基于无人机的针刺捕捉装置阵列与便携式质谱仪相结合，用于危险空气污染物的现场分析

《Analytica Chimica Acta》：Drone-Based Needle Trap Device Array Coupled with Portable Mass Spectrometry for Onsite Analysis of Hazardous Air Pollutants

本研究开发了一种无人机搭载的针式陷阱（NTD）数组与便携式气相色谱-质谱联用系统，可在单次飞行中实现多高度同步采样，快速检测挥发性有机物（VOCs），分析垂直浓度梯度，为复杂或难以到达环境的大气污染监测提供高效解决方案。

　　

Jianfeng Zhang|Yi Li|Borui Ji|Haoran Liu|Lei Li|Wei Gao|Zhen Zhou|Bin Hu

环境与气候学院，质谱与大气环境研究所，广东省空气污染在线源解析工程研究中心，济南大学，广州，510632，中国

摘要

背景

对有害空气污染物的现场检测对于环境监测至关重要，因为这些污染物会迅速从排放源释放并扩散到周围及高空空气中，且常常出现在人类难以到达或不安全的地点。传统的现场采样方法在提供及时的分子识别和空间特征描述方面存在挑战。因此，迫切需要开发快速、灵敏且可现场部署的空气污染物监测分析策略。

结果

我们开发了一种基于无人机的针捕集装置（NTD）阵列，用于在不同环境条件下进行空气采样。该NTD阵列能够在单次飞行过程中同时采集多个高度的样本，收集到的样本随后通过便携式气相色谱-质谱（GC-MS）进行分析，从而在几分钟内快速识别和量化空气污染物。实验获得了可接受的分析性能，包括低检测限（达到ppbv水平）、出色的线性（R2 > 0.99）、良好的重复性（RSD < 20%，n = 6）以及快速的分析速度。成功地对来自生物源、人为源以及涉及有害挥发性物质释放的特殊环境的空气样本进行了现场环境分析。特别是，还研究了挥发性有机化合物（VOCs）的垂直扩散行为，展示了空气中的污染物空间分布。

意义

将基于无人机的NTD阵列与便携式GC-MS相结合，实现了单次飞行过程中的现场检测和多高度同时采样，能够高分辨率地绘制有害空气污染物的垂直浓度梯度图。这种方法为复杂或难以到达环境中的污染物分布特征提供了有效且经济高效的分析手段，并为现场大气监测开辟了新的可能性。

