傅(fu)立(li)葉變(bian)換離(li)子回旋共(gong)振(zhen)質(zhi)譜（FT-ICR MS）在多領(ling)域中(zhong)的應(ying)用
點(dian)擊(ji)次(ci)數：843 更新時(shi)間(jian)：2025-07-21
傅立葉變(bian)換離(li)子回旋共(gong)振(zhen)質(zhi)譜（FT-ICR MS）在多領(ling)域中(zhong)的應(ying)用
傅(fu)立(li)葉變(bian)換離(li)子回旋共(gong)振(zhen)質(zhi)譜（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, 簡稱FT-ICR MS）是當前(qian)質(zhi)譜技術中(zhong)分(fen)辨(bian)率和質(zhi)量(liang)精度最高的儀(yi)器(qi)之壹(yi) 。憑(ping)借(jie)強大(da)的超(chao)高分(fen)辨(bian)本領(ling)，FT-ICR MS 能夠在(zai)單(dan)次(ci)分(fen)析中(zhong)區分(fen)出(chu)質(zhi)荷比(bi)相差不到0.001 Da的離(li)子，從(cong)而(er)為(wei)復(fu)雜(za)樣(yang)品的分(fen)子(zi)組(zu)成解析提供了(le)細(xi)節(jie) 。這壹技(ji)術自問(wen)世(shi)以來，在分(fen)析復(fu)雜(za)化(hua)學(xue)混(hun)合(he)物(wu)方面(mian)顯示出優(you)勢，最初(chu)廣(guang)泛(fan)應(ying)用於(yu)石(shi)油(you)化(hua)學(xue)領(ling)域的“石(shi)油(you)組(zu)學"研究(jiu)，並(bing)推(tui)動了(le)實驗(yan)方(fang)法(fa)、數據處(chu)理(li)和儀(yi)器(qi)發展的革(ge)新 。近(jin)年，隨著技(ji)術的進(jin)步(bu)和(he)全球(qiu)各(ge)實驗(yan)室(shi)的投(tou)入(ru)，FT-ICR MS的應(ying)用不(bu)斷(duan)拓(tuo)展到環境科(ke)學、生命科學以及國防(fang)安(an)全等(deng)多個方向，成(cheng)為(wei)相關研究前(qian)沿的重(zhong)要(yao)工具(ju)。
本文系統(tong)綜述(shu)FT-ICR MS在以下(xia)五個(ge)方(fang)向的應(ying)用進(jin)展：（1）溶解性有機(ji)物(wu)（DOM）與環境碳(tan)循環，（2）大氣(qi)氣(qi)溶膠(jiao)（特別(bie)是棕(zong)色(se)碳(tan)）研究，（3）蛋白質(zhi)組(zu)學與生物(wu)標誌(zhi)物(wu)篩(shai)查，（4）石(shi)油(you)、能(neng)源(yuan)與材(cai)料科學，以及（5）、生化監測等(deng)軍工領(ling)域。我(wo)們將分(fen)別(bie)討論每個(ge)領(ling)域中(zhong)FT-ICR MS所體現(xian)的技(ji)術優(you)勢、取(qu)得(de)的代(dai)表(biao)性成果以及面臨(lin)的關(guan)鍵(jian)挑戰，並(bing)結(jie)合(he)2020年以來國內外(wai)高水(shui)平(ping)研究案(an)例(li)加(jia)以說(shuo)明(ming)。例(li)如(ru)，中(zhong)國科學院相(xiang)關研(yan)究(jiu)單(dan)位(wei)、美國(guo)國(guo)家實驗(yan)室(shi)、歐洲(zhou)馬(ma)普學(xue)會所屬研究(jiu)所等(deng)都在積極探(tan)索FT-ICR MS的應(ying)用，為(wei)科技創(chuang)新和決(jue)策(ce)提供支(zhi)撐。以下(xia)各節(jie)將(jiang)對此(ci)展開詳(xiang)細(xi)論述(shu)。
2. 大(da)氣(qi)氣(qi)溶膠(jiao)與棕色(se)碳(tan)（BrC）研究
