林 悅，閔 可，舒 釗，劉 琳，傅建捷*，劉 倩*，江桂斌

（1．國科大杭州高等研究院 環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310024；2．中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

黑碳是生物質(zhì)及化石燃料不完全燃燒產(chǎn)生的非純凈碳［1］。黑碳通常呈現(xiàn)納米尺寸的團(tuán)聚球狀形貌，其粒徑和密度小，能夠廣泛地存在于大氣中，并可通過呼吸系統(tǒng)侵入人體從而對人類健康造成危害［2］。人類呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病的發(fā)生以及肺功能的衰退與空氣中黑碳的濃度過高密切相關(guān)［3］?？諝庵泻谔嫉臐舛让吭黾?．4 μg/m3，呼吸系統(tǒng)死亡風(fēng)險將增加10%［4］。此外，黑碳是大氣細(xì)顆粒物（PM2．5）的重要組成部分，而PM2．5的暴露被認(rèn)為與孕婦的不良分娩結(jié)局有關(guān)［5-6］。例如胎兒-胎盤受到PM2．5的暴露后，可能會對胎盤的組學(xué)特征產(chǎn)生不利影響，并進(jìn)一步導(dǎo)致代謝能力的負(fù)面改變，增加胎兒的疾病風(fēng)險［7］。這一證據(jù)可能表明PM2．5對胎兒發(fā)育產(chǎn)生了有害影響，并且這種影響超過了由肺部顆粒積聚引起的母體系統(tǒng)性炎癥增加［8-9］。

另一方面，黑碳可能是僅次于CO2的影響全球變暖的第二重要因子［10］。它能夠通過吸收陽光直接影響輻射強(qiáng)迫，也可以通過改變云的性質(zhì)間接影響輻射強(qiáng)迫，因此對氣候具有重要影響［11］。環(huán)境中的黑碳顆粒來源復(fù)雜，可能來自柴油發(fā)動機(jī)燃燒、煤炭燃燒、野火以及住宅木材燃燒。在其短暫的大氣生命周期內(nèi)，黑碳顆?？赡軙?jīng)歷區(qū)域和洲際運(yùn)輸，甚至遷移至人類活動稀少的三極地區(qū)［12］。而三極地區(qū)被認(rèn)為是全球氣候變化的指示器，在全球變暖不斷加劇的背景下，三極地區(qū)黑碳的出現(xiàn)和賦存必將在全球氣候演變中扮演十分重要的角色［12］。因此，黑碳對人類健康及生態(tài)環(huán)境都具有不可忽視的嚴(yán)重影響。而高效的分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對黑碳顆粒健康效應(yīng)和環(huán)境影響全面及深入評估的重要基礎(chǔ)。目前報道用于黑碳分析的方法主要包括透射電子顯微鏡［13-15］、化學(xué)熱氧化法［16-18］、熱光學(xué)方法［19-22］、光學(xué)方法［23］以及質(zhì)譜方法［24-26］等。相比于其他技術(shù)，質(zhì)譜技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)黑碳復(fù)雜成分的定性定量分析，并為黑碳的毒理學(xué)研究和健康風(fēng)險評估提供更加深入和具體的化學(xué)成分信息。因此，本文聚焦于質(zhì)譜分析技術(shù)，綜述了環(huán)境及生物樣品中黑碳顆粒質(zhì)譜分析技術(shù)的原理、技術(shù)特征和應(yīng)用實(shí)例，總結(jié)了代表性質(zhì)譜技術(shù)檢測黑碳顆粒的實(shí)例，并對未來黑碳的分析技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了討論。

