突破單顆粒分析瓶頸，解鎖微納顆粒“指紋圖譜”

微納顆粒因其獨特的物理化學性質而被廣泛應用于工業生產和科學研究。然而，隨著其大規模生產和使用，微納顆粒不可避免地進入環境中，對生態系統和人類健康帶來潛在風險。因此，亟需開發能夠全面表征微納顆粒、追蹤其環境歸趨并評估潛在影響的分析方法。

微納顆粒因其來源差異而展現出不同的元素和同位素組成。例如，土壤中的天然顆粒主要源自巖石風化，其元素和同位素特征通常與母巖高度一致。相比之下，工程納米顆粒（Engineered Nanoparticles）的元素和同位素組成往往與天然顆粒有顯著差異。除了元素組成，微納顆粒的同位素特征同樣關鍵。例如，鈾顆粒的同位素信息能夠揭示母體材料的年齡、來源和加工過程。因此，微納顆粒的元素和同位素組成可作為追蹤其在環境和生物體系中存在的“指紋圖譜”，幫助研究人員解析其來源及在不同環境中的轉化過程。

近日，中國科學院高能物理研究所豐偉悅課題組成功開發了一種基于電感耦合等離子體飛行時間質譜（ICP-TOF-MS）的單顆粒同位素比值分析的新方法，準確測定了摻雜鑭系元素微塑料顆粒的同位素比值（153Eu/151Eu、142Ce/140Ce和176Lu/175Lu）。該方法實現了單顆粒元素/同位素“指紋圖譜”的準確分析，為環境科學、地球化學和材料科學等領域的研究提供了有力工具。相關研究結果發表于權威期刊“Journal of Analytical Atomic Spectrometry”（Tian et al. 2025, 40: 1718–1725）

與傳統的四極桿ICP-MS相比，ICP-TOF-MS 可以在幾十微秒內獲取全譜信息，實現單顆粒的多元素/同位素分析，就像給微觀世界裝上了 “高速高清攝像機”，準確獲得每個微納顆粒的指紋圖譜。

在單顆粒分析中，信號特征至關重要。若信號強度低、持續時間短，就如同收聽模糊的錄音，很容易誤判。研究表明，采用碰撞池技術（CCT）向碰撞池加入氦/氫混合氣（He：95.5%，H2：4.5%）后，單個微塑料顆粒信號持續時間從0.60±0.18 ms延長到0.91±0.16 ms，Eu，Ce，Lu等三種元素的信號強度提高了 3-4 倍，同位素比值分析的精度和準確度也顯著改善。如圖1所示，CCT模式顯著提高了同位素信號強度，改善了同位素比值分析的準確度和精密度，三種同位素比值均與其理論比值吻合。

圖1 icpTOF 2R分析單個微珠中153Eu/151Eu、142Ce/140Ce和176Lu/175Lu的同位素比值

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研究進一步比較了兩種商用ICP-TOF-MS系統（icpTOF 2R和CyTOF Helios）的單顆粒同位素比值分析性能。如圖2所示，CyTOF Helios在Eu、Ce和Lu等三種元素的分析靈敏度均優于icpTOF 2R，但Eu和Lu的同位素比值與理論值存在顯著偏差。相比之下，icpTOF 2R得到的三組同位素比值均與理論比值相符。這可能與icpTOF 2R具有更高的質量分辨率（>6000@238U），更寬的線性范圍（1E6）和更好的豐度靈敏度（30 ppm）有關。

圖2 兩種儀器 icpTOF 2R（碰撞池模式）與CyTOF Helios的單顆粒同位素分析結果對比。

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（a–c）Eu、Ce和Lu的信號強度相關性對比（虛線表示各同位素對的理論比值，R為Pearson相關系數）。（d-f）icpTOF 2R 與 CyTOF 在單顆粒同位素比值分析中的精密度和準確度對比。結果顯示，icpTOF 2R 測得的 Eu、Ce 和 Lu 的同位素比值與理論值高度一致，而 CyTOF 測得的同位素比值中，僅 Ce 的結果與理論值準確吻合。

表1兩種儀器icpTOF 2R（碰撞池模式）與CyTOF儀器的同位素比值測量結果對比

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單顆粒-電感耦合等離子體質譜（SP-ICP-MS）是近年來快速發展的納米顆粒分析前沿技術。現有的應用多基于四極桿ICP-MS，受限于檢測速度，難以在單個顆粒中實現多種元素/同位素分析。電感耦合等離子體飛行時間質譜（ICP-TOF-MS）能夠在數十微秒內完成全質量范圍的快速分析，從而能夠檢測單個顆粒中的多個元素和同位素。結合碰撞池技術（CCT），能夠有效提高單顆粒分析的信號強度，并有效改善同位素比值分析的準確性和精密度。本文開發的方法為單顆粒同位素比值分析提供了全新技術路徑，有望在環境科學、地球化學、核取證等領域得到更廣泛的應用。

icpTOF系列電感耦合等離子體飛行時間質譜儀

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