技術背(bei)景(jing)與優(you)勢： 大氣(qi)氣(qi)溶膠(jiao)中(zhong)的有機(ji)物(wu)是大(da)氣(qi)化學和(he)氣(qi)候研究的熱(re)點(dian)，其中(zhong)“棕色(se)碳(tan)"（Brown Carbon, BrC）指能吸收可(ke)見(jian)光(guang)和(he)近(jin)紫(zi)外(wai)光(guang)的壹(yi)類(lei)有機(ji)組(zu)分(fen) 。BrC通(tong)常(chang)由燃(ran)燒產(chan)生的復(fu)雜(za)有機(ji)化(hua)合(he)物(wu)組(zu)成，如(ru)多環芳烴、含(han)氮芳香族(zu)化合(he)物(wu)、酚類(lei)及其二(er)次(ci)反應(ying)產(chan)物(wu)等(deng)，因對太陽輻射(she)具(ju)有吸(xi)收(shou)作(zuo)用而(er)在(zai)氣(qi)候強迫(po)中(zhong)扮演(yan)重(zhong)要角(jiao)色(se) 。然(ran)而(er)，BrC的分(fen)子(zi)組(zu)成極其(qi)復(fu)雜(za)，且(qie)濃(nong)度(du)相對於無機(ji)離(li)子（硫(liu)酸鹽(yan)、硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)、銨(an)鹽等(deng)）通常較低，對分(fen)析技術提出了(le)嚴(yan)峻挑戰 。FT-ICR MS的出(chu)現(xian)為(wei)破解BrC成(cheng)分(fen)提供了(le)利(li)器(qi)：通過對經(jing)提取(qu)分(fen)離(li)的氣(qi)溶膠(jiao)樣(yang)品進(jin)行(xing)超(chao)高分(fen)辨(bian)質(zhi)譜分(fen)析，研究(jiu)者(zhe)能夠同(tong)時(shi)檢(jian)測數千種有機(ji)分(fen)子(zi)，包(bao)括許多(duo)傳統(tong)手段(duan)難以發(fa)現(xian)的大(da)分(fen)子(zi)低(di)揮(hui)發(fa)性組(zu)分(fen)和(he)異構體(ti)。例如(ru)，有研(yan)究(jiu)報(bao)告(gao)水(shui)溶性有機(ji)物(wu)（WSOM）約占大氣(qi)細粒顆(ke)粒物(wu)有機(ji)碳(tan)的20–80%，對(dui)全球(qiu)變(bian)暖有重(zhong)要(yao)貢(gong)獻 。FT-ICR MS可(ke)以在(zai)消(xiao)除無機(ji)鹽幹擾後(hou)，對(dui)WSOM中(zhong)海量(liang)分(fen)子(zi)進(jin)行(xing)精細刻畫，從(cong)而(er)識(shi)別(bie)出具(ju)有強光(guang)吸(xi)收(shou)特性的關(guan)鍵(jian)物(wu)質(zhi)。如(ru)胡(hu)等(deng)人（Hu et al., 2021）利(li)用FT-ICR MS詳(xiang)細(xi)分(fen)析了(le)北(bei)中(zhong)國大氣(qi)顆(ke)粒中(zhong)BrC的元素(su)組(zu)分(fen)，發(fa)現(xian)其(qi)中(zhong)含(han)氮和含(han)硫芳(fang)香(xiang)族(zu)分(fen)子(zi)的相(xiang)對(dui)豐度(du)顯(xian)著影(ying)響光吸(xi)收強度(du) 。相(xiang)比(bi)於以往依賴(lai)總(zong)有機(ji)碳(tan)或(huo)光(guang)學(xue)性質(zhi)推(tui)測，FT-ICR MS提供了(le)直接(jie)的分(fen)子(zi)證(zheng)據(ju)，使(shi)科學家能(neng)夠將(jiang)氣(qi)溶膠(jiao)的光(guang)學(xue)特性與具(ju)體(ti)化(hua)學(xue)結(jie)構聯(lian)系起(qi)來。這對於(yu)理(li)解BrC的生成機制和(he)環境影(ying)響非(fei)常關(guan)鍵。
代(dai)表(biao)性成果： 近(jin)年，大氣(qi)氣(qi)溶膠(jiao)領(ling)域對(dui)FT-ICR MS的采(cai)用迅(xun)速增加(jia)，誕(dan)生了(le)壹(yi)系列(lie)重(zhong)要(yao)成果(guo)。在壹(yi)次(ci)典(dian)型研究中(zhong)，科研人員針對(dui)生物(wu)質(zhi)燃燒(shao)產(chan)生的BrC進(jin)行(xing)了(le)模擬實驗(yan)和(he)分(fen)析，發現(xian)光(guang)氧化可(ke)顯(xian)著(zhu)改(gai)變(bian)BrC的分(fen)子(zi)譜圖(tu)，比(bi)如(ru)壹些(xie)原(yuan)本大量(liang)存(cun)在的硝(xiao)基(ji)酚(fen)類(lei)物(wu)質(zhi)在UV照(zhao)射(she)後濃(nong)度(du)下(xia)降，同時(shi)生成了(le)更(geng)多(duo)高氧化度(du)的有機(ji)酸(suan) 。