1 黑碳?xì)馊苣z質(zhì)譜

黑碳?xì)馊苣z質(zhì)譜（Sootparticle-aerosol mass spectrometer，SP-AMS）結(jié)合了單顆粒黑碳光度計及高分辨飛行時間氣溶膠質(zhì)譜（HR-TOF-AMS）兩種儀器，并在此基礎(chǔ)上配備了兩種蒸發(fā)器，即標(biāo)準(zhǔn)鎢蒸發(fā)器和額外的激光蒸發(fā)器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)3種檢測模式。第一種模式與HR-TOF-AMS 相同，即只使用鎢蒸發(fā)器，當(dāng)氣溶膠顆粒通過氣動透鏡被聚集在高真空中（10-5Pa）時，通過加熱鎢表面溫度至典型溫度600 ℃，使待測樣品顆粒發(fā)生閃蒸從而實(shí)現(xiàn)非難熔氣溶膠的檢測。第二種模式是鎢蒸發(fā)器和激光蒸發(fā)器同時運(yùn)行，非難熔氣溶膠仍在鎢蒸發(fā)器表面蒸發(fā)，而難熔氣溶膠成分（如難熔黑碳和金屬離子）則在隨聚集的氣溶膠粒子光束通過Nd：YAG紅外激光器（1 064 nm）時被氣化。隨后，利用電子（70 eV）電離蒸氣即可使其在高分辨飛行時間質(zhì)譜儀中被檢測。第三種模式是僅使用激光蒸發(fā)器，檢測1 064 nm 處含有激光吸收化合物的顆粒，該模式的實(shí)際操作中，必須將鎢蒸發(fā)器從儀器中移除以排除干擾［25］。因此，SP-AMS 是目前少有的能夠分別檢測非難熔化學(xué)成分（包括有機(jī)物、黑碳的非難熔成分、硫酸鹽、硝酸鹽、銨和氯化物）和難熔化學(xué)成分的儀器（圖1）［27-28］。Ge 等［24］利用SP-AMS 對青藏高原地區(qū)難熔黑碳及其表面涂層進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)難熔黑碳的表面涂層與難熔黑碳的平均質(zhì)量比約為7．7，且厚涂層的難熔黑碳比薄涂層難熔黑碳含氧少。在實(shí)踐中，SP-AMS可以通過在線［29-32］或離線［33-35］的方法進(jìn)行測量。已有大量研究基于SP-AMS技術(shù)對含黑碳顆粒的化學(xué)成分、來源、形成機(jī)制、光學(xué)性質(zhì)和吸濕性進(jìn)行分析。因此，該技術(shù)有助于在大氣科學(xué)領(lǐng)域探索環(huán)境空氣中含黑碳顆粒物的化學(xué)和物理性質(zhì)。

圖1 不同蒸發(fā)器模式的SP-AMS能夠測定的化學(xué)成分［25］Fig．1 The chemical composition can be determined by SP-AMS of different evaporator modes［25］

1.1 SP-AMS技術(shù)定性黑碳顆粒

1.1.1 SP-AMS 技術(shù)表征黑碳顆粒結(jié)構(gòu)SP-AMS 技術(shù)能夠?qū)谔碱w粒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，是因?yàn)槠渌鋫涞募す馄髂軌蛲ㄟ^加熱使黑碳納米結(jié)構(gòu)退火，不同的激光功率產(chǎn)生不同的退火程度，而不同物理化學(xué)性質(zhì)的黑碳也將導(dǎo)致不同的退火結(jié)果，從而在SP-AMS 中呈現(xiàn)出不同質(zhì)譜特征［36］。在一些燃燒產(chǎn)生的黑碳的SP-AMS 結(jié)果中，不僅能觀察到低碳的特征峰（C1+～C5+），還存在中碳（C6+～C29+）和富勒烯碳（＞）的碳簇峰。這些峰的強(qiáng)度表現(xiàn)出一種模式，即奇數(shù)碳簇比偶數(shù)碳簇更大［37］；并且以下的主要碳簇離子信號的質(zhì)荷比間隔為m/z= 12（即單個一價碳離子），而C30+以上的主要碳簇離子信號的質(zhì)量間隔為m/z= 24（即2 個一價碳離子）。這種間距的變化代表了碳簇從開放的二維結(jié)構(gòu)（如線性鏈、單環(huán)和多環(huán)）到封閉或中空的三維穩(wěn)定富勒烯結(jié)構(gòu)的變化［38-40］。而在SP-AMS 質(zhì)譜中得到Cn＞6+說明這些黑碳中具有比較穩(wěn)定的環(huán)結(jié)構(gòu)和富勒烯結(jié)構(gòu)［31，41］。黑碳在SP-AMS 中的質(zhì)譜特征能夠在一定程度上指示其結(jié)構(gòu)特征。Chen等［31］在2016年的工作中首次報道了環(huán)境空氣中的黑碳包含富勒烯結(jié)構(gòu)，并通過SPAMS 表征了空氣中這種富勒烯結(jié)構(gòu)黑碳的時間變化，結(jié)果表明環(huán)境空氣中的黑碳普遍存在富勒烯結(jié)構(gòu)，特別是在石油和天然氣產(chǎn)區(qū)。

