微波诱导等离子体-飞行时间质谱（mipTOF）：区域机场现场实时测量铅排放测量

2026-05-21 14:05:46, GundlachGraham等 TOFWERK中国-南京拓服工坊

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2026.05.03

TOFWERK

mipTOF

铅（Pb）是一种有毒金属，具有长期的人为大气排放历史，并对人体健康产生负面影响。对于人类而言，不存在安全的铅暴露水平。[1] 在古希腊和古罗马时期直至工业革命之前，通过冶炼富含铅的矿石以提取银是铅气溶胶排放的主要来源[2]。在工业革命期间，由于煤炭燃烧，铅排放持续增加；随后，随着内燃机汽车的大规模应用以及四乙基铅（TEL）作为燃料添加剂（即含铅汽油）的使用，铅排放再次显著增加[3]。

在20世纪和21世纪，全球环境监管机构成功全面淘汰汽车用含铅汽油，这是一个重要的环境治理成就。根据联合国环境规划署（UNEP）的数据：“研究估计，每年禁止使用含铅燃料可挽救超过120万人的生命，同时帮助全球经济避免约2.4万亿美元的医疗及其他相关成本。”[4]

尽管汽车已禁止使用含铅汽油，但四乙基铅作为燃料添加剂在通用航空燃料（AVGAS）中的使用仍然存在。值得注意的是，对于居住或工作在区域机场1–3 km范围内的人群而言，AVGAS 排放是铅暴露的重要途径之一。[5]

低铅通用航空燃料（AVGAS100LL）每升燃料中可含有高达0.56 g 的铅。[6] AVGAS100LL 是固定翼活塞发动机轻型飞机最常用的燃料类型，这类飞机需要高辛烷值燃料以提供足够的起飞推力。近年来，美国和欧洲的监管机构一直在推动向无铅 AVGAS 的过渡，这一过程仍在进行中。

迄今为止，关于通用航空机场周边铅排放的高时间分辨率和高空间分辨率测量仍然缺乏。目前大多数相关研究采用高流量颗粒采样器或整体采样器，并在采样后对铅浓度进行定量分析[7-9]。这些方法能够提供一定的空间分布信息，但无法捕捉铅排放羽流的实时动态，因此也无法评估人群可能面临的急性铅暴露风险。

在本研究中，我们报道了利用微波诱导等离子体-飞行时间质谱仪（mipTOF）对区域机场附近环境空气中痕量铅浓度进行实时测量与定量分析。为此，将 mipTOF 安装于移动实验室（Aerodyne Mobile Lab，AML）中，并部署在美国新罕布什尔州纳舒厄地区机场跑道末端下风向约200 m处。在该位置，我们观测到了与活塞发动机飞机起飞和降落相关的清晰铅排放羽流。这些羽流持续时间为30–90秒，记录到的铅浓度最高可达背景水平的100倍。

实验方法

mipTOF 是一种可现场部署的痕量元素分析-快速质谱仪，可用于空气中颗粒物元素浓度的实时分析。该仪器配备高功率 MICAP 等离子体源（Radom Instruments，美国），用于激发和维持氮气（N₂）等离子体。使用氮气作为等离子体气体对于现场或移动式仪器运行至关重要。

该等离子体具有足够的能量，可完全汽化并原子化直径达数微米的颗粒，并产生与等离子体中待测元素原子数成正比的单电荷阳离子。在实时环境大气测量中，环境空气以约100 cm³/min 的流量引入 N₂ 等离子体中心通道；采用同轴雾化器作为文丘里泵以控制进入等离子体的气流[10]。

当含有痕量元素的气溶胶颗粒进入等离子体并被完全汽化后，生成的原子离子被引导进入质谱仪。在仪器内部，通过一系列离子光学透镜对离子束进行引导和整形，最终进入飞行时间质量分析器（TOF），在其中根据质荷比（m/Q）分离并检测离子种类和信号强度。

采用 TOF 检测时，每30 μs 可获得完整质量谱，并以最高1000 Hz 的频率将平均质量谱数据传输至计算机存储系统。这种高速全谱检测能力可实现对等离子体中单个颗粒汽化产生的瞬态信号进行分离（即单颗粒分析[11]）。

为将测量信号转换为元素质量和浓度，需要进行校准。本研究采用“粒径法”[12,13]确定包括铅在内的一系列元素的绝对灵敏度。在粒径法校准中，使用参考纳米颗粒（SiO₂包覆Ag，Ag核直径92 nm）进行测量。仪器运行参数详见表1。

在将 mipTOF 安装至 Aerodyne 移动实验室（AML）时，仪器主机及供给单元通过减振钢丝环隔振器进行安装（见图1）。底座框架直接固定于 AML 地板。mipTOF 的电力由安装在车体下部储存单元中的12.5 kW 柴油发电机提供，仪器运行时功率需求为5.5 kW。

空气采样入口位于车辆前窗上方。空气通过外径3/8英寸（9.525 mm）的铜管以10 L/min 流量采集，并在进入 mipTOF 前通过 PM2.5 切割粒径旋风分离器（URG-2000-30EN，URG公司，美国）。随后，以0.1 L/min 的流量将空气子样引入等离子体。

结果

图1展示了 mipTOF 在 Aerodyne 移动实验室中的安装示意图及其在Nashua纳舒厄机场下风向的采样位置。采样当日主导风向为西北偏西（WNW），风速为22.5 km/h，AML 停放在跑道末端下风向约200 m处。飞机起降方向为东南方向（SE），因此飞机排放通常会经过采样点。

