布魯克專訪微量樣品與痕量氣體的紅外分析

從空氣中的超細氣溶膠顆粒、納米塑料，到少量蛋白質樣品和氣體中的痕量組分，越來越多的研究需要在樣品量有限或濃度變化微弱時，獲得可靠的化學信息。紅外光譜如何幫助研究人員解決這些問題？

在西安舉行的第12屆國際氣溶膠大會（IAC 2026）期間，布魯克攜手Invisible-Light Labs展示了EMILIE納米機電傅里葉變換紅外光譜附件和MIRO MGA系列多組分氣體分析儀。分析測試百科網采訪了Invisible-Light Labs聯合創始人兼首席產品官Niklas Luhmann博士，以及布魯克光譜相關產品負責人趙騰飛工程師，了解兩款產品在環境、材料、生命科學及工業領域的應用。

布魯克光譜趙騰飛工程師（左）與Invisible-Light Labs的Niklas Luhmann博士（右）

EMILIE的微量樣品紅外分析

EMILIE由奧地利維也納工業大學衍生企業Invisible-Light Labs研發，面向氣溶膠、納米塑料以及其他樣品量有限的分析任務。可以直接接入具備步進掃描功能的INVENIO、VERTEX系列科研級傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）配套，為用戶提供完整的分析方案。

安裝在布魯克FTIR光譜儀樣品倉中的EMILIE

在同一枚芯片上完成采樣與檢測

Niklas介紹，EMILIE的核心是一枚納米機電系統（NEMS）諧振器芯片。樣品沉積在芯片薄膜上，吸收紅外光后產生微小的溫升，進而改變薄膜的振動頻率。系統記錄這一變化，獲得樣品的紅外吸收信息，用于識別化學特征和開展定量分析。

芯片同時承擔樣品載體和傳感器的作用。氣溶膠可以直接采集到芯片上，采樣結束后將整枚芯片放入EMILIE檢測。省去中間的樣品轉移步驟，有助于減少樣品損失與污染，也簡化了微量樣品的分析流程。

氣溶膠采樣與分析流程  顆粒采集到芯片后，將芯片轉入EMILIE進行紅外分析

氣溶膠研究  獲取超細顆粒的化學組成

超細顆粒的數量可能很多，但總質量往往有限，因此收集足夠的樣品并獲取化學信息并不容易。EMILIE配合相應采樣組件，可將約10 nm至3.2 μm的顆粒直接收集到芯片上，獲得這些顆粒樣品的整體化學信息。配合粒徑分級設備，還可以比較不同粒徑組分的化學特征。

通過紅外光譜，研究人員可以觀察有機官能團、硫酸鹽等組分的特征吸收；結合參考光譜、校準和數據處理，還可開展相關組分的定量分析。這些信息可用于研究顆粒物的來源、化學轉化及其隨環境條件變化研究。

例如，在廠家公布的維也納城市氣溶膠實驗中，研究人員針對不同粒徑切割條件采樣20至30分鐘，便可獲得有機和無機組分的紅外特征。具體采樣時間取決于顆粒濃度、采樣效率和目標組分含量。由于紅外光譜表征無損的特點，芯片通過EMILIE獲取官能團信息后可直接用于掃描電子顯微鏡及能譜分析（SEM/EDX），補充顆粒形貌和元素信息。

納米塑料與材料研究  識別少量樣品的化學特征

納米塑料是EMILIE的重要應用方向之一。空氣中的顆粒可通過氣溶膠采樣組件收集；液體分散樣品則可取少量滴加到芯片上，干燥后進行分析。紅外光譜中的特征峰可以為聚合物類型識別及化學變化研究提供依據。

在納米塑料應用實例中，研究人員已從1 ng的聚苯乙烯或聚丙烯標準樣品中獲得可識別的紅外光譜。對于復雜環境樣品，還需結合樣品分離、背景處理和適當的校準方法進行分析。

液體樣品可少量滴加到芯片上，干燥后檢測  圖示為20 nL滴加示例

生命科學與藥物研究  利用有限的樣品獲取光譜信息

在蛋白質、寡核苷酸和納米藥物等研究中，可供測試的樣品有時十分有限。EMILIE能夠對納克級樣品開展紅外表征，為研究人員提供官能團和分子結構相關信息。

以已驗證的干燥蛋白質測試為例，牛血清白蛋白和泛素的酰胺Ⅰ帶檢出限分別約為208 pg和167 pg。這些數值對應具體樣品與特征峰；獲取完整光譜或進行定量分析所需的樣品量，還需結合研究目標確定。液體樣品經干燥后測量，有助于降低水對酰胺特征帶的干擾。

談及與布魯克的合作，Niklas回憶，早期研發時，團隊使用布魯克FTIR順利完成了系統連接并成功記錄光譜。“那是我記錄的第一張光譜，當時我們就覺得這個方向非常有前景。”如今，EMILIE可安裝于相應FTIR的樣品倉，并通過配套軟件完成光譜采集與處理。