1.1.2 SP-AMS 技術(shù)表征黑碳顆粒來源及燃燒條件SP-AMS 技術(shù)還能夠?qū)Νh(huán)境中不同來源的黑碳進(jìn)行甄別。Ge 等［42］利用SP-AMS 研究了南京郊區(qū)黑碳?xì)馊苣z的特征和來源。SP-AMS 數(shù)據(jù)顯示碳簇峰（Cn+）的n值最高能達(dá)到160，所有Cn+可被分為低碳離子（C1+～C5+）、中碳離子（C6+～C31+）及富勒烯碳離子（C32+～C160+）。低碳離子和中碳離子的時間變化相似，但與全碳有本質(zhì)差別，說明樣本具有不同的源貢獻(xiàn)。正交矩陣分解分析結(jié)果表明，交通、工業(yè)、烹飪相關(guān)難熔黑碳的C1+/C3+比值分別為0．88、1．29 和0．01。因此比值可作為環(huán)境條件下區(qū)分不同黑碳來源的參考，但還需要更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。Fortner 等［43］采用SP-AMS 研究了15 種不同來源的燃料燃燒產(chǎn)生的難熔黑碳和非難熔組分的化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)燃料源和燃燒效率對排放的黑碳顆?；瘜W(xué)成分存在影響。在15種不同來源的燃料中均觀察到C1+～C5+，而在土耳其橡樹和松樹中發(fā)現(xiàn)高貢獻(xiàn)率（＞10%）的高碳離子（＞ C32+），說明其具有獨(dú)特的富勒烯結(jié)構(gòu)。同時SP-AMS 的分析結(jié)果顯示，不同燃料類型的非難熔有機(jī)物質(zhì)與黑碳質(zhì)量濃度的相對比值也存在差異。Onasch等［41］測量了工業(yè)和燃燒過程中（包括柴油卡車尾氣和生物質(zhì)燃燒）產(chǎn)生的12種黑碳顆粒的SP-AMS 譜圖以探索碳簇峰的差異。他們發(fā)現(xiàn)低碳離子（C1+～C5+）信號可能是小的中性碳簇氣化后被電離產(chǎn)生，并且對較大碳簇破碎產(chǎn)生的離子具有潛在的貢獻(xiàn)。中碳離子可能與富勒烯類結(jié)構(gòu)的破碎有關(guān)，但重復(fù)性不一致。富勒烯碳離子可能來自燃料本身存在的富勒烯或由從含難熔黑碳樣品中蒸發(fā)的富勒烯類結(jié)構(gòu)的電子電離產(chǎn)生。SP-AMS 技術(shù)的鑒定能力應(yīng)被進(jìn)一步廣泛應(yīng)用在大氣中黑碳顆粒的來源識別和大氣歷史研究中。

SP-AMS 技術(shù)也能夠表征不同燃燒條件排放的黑碳產(chǎn)生的特征碳簇峰。Fujitani 等［44］使用秸稈進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)來觀察燃燒排放的物質(zhì)在SP-AMS 上產(chǎn)生的Cn+分布。他們發(fā)現(xiàn)中碳（C6+～C29+）占比可被用于區(qū)分低燃燒溫度下秸稈露天燃燒和其他高燃燒溫度下（如內(nèi)燃機(jī)）的黑碳排放源，并估計生物質(zhì)燃燒排放的氣溶膠衰變率。Fortner 等［43］的研究還證明不同燃料類型的非難熔有機(jī)物質(zhì)與黑碳質(zhì)量濃度的相對比值不同，且與校正燃燒效率呈負(fù)相關(guān)。