图2给出了在 AML 停放于跑道下风向时记录的铅排放时间序列数据，数据以5秒平均浓度表示。同时记录了所有飞机的起飞和降落时间，并标注于图中。

在测量期间，多架固定翼活塞发动机飞机进行了“触地复飞”（touch-and-go）操作，这可能属于飞行训练的一部分。总体而言，这类操作产生的铅排放羽流通常小于冷启动起飞或完全降落过程所产生的排放量。

空气中铅浓度变化与每次起飞和降落事件之间具有明显相关性。排放羽流强度变化较大，这可能与发动机性能差异、起降位置变化以及风速变化有关。然而，铅排放事件与飞机起降之间的相关性是明确无疑的。

除铅之外，未检测到其他元素在周边环境空气中的浓度显著升高。事实上，大多数元素浓度均低于在高速公路行驶或城市环境中通过 mipTOF 测量得到的水平。

图2显示：mipTOF 测得的铅浓度（5秒时间分辨率）。铅气溶胶羽流与活塞发动机飞机起降事件明显相关，其浓度最高可达背景值的100倍。

此外，mipTOF 不仅能够实现高时间分辨率的整体铅浓度测定，还可以分离单个颗粒信号。

图3展示了单颗粒铅质量分布及铅同位素相关性分析结果。共测得超过900个含铅颗粒物，其中位铅质量约为0.5 fg。测得的铅同位素比值与天然铅分布一致。

尽管检测到了富铅颗粒，但这些颗粒仅占总空气中铅质量浓度的不到5%。大多数飞机排放的铅颗粒中铅含量低于0.15 fg（即单颗粒检测限）。

已有研究表明，活塞发动机飞机排放的铅主要以二溴化铅（PbBr₂）纳米颗粒形式存在，中位粒径约4 nm，并聚集成约12 nm 的富烃团聚体。0.15 fg 的检测限对应于直径约48 nm 的等效球形 PbBr₂ 颗粒。

因此，本研究结果表明：飞机排放以小尺寸富铅颗粒为主，同时在下风向区域形成较大颗粒或团聚体。

结论

mipTOF 是一种可现场部署的痕量元素质谱仪，可用于空气中元素的直接分析。在该应用中，mipTOF 对空气中痕量金属具有高灵敏度和高时间分辨能力。

本研究展示了 mipTOF 在实时测量固定翼活塞发动机飞机铅排放方面的强大分析能力，这些排放很可能来源于含铅通用航空燃料。空气中金属的实时测量能够明确识别颗粒排放源；在本研究中，可以精确对应每一次飞机起飞或降落的排放事件。

通过实时金属气溶胶测量，可以进一步深入研究急性暴露风险以及金属排放的动态行为。

mipTOF 产品手册:可现场部署的颗粒物痕量元素和金属实时分析仪

[1]P. J. Landrigan, et al. "The Lancet Commission on pollution and health." The Lancet, 391, 462-512, 2018. 10.1016/S0140-6736(17)32345-0

[2]S. Hong, et al. "Greenland Ice Evidence of Hemispheric Lead Pollution Two Millennia Ago by Greek and Roman Civilizations." Science, 265, 1841-1843, 1994.

[3]J. O. Nriagu. "The rise and fall of leaded gasoline." Science of The Total Environment, 92, 13-28, 1990. https://doi.org/10.1016/0048-9697(90)90318-O

[4]Inside the 20-year campaign to rid the world of leaded fuel. Date Accessed: March 31, 2026, https://www.unep.org/news-and-stories/story/inside-20-year-campaign-rid-world-leaded-fuel.

[5]A. Mills and S. Peckham. "Lead exposure from general aviation emissions in the UK: A review and call for action." Public Health Challenges, 1, e27, 2022. https://doi.org/10.1002/puh2.27

[6]A. International. "D910 Standard Specification for Leaded Aviation Gasolines."

[7]D. H. Shull, et al. "Monitoring lead deposition around airports using bulk deposition samplers." Chemosphere, 377, 144377, 2025. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2025.144377

[8]E. Carr, et al. "Development and evaluation of an air quality modeling approach to assess near-field impacts of lead emissions from piston-engine aircraft operating on leaded aviation gasoline." Atmospheric Environment, 45, 5795-5804, 2011. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2011.07.017

[9]V. Groma, et al. "Trace element analysis of airport related aerosols using SR-TXRF." Idojaras, 112, 83-97, 2008.

[10]K. Nishiguchi, et al. "Real-time multielement monitoring of airborne particulate matter using ICP-MS instrument equipped with gas converter apparatus." Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 23, 1125-1129, 2008. 10.1039/B802302F

[11]A. Gundlach-Graham. "Multiplexed and multi-metal single-particle characterization with ICP-TOFMS." 69-101, 2021. 10.1016/bs.coac.2021.01.008

[12]H. E. Pace, et al. "Determining Transport Efficiency for the Purpose of Counting and Sizing Nanoparticles via Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry." Analytical Chemistry, 83, 9361-9369, 2011. 10.1021/ac201952t

[13]M. D. Montaño, et al. "Single Particle ICP-MS: Advances toward routine analysis of nanomaterials." Analytical and Bioanalytical Chemistry, 408, 5053-5074, 2016. 10.1007/s00216-016-9676-8

[14]Weatherspark.com. Date Accessed: 04/02/2026, https://weatherspark.com/h/d/147269/2025/3/27/Historical-Weather-on-Thursday-March-27-2025-at-Boire-Field-New-Hampshire-United-States#Figures-ObservedWeather.

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