這些變(bian)化通(tong)過FT-ICR MS得(de)到清(qing)晰(xi)監(jian)測，有助(zhu)於(yu)解釋大(da)氣(qi)中(zhong)BrC隨時(shi)間(jian)的老(lao)化(hua)和(he)光漂(piao)白現象(xiang)。另(ling)壹(yi)個引(yin)人註目的案(an)例(li)是我(wo)國科研團隊對青(qing)藏高原(yuan)冰雪中(zhong)棕色(se)碳(tan)的研(yan)究(jiu)：由於(yu)偏遠地區(qu)的大(da)氣(qi)棕碳(tan)可(ke)能(neng)遠距離(li)輸送(song)而來，成分(fen)復(fu)雜(za)難(nan)以溯源(yuan)。研究(jiu)人員應用FT-ICR MS鑒(jian)定(ding)出(chu)冰(bing)雪(xue)中(zhong)BrC的詳(xiang)細(xi)分(fen)子(zi)式(shi)組(zu)成，並(bing)結(jie)合(he)光譜分(fen)析發現(xian)，這些BrC富(fu)含(han)芳香(xiang)族(zu)和含(han)氮組(zu)分(fen)，是導致(zhi)冰(bing)雪(xue)加(jia)速吸收太陽輻射(she)的原(yuan)因之壹(yi) 。他們(men)由此(ci)推(tui)斷出(chu)這些棕(zong)色(se)碳(tan)很可(ke)能(neng)源(yuan)自喜馬(ma)拉雅(ya)周邊(bian)生物(wu)質(zhi)燃燒(shao)的長距離(li)輸送(song) 。在歐(ou)美(mei)，多家機(ji)構也(ye)開展了(le)相(xiang)關(guan)工作(zuo)：例如(ru)美國(guo)太平洋(yang)西北(bei)國(guo)家實驗(yan)室(shi)（PNNL）將FT-ICR MS用於(yu)城市大氣(qi)PM$$組(zu)分(fen)的非(fei)靶(ba)標解析，鑒定(ding)出(chu)上千種(zhong)二次(ci)有機(ji)氣(qi)溶膠(jiao)分(fen)子(zi)，其(qi)中(zhong)包含(han)復(fu)雜(za)的過氧化物(wu)和低(di)揮發性寡聚物(wu)；德(de)國馬(ma)普化(hua)學研(yan)究所等(deng)單(dan)位(wei)則(ze)利(li)用該(gai)技(ji)術比較了(le)不(bu)同(tong)地區(qu)氣(qi)溶膠(jiao)的分(fen)子(zi)指(zhi)紋，發現生物(wu)質(zhi)燃燒(shao)排放的氣(qi)溶膠(jiao)中(zhong)含(han)硝(xiao)基(ji)芳(fang)香(xiang)族(zu)比例(li)遠高於(yu)化(hua)石燃料排放，為(wei)區分(fen)汙(wu)染(ran)來源(yuan)提供了(le)依(yi)據(ju)。總(zong)體而(er)言，FT-ICR MS幫助科研(yan)人員繪(hui)制了(le)大(da)氣(qi)有機(ji)氣(qi)溶膠(jiao)的“分(fen)子(zi)全息圖(tu)"，例(li)如(ru)在單(dan)壹(yi)城市PM$$樣(yang)品中(zhong)同時(shi)鑒(jian)定出數千種分(fen)子(zi)式(shi)，涵(han)蓋CHO、CHON、CHOS、CHONS等(deng)多種類型，從(cong)而(er)揭示了(le)大(da)氣(qi)有機(ji)物(wu)復(fu)雜(za)性 。這些詳(xiang)細(xi)分(fen)子(zi)信(xin)息對(dui)於(yu)改進(jin)大(da)氣(qi)化學模型、評估氣(qi)溶膠(jiao)的氣(qi)候效應(ying)具(ju)有重(zhong)要(yao)價(jia)值(zhi)。
關(guan)鍵(jian)挑(tiao)戰： 盡管FT-ICR MS極(ji)大推(tui)動了(le)BrC研(yan)究(jiu)，但(dan)仍(reng)有諸(zhu)多(duo)困難(nan)亟(ji)待克服。首先是代(dai)表(biao)性采(cai)樣(yang)和前處(chu)理(li)。獲(huo)取(qu)足(zu)量(liang)且(qie)具(ju)有代(dai)表(biao)性的氣(qi)溶膠(jiao)WSOM樣(yang)品常常需(xu)要長時(shi)間(jian)、大體積的采(cai)集，加之還需通(tong)過濾(lv)膜提取(qu)、萃(cui)取(qu)等(deng)步(bu)驟(zhou)富集有機(ji)物(wu)、去除無機(ji)鹽 。這些過程可(ke)能(neng)導致(zhi)部(bu)分(fen)組(zu)分(fen)損失(shi)或(huo)轉化，因(yin)此(ci)如(ru)何(he)盡可(ke)能(neng)無偏(pian)地富(fu)集BrC是個(ge)挑(tiao)戰。