根據(jù)荷質(zhì)比選擇異戊二烯、甲醇等主要的植物揮發(fā)性有機化合物進行檢測。研究結(jié)果如圖6所示，24 m高度的異戊二烯和總單萜總體高于79 m和0.5 m處，且排放量從上午9 h開始上升，到下午3 h左右達到最大值，然后下降。

圖6　異戊二烯和總單萜的日變化[12]

還有不少研究在測定植物VOCs排放速率和種類時，同步獲取氣象條件，然后結(jié)合梯度擴散法、渦度相關(guān)法或馳豫渦旋累積法等微氣象方法，計算植物VOCs垂直通量[13]。這也是傳統(tǒng)色譜技術(shù)無法實現(xiàn)的，因為目前VOCs通量觀測的主要技術(shù)為渦度相關(guān)技術(shù)。該技術(shù)通過同步測定垂直風速和VOCs的濃度來計算其垂直通量，要求濃度測量工具反應(yīng)時間在 1 s以內(nèi)，所以傳統(tǒng)的測量工具如GC的等達不到這些要求，而PTR-MS的響應(yīng)時間僅為100 ms，檢測限可達10-9，甚至10-12級，而且直接進樣，完全可以滿足通量觀測的要求。

3　展　望

經(jīng)過科學研究者多年努力，PTR-MS儀器設(shè)計實現(xiàn)了快速發(fā)展。在進樣技術(shù)方面，目前已經(jīng)實現(xiàn)了液體膜進樣(MI-PTR-MS)、溶液直接注射進樣(DAI-PTR-MS)、平衡器進樣(EI -PTR-MS)、固相微萃取(SPME-PTR-MS)、激光解吸進樣 (LD-PTR-MS)等多種進樣方式，可以直接檢測液體和固體VOCs[14-15]。在質(zhì)量分析器方面，PTR-MS可分別與四極桿(Q)、離子阱(IT)、飛行時間(TOF)等結(jié)合，各有優(yōu)勢[7]。PTR-TOF-MS是目前最貴也是最先進的在線植物揮發(fā)物檢測儀，檢測限可達萬億分之一的體積比(pptv級)，是今后PTR-MS的主要發(fā)展方向。而四級桿PTR-MS(PTR-Q-MS)仍將在很長一段時間內(nèi)在植物VOCs監(jiān)測中占重要位置，因為它更輕、更小，攜帶方便，價格也相對便宜，而且對數(shù)據(jù)處理器的要求也低一些，所以更適合野外使用。但是在分析同分異構(gòu)體時，還需要借助GC-FID/MS開展平行試驗進行鑒定。

這些研究都是針對PTR-MS儀器自身進行的檢測范圍、測量精度、響應(yīng)時間等方面的改進。但是在利用PTR-MS進行植物揮發(fā)性有機物測定時，還要考慮植物自身因素。因為VOCs釋放不僅受環(huán)境因素影響，還由植物生長狀態(tài)和物候等因素決定。在個體尺度上進行的植物VOCs在線檢測常與植物生長狀態(tài)的儀器，如光合作用測量系統(tǒng)，葉綠素熒光儀等進行聯(lián)用，以確定VOCs檢測過程中的植物狀態(tài)。所以，如何與其它儀器進行聯(lián)用，也將是PTR-MS在植物VOCs檢測應(yīng)用中的一個重要方向。

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