1.2 SP-AMS技術(shù)定量黑碳顆粒

由于黑碳的形成條件復(fù)雜，缺乏規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)品，因此對于黑碳的定量研究報道較為有限。然而，一些研究人員利用SP-AMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室合成或特定條件下生成的黑碳的定量分析。例如Willis等［45］在其工作中首次證明在SP-AMS 儀器靈敏度已知的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室生成的難熔黑碳顆粒的定量表征。而目前大多數(shù)觀察到的黑碳在SP-AMS 上的碳離子分布均以低碳（C1+～C5+）數(shù)的離子信號為主，因此C1+～C5+被推薦用來進(jìn)行環(huán)境難熔黑碳質(zhì)量校準(zhǔn)和定量研究［46］。通常在C1+～C5+中，C3+和C1+的離子信號占主導(dǎo)。Nielsen 等［47］利用SP-AMS 得到了生物質(zhì)燃料燃燒過程中排放的顆粒相黑碳、顆粒態(tài)的多環(huán)芳烴（PAHs）及有機(jī)氣溶膠（OA）的濃度。其中信號強(qiáng)度較高的C3+被用于定量難熔黑碳及探究難熔黑碳與其他物質(zhì)的貢獻(xiàn)比。此外，C1+與C3+的比值還與碳簇信號Cn+中的n值相關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)n＞ 5 的碳簇信號時，C1+/C3+的值接近于1；當(dāng)不存在n＞ 5的碳簇信號時，C1+/C3+的值小于0．8。因此，根據(jù)C1+/C3+值能夠?qū)谔碱愋瓦M(jìn)行分類［28］。SP-AMS 對黑碳的定量能力及表征其相關(guān)聯(lián)化合物分子信息的能力為了解環(huán)境黑碳的特性提供了獨(dú)特的見解。

2 二次離子質(zhì)譜

二次離子質(zhì)譜（SIMS）技術(shù)在20 世紀(jì)60 年代被開發(fā)并用于物體表面的元素分析［48-49］。它使用聚焦的高能初級離子束使樣品表面產(chǎn)生次級離子，隨后在質(zhì)量分析儀內(nèi)進(jìn)行分析。這種次級離子發(fā)射由離子濺射過程產(chǎn)生，在動態(tài)SIMS模式下，將這種濺射用于對樣品進(jìn)行深度分析，可獲得深度濃度分布結(jié)果［50］。因此，SIMS是一種具有高表面靈敏度、高空間分辨率化學(xué)成像和獨(dú)特深度分析能力的表面分析技術(shù)［51］。最早被用于SIMS分析的碳相關(guān)顆粒物是炭黑。炭黑是一種在工業(yè)規(guī)模上制造的顆粒，由烴原料在嚴(yán)格控制的工藝條件下經(jīng)高溫裂解形成［52］。炭黑表面存在的官能團(tuán)和微觀結(jié)構(gòu)對其表面活性具有重大貢獻(xiàn)，而利用飛行時間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）可以直接檢測炭黑表面存在的外來元素（如H、N、O、S、Cl 等）［50］。炭黑樣品在正離子模式下能夠顯示不同的碳簇CnHy+（n≤ 8），而在負(fù)離子模式下可以獲得更多關(guān)于炭黑表面官能團(tuán)的化學(xué)信息，包括許多陰性基團(tuán)，如O-（m/z=16）、OH-（17）、F-（19）、CN-（26）、S-（32）、Cl-（35，37）、（H）SO4-（96-97）。

