劉倩：溯源技術讓環境健康研究如虎添翼

——訪中國科學院生態環境研究中心劉倩研究員

　　光譜技術已邁過百年歷史長河，中國的光譜分析技術亦可追溯到上個世紀50年代，今日中國的光譜技術已從國際上“跟跑”躍升到部分領域領跑的地位。在這背后，老中青科學家，克服了嚴峻的挑戰、付出了辛勤的汗水。伴隨著將在成都召開的第21屆全國分子光譜學學術會議，中國光學學會光譜專業委員會和分析測試百科網聯合舉辦了“七彩光譜 萬象更新”主題活動。活動將采訪業內的光譜界的一線工作者，探討光譜近年來的發展、最新技術與應用，展望光譜未來發展的新方向，希望對廣大光譜愛好與從業者有更多的啟發。中國科學院生態環境研究中心劉倩研究員為我們講述了自己最近的科研進展，探尋環境污染與人類健康之間因果關系。

中國科學院生態環境研究中心劉倩研究員

　　劉倩首先談到環境健康的概念和研究手段。環境科學發展的最終目標是提升人類的生存質量。首先是通過控制污染提升周圍環境的質量，其次是評價和控制各種可能影響健康的環境因素，旨在預防疾病和創造健康的環境。

　　在環境健康研究領域，劉倩主要關注的是污染物溯源技術，包括環境中和人體內的污染物來源解析。研究主要采用穩定同位素質譜技術，即利用多接收器電感耦合等離子體質譜（MC-ICP-MS）對特別元素的同位素組成進行指紋分析，從而甄別其來源。除此之外，研究過程也使用其它光譜技術等，比如對超細顆粒物的分析會用到NTA技術（納米顆粒追蹤分析），用光譜分析來追蹤顆粒物的布朗運動。此外還會用到電鏡、ICP光譜等技術；在做材料表征時用到紅外光譜、能譜等。劉倩表示：環境本身是一個復雜的體系，單一技術很難形成對其完整的表征，需要綜合使用多項技術。劉倩團隊在顆粒物溯源，尤其是超細顆粒物、納米材料、PM_2.5來源解析方面開展了大量研究工作，近期他們在人體血液循環里檢測到外源性的超細顆粒物的存在。劉倩表示：“綜合利用包括光譜和同位素質譜等多項技術，證明這些超細顆粒物的來源是大氣PM_2.5，這回答了一個長期沒有定論的問題。這是我覺得最近比較有意義的工作。”

二維硅指紋揭示了北京地區近年PM_2.5來源急劇變化的原因

　　大氣細顆粒物（PM_2.5）污染嚴重影響我國國民健康和社會發展。對PM_2.5的精準溯源是污染控制和健康風險消減的前提。但是，PM_2.5的來源及成因目前仍存在較大爭議，原因之一就在于現有的溯源技術手段不能滿足PM_2.5精準溯源的需求。

　　劉倩團隊采用ICP-MS和MC-ICP-MS同位素質譜技術對PM_2.5進行溯源分析。通過分析大量PM_2.5及污染源樣品的Si同位素組成，發現PM_2.5的不同一次源具有顯著不同的Si同位素指紋特征，證明了Si同位素指紋可以作為追溯PM_2.5一次源的指示物，并進一步揭示了燃煤源是北京春冬季霧霾加重的重要原因[1]。進一步的研究闡明PM_2.5二次生成過程中的硅稀釋效應（Si-dilution effect），從而證明PM_2.5的Si元素豐度可以作為PM_2.5二次源的一種惰性指示物，并通過該方法發現2013年北京地區重霧霾時二次氣溶膠貢獻可達到79.2% [2]。

　　在近期研究中，劉倩團隊將Si同位素和Si豐度結合起來，形成新穎的二維Si指紋技術，對2013年以來北京地區PM_2.5的一次源和二次源的年際變化趨勢進行了持續的跟蹤。研究發現，從2013到2017年間（即”大氣污染防治行動計劃”實施期間），PM_2.5的一次源和二次源貢獻都發生了急劇變化。富集輕Si同位素的一次源（即燃煤和工業源）的貢獻顯著下降，證明了污染控制政策對于燃煤和工業源的有效管控。同時，PM_2.5的年平均Si豐度從2013年的1.2%上升到2017年的4.6%，說明二次源污染比重顯著降低（從83%降到42%）。值得注意的是，在2015-2017年間，富集輕Si同位素的一次源（即燃煤和工業源）的貢獻占比有所輕微反彈，說明未來還需繼續加強對這些源的控制，同時需大力降低富集重Si同位素的一次源的排放（如機動車尾氣）。