引言

日益严重的空气污染问题凸显了对大气污染物进行有效监测的迫切需求[1][2][3]。有害挥发性有机化合物（VOCs）是最常见且令人担忧的空气污染物之一，它们来源于多种生物源和人为源，如化石燃料燃烧、溶剂使用、车辆排放和工业活动。这些VOCs可以直接排放到大气中，或者通过光化学反应形成二次污染物[4][5][6]。接触有害VOCs与不良的人类健康影响和生态破坏有关[7][8][9]。特别是在涉及大量化学品的意外释放事件中，污染物的生成、扩散和转化可能迅速发生，对环境安全和公共健康构成严重威胁。因此，快速、可靠且灵敏的空气污染物分子组成和空间分布分析对于有效的空气质量管理和环境评估至关重要。 迄今为止，已经开发了多种分析技术，包括光谱方法、传感器、离子迁移谱以及新兴的便携式仪器，用于现场应用[10][11][12][13][14]。其中，便携式质谱（MS），特别是便携式气相色谱-质谱（GC-MS），由于其高灵敏度和特异性而受到越来越多的关注，并已广泛用于现场VOC分析[15][16][17]。然而，由于许多VOCs在环境空气中的浓度很低，通常需要在便携式MS检测前进行高效预浓缩和适当的样品预处理。传统的空气采样技术往往涉及较大的采样体积、复杂的设置和繁琐的操作流程，这可能导致分析物损失和污染。因此，基于MS的现场VOC分析仍面临重大挑战，尤其是在高效空气采样方面[18][19][20][21]。针捕集装置（NTD）是固相微萃取（SPME）的一种改进技术，其中吸附颗粒被封装在不锈钢针中，它将采样和萃取集成到了一个步骤中[22][23][24][25]。NTD允许直接进行GC注射采样，从而提供高灵敏度、选择性和可重复性。然而，从高处或难以到达的位置收集有害VOCs仍然具有挑战性，尤其是在难以到达或高风险环境中[26][27][28]。此外，污染物的快速扩散和时空变化性进一步增加了其检测和量化的难度，凸显了需要移动和灵活的空气采样策略。近年来，无人机或无人驾驶飞行器越来越多地被用作大气采样的移动平台，为进入高空区域提供了便利，并为环境分析开辟了新的可能性[29][30][31]。配备各种空气采样器和监测设备的无人机平台已成功应用于高空大气气体的分析。然而，大多数现有的基于无人机的采样方法依赖于每次飞行时在单一高度的顺序点采样，这限制了它们同时捕捉特定位置多高度污染物分布的能力。这些限制推动了能够进行多高度空气采样的先进采样策略的发展。 在这项研究中，我们开发了一种集成的基于无人机的NTD阵列，与便携式GC-MS相结合，实现了单次飞行过程中的现场检测和多高度同时采样，从而能够高分辨率地绘制有害VOCs的垂直梯度图。无人机平台能够在不同的环境条件下灵活自主地执行空中操作。系统的分析性能，包括灵敏度、重复性和量化能力，得到了系统的评估。成功地对来自生物源和人为源的各种空气样本进行了现场环境分析。此外，还研究了VOCs的垂直扩散行为，展示了空气中的污染物空间分布。这项工作提供了一种实用的、可现场部署的VOC监测策略，为复杂大气环境中的污染物分布提供了宝贵的见解。

化学物质和材料

不同填充材料的NTD（VV型，PAS-700-60d-VV：3厘米Carboxen 1000；SV型，PAS-700-60d-SV：3厘米Tenax TA；VC型，PAS-700-60dVC：3厘米Carboxen 1016；WR型，PAS-700-60d-WR：1厘米Tenax TA，1厘米Carboxen 1016和1厘米Carboxen 1000）购自Innoteg Scientific Instruments Co., Ltd.（广州，中国）。庚烷、乙苯、2-氯乙基醚、2-氯乙基苯硫醚和二乙基硫醚购自上海Macklin Biochemical。

基于无人机的NTD系统的制造与表征

图1展示了基于无人机的NTD分析系统的制造过程，该系统将NTD阵列与多旋翼无人机和便携式GC-MS集成在一起。无人机平台支持手动远程控制操作和沿预定义路线的自主采样，能够在复杂的现场环境中灵活部署。NTD阵列垂直安装在无人机机身下方，以增强飞行稳定性并最小化气流干扰[32]，同时研究了风速对NTD采样的影响。

结论

在这项研究中，开发了一种可用于现场快速识别、定量和空间映射空气污染物的VOC监测系统。基于无人机的NTD阵列与便携式GC-MS系统的结合，在灵敏度、选择性和重复性方面表现出优异的分析性能，能够可靠地检测不同环境中的VOCs。通过同时采样，成功表征了VOCs的垂直分布和扩散行为。

CRediT作者贡献声明

Yi Li：验证、方法学。 Borui Ji：资源获取、资金筹集。 Jianfeng Zhang：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。 Lei Li：监督、资金筹集。 Haoran Liu：资源获取、资金筹集。 Wei Gao：监督、资源、方法学。 Zhen Zhou：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、资金筹集、概念化。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22476064）、中央高校基本科研业务费（编号：21624203）、石油产品检测与质量控制重点实验室开放项目（编号：2025TQCP001）以及国家重点研发计划（编号：2021YFC2401100）的支持。