近年來的研究表明，SIMS的深度剖析和成像能力在大氣細(xì)顆粒物表面及內(nèi)部組分和結(jié)構(gòu)解析方面具有很大的潛力［51］，能夠揭示大氣顆粒的化學(xué)成分在其表面和深度分布上的復(fù)雜異質(zhì)性［53-55］。黑碳是大氣細(xì)顆粒物的重要組成部分之一，相比于工業(yè)炭黑，大氣中黑碳顆粒的來源、組分及物理化學(xué)性質(zhì)更加復(fù)雜［56］。Kirchner等［57］用基于等離子體的二次中性質(zhì)譜（SNMS）和二次離子質(zhì)譜耦合四極桿質(zhì)譜分析儀（QMS-SIMS）測定了火花發(fā)生器或柴油發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺采樣的黑碳樣品的組分，發(fā)現(xiàn)它們均含有碳和碳結(jié)合氫，且硫、氯、鉀和鈣也被檢出。但不同來源黑碳的元素比例結(jié)果有所差異。與火花發(fā)生器產(chǎn)生的黑碳相比，柴油發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺采集的黑碳顆粒的硫碳比要高得多，這與柴油的高硫含量相對應(yīng)。同樣，柴油黑碳中碳結(jié)合氫的濃度和鈣碳比也高于火花產(chǎn)生的黑碳。此外利用SNMS 和QMS-SIMS 還能夠研究黑碳的元素深度分布信息，所有非碳元素只在表面附近被檢測，并且黑碳顆粒表面均有一層有機(jī)氫表層，顆粒的核心幾乎只含有碳。通過在SIMS負(fù)離子模式下觀察碳的化學(xué)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在兩種來源黑碳的表面區(qū)域（大約30 nm），碳的化學(xué)狀態(tài)只有輕微差異，并且在所有情況下，碳似乎都是石墨碳嵌入物和環(huán)形結(jié)構(gòu)有機(jī)碳的混合物。Sakamoto 等［58］在2008 年采用鎵聚焦離子束（FIB）開發(fā)了一種高橫向分辨率的TOF-SIMS，該儀器實(shí)現(xiàn)了單個氣溶膠顆粒的分析，其橫向分辨率為40 nm。Mayama 等［59-60］嘗試使用該技術(shù)分析了黑碳?xì)馊苣z顆粒。首先，利用掃描電鏡對硅片上的細(xì)顆粒物進(jìn)行定位。其次，通過FIB濺射前后的FIB誘導(dǎo)二次電子圖像觀察氣溶膠微粒，并通過掃描電鏡對其余細(xì)小顆粒進(jìn)行定位。以負(fù)離子或正離子模式對一個粒子在大范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行元素映射，直到粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)被闡明或粒子被完全去除。此時所有含碳物種（黑碳、有機(jī)物和其他碳質(zhì)物質(zhì)）都被映射為12C-和相關(guān)的二次離子。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在負(fù)離子模式下，第一次映射中的硫酸鹽離子被碳離子包圍，在第二次映射圖中，碳位于硫酸鹽旁邊，在最后的映射中，只剩下碳（圖2）。因此研究人員認(rèn)為該氣溶膠顆粒存在的狀態(tài)是黑碳位于作為整個顆粒核心的硫酸鹽表面，有機(jī)物質(zhì)通常圍繞在硫酸鹽和黑碳周圍。因此，SIMS能夠探究氣溶膠顆粒從表面到內(nèi)部的化學(xué)成分及結(jié)構(gòu)［61］，并且證明大氣細(xì)顆粒的主要成分包括硫酸鹽、碳?xì)浠衔锖涂赡艿母焕障┖谔碱w粒［53］。

圖2 TOF-SIMS在正（A）負(fù)（B）離子模式下對單個細(xì)顆粒物進(jìn)行重復(fù)元素映射［60］Fig．2 TOF-SIMS of repeated element mapping for single fine particle in the positive（A） and（B） negative ion mode［60］1，2，3 were the first，second，third time element mapping，respectively