MIRO MGA的多組分氣體高頻同步分析

MGA系列采用量子級聯激光吸收光譜技術（QCLAS）。不同氣體在中紅外波段具有各自的吸收特征，儀器利用激光掃描相關吸收譜線，再通過光譜擬合計算濃度。通過集成多個激光通道，單臺儀器可按配置同步測量多達10種氣體。

MIRO MGA10-GP多組分氣體分析儀

趙騰飛介紹，用戶可根據研究需求選擇CO₂、CH₄、C₂H₆、N₂O、CO、NH₃、NO、NO₂、OCS、SO₂、HONO、HCHO等氣體組合，具體取決于機型與光學配置。最高10 Hz的測量頻率意味著每秒可輸出10組數據，適合記錄快速變化的氣體濃度。

精度需要結合氣體種類和平均時間理解。以公開的1秒平均性能示例為例，CH₄、N₂O和NO₂的測量精度分別為0.3、0.06和0.4 ppb，CO₂為200 ppb。各組分在10 Hz下的性能，以對應配置的技術參數為準。

車載與機載觀測  捕捉移動過程中的濃度變化

車輛和飛機在移動中會快速經過不同排放源，多組分、高時間分辨率的數據有助于捕捉短時濃度變化。MGA結構緊湊，可集成到車載或機載觀測平臺中；結合定位、氣象和其他觀測數據，可用于分析排放熱點、污染羽流及氣體的空間分布。

在荷蘭農業排放機載觀測研究中，研究人員將經過機載適配的MGA與高頻氣象測量系統配合使用，獲取10 Hz的N₂O和CH₄數據，開展區域尺度的通量觀測。該案例也體現了氣體分析儀與采樣、校準及氣象測量系統協同工作的價值。

生態與城市通量觀測  研究氣體交換及排放來源

通量觀測關注的是單位時間、單位面積內，地表與大氣之間交換了多少氣體。渦度協方差方法將高頻氣體濃度與垂直風速數據結合，用于計算這種交換。MGA可為多組分通量系統提供濃度數據，支持森林、濕地、農田和城市等場景的研究。

在蘇黎世城市高塔研究中，研究團隊使用MGA開展多組分觀測，獲得了連續8個月的CO₂、CO、NO_x、CH₄和N₂O通量數據。將這些數據與排放清單、氣象和通量足跡分析結合，可以研究道路交通、固定燃燒和生物活動等來源的貢獻，為城市排放評估提供依據。

對于生態研究，多組分觀測有助于在關注CO₂交換的同時，納入CH₄、N₂O、COS、NO_x等氣體，了解同一生態系統中不同氣體的排放或吸收過程。通量系統的設計仍需結合目標氣體、采樣管路和現場條件，以保證相應的時間響應與數據質量。

農業氮循環  評估施肥管理的綜合影響

農田中的氮會參與多種轉化過程，并可通過N₂O、NH₃、氮氧化物排放及淋失等途徑損失。評估一種管理措施時，既要關注N₂O是否減少，也要觀察其他氮損失途徑和作物產量是否發生變化。

MGA可根據配置同步測量多種含氮氣體，并與氣室、梯度或渦度協方差系統配合。將氣體數據與土壤性質、作物吸收和氣象信息結合，有助于分析氮損失特征，檢驗施肥和農田管理措施的效果。

由奧胡斯大學等機構參與的丹麥SmartField項目，正通過長期田間觀測和模型研究評估農業減排措施。MGA用于其中的多組分氣體觀測。項目目標是在不降低產量、不增加其他氮排放負擔的前提下，推動丹麥農業N₂O排放減少20%至30%。

工業應用  關注潔凈環境與氣體品質

在半導體制造領域，潔凈環境中的痕量分子污染也是關注重點。MGA可按目標組分配置，用于監測潔凈室空氣中的NH₃、NO₂、SO₂等氣體。對于高純氣體中的雜質分析，則需結合氣體基體、雜質限值及校準條件，選擇并驗證適合的配置。

碳捕集、利用與封存（CCUS）同樣需要關注氣體品質。捕集得到的CO₂中可能含有水、含硫或含氮雜質，在特定工況下會帶來腐蝕等問題，因此需要在運輸和封存前進行檢測。MIRO已公布純CO₂基體中SO₂、NO和NO₂的驗證數據，為相關氣體品質控制提供了應用依據。

以應用驗證推動技術落地

Niklas在采訪中談到，中國用戶對新技術的興趣讓團隊印象深刻。“我很高興能看到這種好奇心與對新事物的接納意愿，這讓我們很受鼓舞。”

趙騰飛表示，布魯克將通過樣機測試、應用交流以及國內外技術團隊的協作，幫助用戶評估產品適用性，并圍繞采樣方式、儀器配置和數據分析提供支持。對于微量樣品和痕量氣體分析，明確目標組分、樣品條件和所需時間分辨率，是建立有效測量方案的起點。