近日，大連化學物理研究所儀器分析化學研究室微型分析儀器研究組(105組)耿旭輝研究員、丁坤高級工程師、關亞風研究員團隊在深海原位探測儀器和傳感器研究領域取得新進展，研制出深海原位氣相色譜-質譜聯用儀和色氨酸熒光傳感器。
 

　　海水中溶解的揮發性有機物(VOCs)在能源資源勘探、理解地球物質循環、跟蹤全球環境變化、預警人類活動污染等方面具有重要作用。氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)是實驗室分析VOCs的主流技術之一，將GC-MS引入深海原位探測，有望實現海水中VOCs原位高精度定性定量分析。
 

　　研究團隊前期已研發出深海原位氣相色譜儀用于深海海水中VOCs原位檢測，并在南海海域完成多次海試(Analytica Chimica Acta，2025)。然而，該氣相色譜儀依靠保留值定性，定性結果可靠性較低，且該儀器水下連續工作時間僅為10小時。為解決這些問題，研究團隊通過引入小型四極桿質譜與氣相色譜聯用，研制出深海原位GC-MS。團隊突破了深海原位采樣-在線高效除水、廢氣固載等關鍵技術，并構建了基于水-氣分離膜的濃度反演模型，實現了海水中VOCs的原位高精度定量分析。該儀器已在南海海域完成多次海試，最大工作深度達6000米，水下連續工作時間大于500小時，對海水中VOCs的檢測限低于1 mg/L，線性范圍超過3個數量級。
 

 

　　通過測量海洋中類色氨酸有機物的濃度，可以評估海洋碳循環、氮循環，還可以探測海洋中的生命活動。目前，商品化的海洋色氨酸熒光傳感器多采用斜入射式光路結構，檢測靈敏度較低，易受環境光影響或阻礙測量區域內海水流動。
 

　　團隊在前期研制的小型熒光檢測模塊(mFLD,Talanta，2017；Talanta，2020)工作基礎上，開發了深海原位色氨酸熒光傳感器，通過設計粗腰束同軸激發光路，同時提高了激發光通量、熒光收集通量、檢測靈敏度，并降低了顆粒物對測量產生的干擾。此外，團隊設計了側面開口式遮光帽，有效遮擋環境光的同時還減少了對檢測區域內水流交換的阻礙，定光程設計提高了標定和測量精度。該深海原位色氨酸熒光傳感器對色氨酸檢測限達到7.8 ng/L，平均功耗1.2 W，最大工作深度11000米。該傳感器已分別搭載在中國科學院沈陽自動化研究所和中國科學院深海科學與工程研究所的水下平臺上開展海試，在南海海馬冷泉區測量到明顯的色氨酸信號抬升；在菲律賓海溝最大潛深7731 m，監測到了菲律賓海溝剖面特有的“雙峰”現象，并于5300米海底總工作時長超過60天，表明其具有優良的長期連續在深海海底工作的穩定性。
 

 

　　相關成果分別以“Underwater Gas Chromatograph-Quadrupole Mass Spectrometer for in situ analysis of VOCs in deep sea”為題，發表在《分析化學》(Analytical Chemistry)上，第一作者為我所105組博士研究生盧世豪；以“A full-ocean depth in situ tryptophan-like organic matter fluorescence sensor with highly robust and low limit of detection”為題，發表在《傳感器與執行器：B 化學》(Sensors and Actuators B: Chemical)上，第一作者為我所105組聯合培養碩士研究生沙濤。以上工作得到中國科學院A類先導專項“深海/深淵智能技術及海底原位科學實驗站”、國家自然科學基金、大連市杰出青年科技人才支持計劃、我所創新基金等項目的支持。(文/圖 盧世豪、沙濤)