3 激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜

激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（LDI-TOF MS）具有樣品制備簡單、用戶友好、分析速度快、靈敏度高和譜圖易解析等優(yōu)點(diǎn)［61-63］，可通過將被測目標(biāo)區(qū)域表面暴露在激光束中實(shí)現(xiàn)分子的解吸和電離。目前利用該方法實(shí)現(xiàn)碳顆粒在生物樣本中檢測的儀器主要是Bruker 公司的基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜儀（MALDI-TOF MS），儀器型號包括ultrafleXtreme 和rapifleX MALDI Tissuetyper。該質(zhì)譜儀配備了一個波長為355 nm 的Nd：YAG 激光器，納米顆?；蚣{米材料在電離時可以保留一定的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出特征團(tuán)簇離子峰［64-65］。Nie等［66］使用MALDI-TOF MS 從碳點(diǎn)、碳納米管和石墨烯中觀察到較強(qiáng)的陰離子碳簇（Cn-）信號峰，并進(jìn)一步使用特征Cn-質(zhì)譜指紋實(shí)現(xiàn)了碳納米管的定性和定量檢測。與現(xiàn)有放射性同位素和熒光標(biāo)記方法相比，該方法利用顆粒物的內(nèi)在化學(xué)性質(zhì)檢測實(shí)現(xiàn)其免標(biāo)記分析，避免了標(biāo)記效率低和檢測過程中標(biāo)簽脫落等問題［67］。隨后，他們進(jìn)一步利用Cn-獲得了碳納米管在器官和亞器官間分布的質(zhì)譜成像（MSI）結(jié)果，確認(rèn)并比較了碳納米管、石墨烯和碳量子點(diǎn)在生物組織切片中的亞器官分布情況［66］。這種質(zhì)譜方法具有可表征空間分布和進(jìn)行定量分析的綜合優(yōu)勢，有進(jìn)一步發(fā)展為通用技術(shù)的潛力。由于環(huán)境中的黑碳顆粒同樣是由碳元素組成的納米顆粒物，因此這種免標(biāo)記的碳材料成像技術(shù)為環(huán)境中黑碳顆粒的研究提供了重要的借鑒。Liu等［68］開發(fā)了一種勻漿切片法對組織中的黑碳顆粒進(jìn)行定量分析，并應(yīng)用LDI-TOF MS 成像技術(shù)對短期暴露PM2．5的小鼠組織樣本進(jìn)行研究，進(jìn)一步闡明了黑碳在小鼠器官中的分布。通過C2-～C10-的質(zhì)譜指紋圖進(jìn)行黑碳識別，在小鼠肺部觀察到明顯的黑碳信號，但其它器官中未檢測到黑碳信號（暴露7 天），初步驗(yàn)證了黑碳顆粒短期暴露后主要滯留在小鼠肺部。Nie等［69］同樣用LDI-TOF MS 成像技術(shù)在生物樣本中得到了碳質(zhì)氣溶膠中元素碳和有機(jī)碳獨(dú)特的質(zhì)譜指紋信號（圖3A），并探究了碳質(zhì)氣溶膠在小鼠器官中的沉積、轉(zhuǎn)運(yùn)和成分變化。通過比較有機(jī)碳與元素碳質(zhì)譜信號的比例，揭示了循環(huán)過程碳質(zhì)氣溶膠中的有機(jī)碳在器官中的特異性釋放行為。此外他們還發(fā)現(xiàn)在原位肺和肝臟腫瘤中，有機(jī)碳比元素碳更能穿透腫瘤病灶。該技術(shù)為了解氣溶膠顆粒對生物體健康的影響提供了更深入的信息。

LDI-TOF MS/MSI 技術(shù)目前也被應(yīng)用于環(huán)境樣本中黑碳的檢測。Liu 等［68］基于該技術(shù)在環(huán)境樣本中提取的黑碳顆粒中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定存在的碳簇陰離子（C2-～C10-），并發(fā)現(xiàn)6 種不同來源（汽車尾氣、煙囪壁、煤炭燃燒、工程炭黑、PM2．5及食品色素）的黑碳樣本具有高度一致的質(zhì)譜指紋圖譜。他們近一步利用碳簇峰中信號最強(qiáng)的C6-（m/z= 72）作為指標(biāo)，對2016 年～2019 年在中國環(huán)境監(jiān)測總站（北京）采集的PM2．5樣品中的黑碳濃度進(jìn)行測定，得到PM2．5樣品中黑碳的濃度范圍為0．49～13．7 μg/m3，該方法獲得的結(jié)果與傳統(tǒng)熱光法的檢測結(jié)果較為一致。隨后，他們將該質(zhì)譜指紋用于MSI 研究［70］，對不同粒徑的空氣顆粒物樣品中的黑碳進(jìn)行原位識別和定量分析，且該過程不需要任何預(yù)處理步驟（圖3B）。值得注意的是，這種成像技術(shù)的使用有效解決了因氣溶膠顆粒在采樣濾膜上分布不均勻而導(dǎo)致的檢測結(jié)果重現(xiàn)性和準(zhǔn)確度差的問題。此外，利用LDI-TOF MS方法還可以同時分析PM2．5中無機(jī)鹽等多種無機(jī)組分，為PM2．5多組分的高通量可視化分析提供了一個實(shí)用平臺，在空氣質(zhì)量監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 其他質(zhì)譜方法