此(ci)外(wai)，氣(qi)溶膠(jiao)中(zhong)的BrC組(zu)分(fen)千(qian)差(cha)萬別(bie)，結(jie)構鑒(jian)定困難(nan)：FT-ICR MS提供精確的分(fen)子(zi)式(shi)，但(dan)許(xu)多(duo)BrC分(fen)子(zi)（例(li)如(ru)同分(fen)異構體(ti)、各種(zhong)高分(fen)子(zi)量(liang)寡(gua)聚物(wu)）僅憑(ping)分(fen)子(zi)式(shi)無法(fa)確定其(qi)結(jie)構和(he)來源(yuan)，需要(yao)借(jie)助MS/MS碎(sui)片譜或(huo)者(zhe)核(he)磁、紅(hong)外(wai)等(deng)譜學手段(duan)輔助推(tui)斷。然(ran)而(er)，對復(fu)雜(za)混(hun)合(he)物(wu)進(jin)行(xing)逐(zhu)壹(yi)碎(sui)片分(fen)析幾乎(hu)不(bu)可(ke)能(neng)，這使大(da)量(liang)BrC分(fen)子(zi)雖(sui)有分(fen)子(zi)式(shi)信(xin)息但(dan)“身(shen)份(fen)不明"。第三，關聯(lian)化(hua)學(xue)組(zu)成與光學(xue)性質(zhi)仍具(ju)挑(tiao)戰。BrC的氣(qi)候效應(ying)取(qu)決(jue)於(yu)其光吸(xi)收系數，而FT-ICR MS揭示的是化(hua)學(xue)組(zu)成。如(ru)何(he)將(jiang)成(cheng)千(qian)上萬種(zhong)分(fen)子(zi)的譜圖(tu)數據轉化為(wei)對光學行為(wei)的理(li)解，需(xu)要(yao)將質(zhi)譜數據與光學(xue)測量(liang)及模型相結(jie)合(he)。例如(ru)，不同(tong)功(gong)能團的分(fen)子(zi)對(dui)光(guang)吸(xi)收的貢(gong)獻(xian)、混合(he)狀態的影(ying)響(xiang)等(deng)，都是當前(qian)研(yan)究(jiu)的難(nan)點(dian)。此(ci)外(wai)，時(shi)間(jian)分(fen)辨(bian)和(he)空(kong)間(jian)分(fen)辨(bian)也(ye)是限(xian)制(zhi)：FT-ICR MS目(mu)前(qian)主(zhu)要用於(yu)實驗(yan)室(shi)離(li)線分(fen)析，很難(nan)實現大(da)氣(qi)BrC實時(shi)連(lian)續監測或(huo)高時(shi)空(kong)分(fen)辨(bian)的觀測，這限制(zhi)了(le)對(dui)BrC動態(tai)過程的直接(jie)觀測。為(wei)應對這些挑(tiao)戰，研究(jiu)者(zhe)正(zheng)在(zai)探(tan)索解決(jue)之道(dao)。例如(ru)，將FT-ICR MS與液(ye)相色(se)譜、氣(qi)相色(se)譜聯(lian)用可(ke)在(zai)壹(yi)定(ding)程(cheng)度上(shang)簡化(hua)混合(he)物(wu)復(fu)雜(za)性，提高結(jie)構鑒(jian)定能(neng)力；發(fa)展結(jie)合(he)激光解吸(xi)電(dian)離(li)的FT-ICR成(cheng)像技術可(ke)對(dui)單(dan)顆(ke)粒或(huo)沈積物(wu)中(zhong)BrC進(jin)行(xing)空(kong)間(jian)分(fen)布(bu)分(fen)析；利(li)用機(ji)器(qi)學習(xi)方(fang)法從(cong)海(hai)量(liang)譜峰(feng)中(zhong)提取(qu)與光學(xue)特(te)性相關的分(fen)子(zi)特(te)征(zheng)也(ye)是前(qian)沿方向之壹(yi)。展望(wang)未(wei)來，隨著采(cai)樣(yang)技術和數據解析方法(fa)的進(jin)步(bu)，我(wo)們有望(wang)更準(zhun)確地解碼大(da)氣(qi)棕色(se)碳(tan)的“分(fen)子(zi)密(mi)碼"，從(cong)而(er)更(geng)好(hao)地評(ping)估(gu)其(qi)環境和(he)氣(qi)候影響。
深(shen)圳市(shi)心(xin)怡創(chuang)科(ke)技有限(xian)公(gong)司(si)
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