大連化物所研制出深海原位氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和色氨酸熒光傳感器

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化學(xué)物理研究所儀器分析化學(xué)研究室微型分析儀器研究組(105組)耿旭輝研究員、丁坤高級(jí)工程師、關(guān)亞風(fēng)研究員團(tuán)隊(duì)在深海原位探測(cè)儀器和傳感器研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研制出深海原位氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和色氨酸熒光傳感器。
 

　　海水中溶解的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在能源資源勘探、理解地球物質(zhì)循環(huán)、跟蹤全球環(huán)境變化、預(yù)警人類活動(dòng)污染等方面具有重要作用。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)是實(shí)驗(yàn)室分析VOCs的主流技術(shù)之一，將GC-MS引入深海原位探測(cè)，有望實(shí)現(xiàn)海水中VOCs原位高精度定性定量分析。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)前期已研發(fā)出深海原位氣相色譜儀用于深海海水中VOCs原位檢測(cè)，并在南海海域完成多次海試(Analytica Chimica Acta，2025)。然而，該氣相色譜儀依靠保留值定性，定性結(jié)果可靠性較低，且該儀器水下連續(xù)工作時(shí)間僅為10小時(shí)。為解決這些問題，研究團(tuán)隊(duì)通過引入小型四極桿質(zhì)譜與氣相色譜聯(lián)用，研制出深海原位GC-MS。團(tuán)隊(duì)突破了深海原位采樣-在線高效除水、廢氣固載等關(guān)鍵技術(shù)，并構(gòu)建了基于水-氣分離膜的濃度反演模型，實(shí)現(xiàn)了海水中VOCs的原位高精度定量分析。該儀器已在南海海域完成多次海試，最大工作深度達(dá)6000米，水下連續(xù)工作時(shí)間大于500小時(shí)，對(duì)海水中VOCs的檢測(cè)限低于1 mg/L，線性范圍超過3個(gè)數(shù)量級(jí)。
 

 

　　通過測(cè)量海洋中類色氨酸有機(jī)物的濃度，可以評(píng)估海洋碳循環(huán)、氮循環(huán)，還可以探測(cè)海洋中的生命活動(dòng)。目前，商品化的海洋色氨酸熒光傳感器多采用斜入射式光路結(jié)構(gòu)，檢測(cè)靈敏度較低，易受環(huán)境光影響或阻礙測(cè)量區(qū)域內(nèi)海水流動(dòng)。
 

　　團(tuán)隊(duì)在前期研制的小型熒光檢測(cè)模塊(mFLD,Talanta，2017；Talanta，2020)工作基礎(chǔ)上，開發(fā)了深海原位色氨酸熒光傳感器，通過設(shè)計(jì)粗腰束同軸激發(fā)光路，同時(shí)提高了激發(fā)光通量、熒光收集通量、檢測(cè)靈敏度，并降低了顆粒物對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的干擾。此外，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了側(cè)面開口式遮光帽，有效遮擋環(huán)境光的同時(shí)還減少了對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)水流交換的阻礙，定光程設(shè)計(jì)提高了標(biāo)定和測(cè)量精度。該深海原位色氨酸熒光傳感器對(duì)色氨酸檢測(cè)限達(dá)到7.8 ng/L，平均功耗1.2 W，最大工作深度11000米。該傳感器已分別搭載在中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所的水下平臺(tái)上開展海試，在南海海馬冷泉區(qū)測(cè)量到明顯的色氨酸信號(hào)抬升；在菲律賓海溝最大潛深7731 m，監(jiān)測(cè)到了菲律賓海溝剖面特有的“雙峰”現(xiàn)象，并于5300米海底總工作時(shí)長(zhǎng)超過60天，表明其具有優(yōu)良的長(zhǎng)期連續(xù)在深海海底工作的穩(wěn)定性。
 

 

　　相關(guān)成果分別以“Underwater Gas Chromatograph-Quadrupole Mass Spectrometer for in situ analysis of VOCs in deep sea”為題，發(fā)表在《分析化學(xué)》(Analytical Chemistry)上，第一作者為我所105組博士研究生盧世豪；以“A full-ocean depth in situ tryptophan-like organic matter fluorescence sensor with highly robust and low limit of detection”為題，發(fā)表在《傳感器與執(zhí)行器：B 化學(xué)》(Sensors and Actuators B: Chemical)上，第一作者為我所105組聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生沙濤。以上工作得到中國科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“深海/深淵智能技術(shù)及海底原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站”、國家自然科學(xué)基金、大連市杰出青年科技人才支持計(jì)劃、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。(文/圖 盧世豪、沙濤)