目前的LDI-TOF MS 方法以MALDI-TOF MS 為檢測儀器，使用時通常需要添加基質(zhì)溶劑輔助目標(biāo)物的電離，而黑碳在儀器激光下具有較高的離子產(chǎn)率，因此不需要使用基質(zhì)溶劑。早期也有相關(guān)研究將二羥基苯甲酸作為基質(zhì)與燃料產(chǎn)生的黑碳顆?；旌?，并檢測到黑碳顆粒中C60和C36（OH）2的信號［71-72］。

此外，涉及到質(zhì)譜方法的還有苯多羧酸（BPCAs）分子標(biāo)志物法，該法在高溫高壓下對黑碳進(jìn)行強(qiáng)酸氧化，使得黑碳中的苯環(huán)產(chǎn)生羧酸和硝基，形成多羧酸和多硝基取代苯，根據(jù)檢測到的BPCAs 的結(jié)構(gòu)和含量即可實(shí)現(xiàn)黑碳的定量和溯源。Chen 等利用高效液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-MS）建立了BPCAs 和硝基BPCAs的分析方法。借助質(zhì)譜優(yōu)秀的定性能力解決了部分硝基BPCAs和BPCAs在缺乏標(biāo)準(zhǔn)品情況下的定性問題，促進(jìn)了BPCAs 法的普及［73-74］。BPCAs 分子標(biāo)志物法與碳同位素分析技術(shù)在黑碳分析領(lǐng)域也有所結(jié)合。穩(wěn)定碳同位素分析主要用于黑碳溯源［75-77］，樣品中穩(wěn)定碳同位素（13C∶12C）重輕同位素比值的差異被稱為δ13C，根據(jù)δ13C值的差異能夠?qū)Σ煌瑏碓吹暮谔歼M(jìn)行分析。例如，生物質(zhì)燃燒排放的黑碳顆粒的來源可以利用植物δ13C 值的變化范圍進(jìn)行追蹤。C3（如樹木或灌木）植物δ13C 值的變化范圍為-20‰～-32‰，而C4（如稀樹大草原的草）植物δ13C值的變化范圍為-9‰～-17‰［78］。Wagner等［79］提出了一種新的分析技術(shù)，利用液相色譜-同位素比質(zhì)譜對環(huán)境基質(zhì)中的黑碳進(jìn)行在線定量分析，并對其含有的單個BPCA 分子的化合物特異性穩(wěn)定同位素進(jìn)行分析。但穩(wěn)定同位素的研究多集中于溯源分析，對黑碳本身的定性定量分析涉及極少。

其次，由于黑碳是混合物，其成分不僅包括元素碳顆粒，還包括表面以及內(nèi)部的有機(jī)碳，因此，很多技術(shù)均針對黑碳中的有機(jī)碳進(jìn)行分析，例如利用裂解氣相色譜-質(zhì)譜（Py/GC-MS）在富含黑碳的樣品中檢測到芳香烴化合物，并發(fā)現(xiàn)在受火災(zāi)影響的土壤、人工燒焦的草和木材中檢測出的有機(jī)碳成分存在差異［80］。另外還有大量研究對與黑碳相關(guān)聯(lián)的有機(jī)成分進(jìn)行分析，前文介紹的氣溶膠質(zhì)譜也在黑碳有機(jī)成分的分析中得到廣泛應(yīng)用。表1總結(jié)了質(zhì)譜技術(shù)在環(huán)境及生物樣品中黑碳顆粒分析方面的應(yīng)用實(shí)例。

