“优良” 空气也不安全！ICP-TOF-MS解锁清洁日PM2.5健康风险

杨毅团队的研究表明，仅依赖于PM2.5质量浓度来判断空气质量，具有较大的局限性，PM2.5 的健康风险并非由浓度单独决定，其化学组成的异质性才是关键。尽管MCFPs的数量浓度在春季高于冬季，并随着PM2.5污染水平升高而增加，但在清洁日采集的PM2.5却表现出比污染时期更强的肺细胞毒性效应。即使PM2.5质量浓度符合世卫组织指导值，长期暴露于低浓度的MCFPs（尤其是富铁颗粒）由于其关键器官中的长期生物持久性，仍可能构成显著的健康风险。

不同季节和污染水平下MCFPs表征

研究团队在上海闵行区开展了跨冬春两季的系统采样，覆盖了世卫组织标准清洁日WHO（PM2.5<15μg/m³）、国标清洁日GB（15-35μg/m³）、雾霾日Haze和沙尘Dust日四种场景。研究显示，与有毒金属相关的富铝颗粒的数量浓度在冬季雾霾日显著高于春季。相反，富铁颗粒在春季WHO清洁日和沙尘日的浓度高于冬季，春季有毒金属相关的富硅颗粒浓度持续高于冬季。与污染日采集的PM2.5相比，清洁日采集的PM2.5中有更大比例的多金属颗粒（特别是富铁颗粒）与有毒金属相关联，这表明在单颗粒水平上，较低的PM2.5水平可能潜藏着更高的毒性风险。

图1 不同污染水平（WHO：WHO清洁日、GB：国标清洁日、Haze雾霾日、Dust沙尘日）与有毒金属相关联的富铝(a)、富硅(b)及富铁颗粒(c)的数量浓度（黄色箱线图）及其在对应多金属颗粒总数中的比例（蓝色箱线图）的季节性对比。(d) 冬季WHO清洁日PM2.5中典型磁铁矿聚集体的TEM图像，显示其与铝、硅、钛、锰、铜和锌的共存关系（点击查看大图）

不同时期PM2.5的不平等细胞毒性

本研究使用BEAS-2B细胞评估了不同时期采集的PM2.5的肺细胞毒性效应。采用EC₁.₅（引起氧化应激增加1.5倍的有效浓度）和IC₂₀（使细胞活力降低20%的抑制浓度）值来评估PM2.5的毒性效应，更低的EC₁.₅和IC₂₀值表示单位质量浓度具有更高的细胞毒性。季节分析显示，冬季采集的PM2.5的EC₁.₅和IC₂₀值分别比春季低1.6倍和1.4倍，表明冬季PM2.5表现出更强的肺细胞毒性，而PM2.5的氧化应激潜力倾向于随着PM2.5污染水平的降低而增加。总体而言，不同时期PM2.5毒性效应的显著差异很可能源于其来源和化学组成的差异。

图2. 两个季节不同污染水平PM2.5的EC₁.₅ (a) 和IC₂₀ (b) 比较，以及使用随机森林模型得到的EC₁.₅ (c) 和IC₂₀ (d) 变量重要性分析结果（点击查看大图）

综合分析表明，富含金属（尤其是铁）的细颗粒物及其表面吸附或内嵌的有毒金属是驱动PM2.5肺部毒性的首要因素，其重要性超过了有机碳/元素碳质量浓度等传统指标。这解释了为何在PM2.5质量浓度较低的"清洁日"，由于特定毒性组分的相对贡献更高，反而可能观察到更强的潜在健康风险。研究结果强调了在评估PM2.5健康风险时，关注颗粒物化学组成，特别是金属组分的重要性。

不同时期MCFPs的来源解析

研究人员收集了来自自然源（以沙漠沙尘为代表）和人为源（包括燃煤、柴油车排放、电动车排放以及生物质燃烧）的单个MCFPs的高分辨率元素特征。采用随机森林分类器来建立溯源模型，该模型同时使用了测试数据集和机械混合样本进行验证。

基于富铁颗粒的机器学习模型结果，人为源（特别是交通排放和燃煤）的贡献通常在冬季高于春季，与污染日相比，其在清洁日的贡献相对较高。平均而言，在冬季所有时期，人为源贡献了超过80%的富铁颗粒；在春季（即使在沙尘日），人为源也贡献了超过71%的富铁颗粒。

图3 冬季 (a‑d) 和春季 (e‑h) 中，⾃然源和⼈为源的 MCFPs 对 WHO、GB、雾霾和沙尘日的贡献（点击查看大图）

毒理学评估助力空气质量治理新思路

杨毅团队利用先进的spICP-TOF-MS分析技术，阐明了冬季和春季不同PM2.5浓度下单个含金属细颗粒物（MCFPs）的元素特征，为导致PM2.5毒性的颗粒组分提供了关键见解。该研究对于后续空气质量政策的调整，从基于质量的控制转向针对特定排放源的减排策略，对PM2.5成分进行高分辨率表征，考虑单颗粒水平的研究及其毒理学评估，制定有效的预防措施，将颗粒物引起的健康风险降至最低。

电感耦合等离子体飞行时间质谱（ICP-TOF-MS）能够在数十微秒内完成全质量范围的快速分析，从而能够检测单个颗粒中的多个元素和同位素。结合碰撞池技术（CCT），能够有效提高单颗粒分析的信号强度，并有效改善同位素比值分析的准确性和精密度。本研究开发的方法为单颗粒同位素比值分析提供了全新技术路径，有望在环境科学、地球化学、核取证等领域得到更广泛的应用。