近日，大连化学物理研究所仪器分析化学研究室微型分析仪器研究组(105组)耿旭辉研究员、丁坤高级工程师、关亚风研究员团队在深海原位探测仪器和传感器研究领域取得新进展，研制出深海原位气相色谱-质谱联用仪和色氨酸荧光传感器。
海水中溶解的挥发性有机物(VOCs)在能源资源勘探、理解地球物质循环、跟踪全球环境变化、预警人类活动污染等方面具有重要作用。气相色谱-质谱联用(GC-MS)是实验室分析VOCs的主流技术之一，将GC-MS引入深海原位探测，有望实现海水中VOCs原位高精度定性定量分析。
研究团队前期已研发出深海原位气相色谱仪用于深海海水中VOCs原位检测，并在南海海域完成多次海试(Analytica Chimica Acta，2025)。然而，该气相色谱仪依靠保留值定性，定性结果可靠性较低，且该仪器水下连续工作时间仅为10小时。为解决这些问题，研究团队通过引入小型四极杆质谱与气相色谱联用，研制出深海原位GC-MS。团队突破了深海原位采样-在线高效除水、废气固载等关键技术，并构建了基于水-气分离膜的浓度反演模型，实现了海水中VOCs的原位高精度定量分析。该仪器已在南海海域完成多次海试，最大工作深度达6000米，水下连续工作时间大于500小时，对海水中VOCs的检测限低于1 mg/L，线性范围超过3个数量级。
通过测量海洋中类色氨酸有机物的浓度，可以评估海洋碳循环、氮循环，还可以探测海洋中的生命活动。目前，商品化的海洋色氨酸荧光传感器多采用斜入射式光路结构，检测灵敏度较低，易受环境光影响或阻碍测量区域内海水流动。
团队在前期研制的小型荧光检测模块(mFLD,Talanta，2017；Talanta，2020)工作基础上，开发了深海原位色氨酸荧光传感器，通过设计粗腰束同轴激发光路，同时提高了激发光通量、荧光收集通量、检测灵敏度，并降低了颗粒物对测量产生的干扰。此外，团队设计了侧面开口式遮光帽，有效遮挡环境光的同时还减少了对检测区域内水流交换的阻碍，定光程设计提高了标定和测量精度。该深海原位色氨酸荧光传感器对色氨酸检测限达到7.8 ng/L，平均功耗1.2 W，最大工作深度11000米。该传感器已分别搭载在中国科学院沈阳自动化研究所和中国科学院深海科学与工程研究所的水下平台上开展海试，在南海海马冷泉区测量到明显的色氨酸信号抬升；在菲律宾海沟最大潜深7731 m，监测到了菲律宾海沟剖面特有的“双峰”现象，并于5300米海底总工作时长超过60天，表明其具有优良的长期连续在深海海底工作的稳定性。
相关成果分别以“Underwater Gas Chromatograph-Quadrupole Mass Spectrometer for in situ analysis of VOCs in deep sea”为题，发表在《分析化学》(Analytical Chemistry)上，第一作者为我所105组博士研究生卢世豪；以“A full-ocean depth in situ tryptophan-like organic matter fluorescence sensor with highly robust and low limit of detection”为题，发表在《传感器与执行器：B 化学》(Sensors and Actuators B: Chemical)上，第一作者为我所105组联合培养硕士研究生沙涛。以上工作得到中国科学院A类先导专项“深海/深渊智能技术及海底原位科学实验站”、国家自然科学基金、大连市杰出青年科技人才支持计划、我所创新基金等项目的支持。(文/图 卢世豪、沙涛)