5 總結(jié)與展望

目前用于黑碳分析的主流質(zhì)譜方法仍為SP-AMS，并且該技術(shù)對在線氣溶膠樣品的檢測也相對成熟。但其并不適用于復(fù)雜樣本特別是生物樣品中黑碳的表征或示蹤。TOF-SIMS 技術(shù)的低檢出限和高表面靈敏度在復(fù)雜樣品得到恰當(dāng)前處理的前提下方能實(shí)現(xiàn)。而在實(shí)際測試過程中，樣品表面難以去除的污染物會掩蓋樣品的表面化學(xué)特性，并且TOF-SIMS 無法實(shí)現(xiàn)定量分析。LDI-TOF MS 是近幾年新興的用于環(huán)境及生物樣本中黑碳顆粒分析的方法，具有良好的抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣本中黑碳的分析。但是LDI-TOF MS 主要用于黑碳中元素碳的識別和定量，對于黑碳中有機(jī)碳的檢出限較高，在復(fù)雜的生物基質(zhì)中可能難以檢出。此外，黑碳作為一個良好的載體，能夠吸附復(fù)雜環(huán)境中的多種未知化合物，從而使其組成更加復(fù)雜，因此對黑碳分析的前處理過程及后續(xù)定性定量技術(shù)的要求將更加苛刻。目前在黑碳的分析中還面臨著許多困難和挑戰(zhàn)，如：

（1）缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的前處理步驟。在對黑碳進(jìn)行分析時，需要通過篩分、密度分離和化學(xué)提取分離等方法對樣品進(jìn)行前處理。但黑碳的前處理方法仍缺乏規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)化步驟，且在前處理過程中，不恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑的使用往往會引起黑碳表面性質(zhì)或形貌成分的變化，因此標(biāo)準(zhǔn)化的前處理方法對黑碳的后續(xù)分析十分重要。

（2）缺乏黑碳標(biāo)準(zhǔn)品。目前市面上仍缺乏黑碳標(biāo)準(zhǔn)品，在大多數(shù)報道的關(guān)于黑碳定性定量的工作中，通常使用炭黑作為標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行比對，但是炭黑通常是商業(yè)化的碳?xì)浠衔锊煌耆紵蚴軣岱纸獾玫降漠a(chǎn)物，其物理和化學(xué)性質(zhì)與黑碳有一定的差別，因此用炭黑作為檢測黑碳的標(biāo)準(zhǔn)品容易產(chǎn)生誤差［81-83］。因此合成不同性質(zhì)的黑碳標(biāo)準(zhǔn)品對于環(huán)境中黑碳的分析十分重要。

（3）便攜式設(shè)備的開發(fā)與改進(jìn)。黑碳的便攜檢測設(shè)備是研究黑碳個體暴露以及現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測的重要儀器，因此檢測設(shè)備的小型化及小型化設(shè)備性能的提高也是黑碳分析的重要發(fā)展需求。

（4）生物樣本中黑碳檢測方法的開發(fā)。隨著人們對黑碳顆粒毒性和健康效應(yīng)研究的重視，實(shí)現(xiàn)生物樣本中黑碳的準(zhǔn)確定性定量分析以及追蹤黑碳在人體內(nèi)的暴露、轉(zhuǎn)移和代謝路徑是未來探索黑碳和人體健康關(guān)系的重要研究方向。目前生物樣本中黑碳的研究主要基于LDI-TOF MS 及其成像技術(shù)，該技術(shù)仍然處于初步發(fā)展和應(yīng)用的階段，目前僅是針對暴露PM2．5或黑碳的小鼠樣本進(jìn)行研究。除了質(zhì)譜技術(shù)，光學(xué)顯微鏡［84］、電子顯微鏡［85-86］、飛秒脈沖激光顯微鏡［8，87-88］以及同位素標(biāo)記等方法［89-90］也被應(yīng)用于生物樣本的分析，但仍存在性能單一、特異性差、抗干擾能力弱、檢出限高、無法提供分子結(jié)構(gòu)信息等缺點(diǎn)和技術(shù)難題。黑碳的毒理學(xué)研究和健康風(fēng)險評估需要更加關(guān)注其在生物基質(zhì)中的分析檢測。