圖1. 二維Si指紋同時示蹤PM_2.5一次源和二次源示意圖

　　這一研究一方面為未來制定更為有效的污染控制政策、進一步降低北京地區PM_2.5污染水平提供了科學數據，另一方面也為PM_2.5研究與控制提供了一種有效的新工具。

人體血液系統中外源性超細顆粒物的賦存

　　劉倩、江桂斌院士團隊近期首次在普通人群血液和胸腔積液中發現外源性超細顆粒物，為顆粒物的全局健康影響提供了重要科學證據[3]。大氣顆粒物污染與多種疾病密切相關。研究表明，粒徑越小的顆粒物越能夠深入人體，如PM_2.5能夠進入肺泡，而小于0.1 μm的顆粒物（即超細顆粒物）被認為可以穿透肺泡進入人體的血液循環系統，這已成為了細顆粒毒理學研究的基礎假設之一。但到目前為止，還未有過真實人體血液循環中檢測到大氣超細顆粒物的報道，這意味著這項基礎假設仍缺乏關鍵科學證據。通常認為，PM_2.5在人體中的真實存在及其定量描述仍處于一個“黑箱”狀態，PM_2.5的暴露研究也仍停留在實驗動物模擬階段。

　　這項研究利用高效富集凈化、高分辨電鏡、ICP-MS、NTA等多種技術，首次在普通人群的血液及胸腔積液樣本中提取到超細顆粒物。進一步的分析發現人血液中的顆粒物濃度極低，而胸腔積液中的顆粒物濃度遠高于血液，二者具有相關性。由此可以借助胸腔積液來研究被吸入人體的顆粒物的狀態。為了探明顆粒物的來源，這項工作發展了基于特征元素指紋、超高分辨結構指紋和穩定同位素指紋的多維化學指紋技術，結果證明人體中提取到的超細顆粒物主要為外源性的，特別是相當一部分來自于大氣燃燒源PM_2.5。這一結論成為PM_2.5進入人體循環系統并由此產生健康危害的直接證據，為解釋大氣顆粒物污染物的全局健康影響提供了重要數據。

圖2. 人胸腔積液中提取出來的超細顆粒物的高分辨結構指紋特征

追蹤城市大氣中危害人體健康的磁性納米顆粒

　　空氣中磁性Fe₃O₄納米顆粒的長期暴露與多種心血管疾病及神經退行性疾病具有潛在的關聯，如心肌損傷、阿爾茲海默病等疾病。空氣中的Fe₃O₄納米顆粒有可能穿透肺泡進入血液循環系統，或通過嗅覺神經通路進入大腦中。同時，Fe₃O₄納米顆粒是一種高毒性物質，可以在生物體內催化生成強氧化性和反應活性的羥基自由基(·OH)，對機體造成嚴重損傷。但是，目前仍缺乏可靠的Fe₃O₄納米顆粒分析方法，對大氣中Fe₃O₄納米顆粒的賦存狀況及其來源還不清楚。

　　劉倩團隊通過開發PM_2.5中磁性Fe₃O₄納米顆粒的特異性分離和提取方法，并利用ICP-MS、超高分辨電鏡、NTA等技術，對城市大氣中廣泛存在的Fe₃O₄納米顆粒進行了全面的分析表征，為研究空氣中Fe₃O₄納米顆粒這一高毒性組分的健康風險提供了重要科學數據和方法學支撐。Fe₃O₄納米顆粒具有以下特征使其成為一種特殊的空氣污染物：

　　(1)永磁性：Fe₃O₄的磁性和高吸附容量有可能增強大氣中其它鐵磁性或順磁性物質在人體內的共沉積以及促進體內累積；

　　(2)普遍性：在研究的所有天數中均能在大氣中檢出Fe3O4納米顆粒，且其交通來源應具有地區廣泛性。因此，大氣Fe₃O₄納米顆粒污染應具有時空普遍性；

　　(3)高毒性和生物可用性：Fe₃O₄對生物體具有高毒性，且其超細的粒徑能夠深入人體(該課題組近期也報道了在普通人群血液中廣泛檢出Fe₃O₄納米顆粒)。

　　(4)持久性：Fe₃O₄在大氣中具有較高的穩定性。考慮到其主要來自交通和燃煤源，Fe₃O₄納米顆粒極有可能會成為一個長期存在的空氣污染問題。

　　到目前為止，磁性顆粒物還未受到任何政策監管或納入空氣污染標準中。一些措施可能能夠有效降低這種污染物的排放和健康風險，如在機動車尾氣凈化系統和燃煤電廠的除塵系統中增加針對磁性納米顆粒的捕集單元、研發一些針對空氣磁性顆粒的個人防護裝備等。總之，這種新型的空氣污染物在未來的研究和政策制定中值得重點和優先關注。

環境與健康緊密結合

　　“我們現在做的很多工作都和健康結合，希望對疾病的病因進行溯源，特別是癌癥、阿爾茲海默癥、抑郁癥還有不良妊娠，這是技術上的延伸。”劉倩說道。

　　癌癥的發生一般認為有內因和外因。其中特別是環境污染，被公認為誘發癌癥發生的因素。但是病因從哪來，有多大貢獻，比如癌癥到底是由內因主導還是外因主導？風險因素有多大？當前實際上尚沒有定論，和醫學、生命研究的角度不同，從環境角度切入研究，可通過新的環境分析手段，觀測到新的現象、獲得新的數據，預期將有新的發現。

　　劉倩表示：團隊將繼續在疾病相關方面開展進一步研究，尤其關注環境污染因素誘導發生疾病過程的機制和監測。整個研究從大的外環境到體內的內環境，研究體系更加復雜。目前團隊已在針對一些常見腫瘤的研究方面有了一些新發現：通過利用光譜、質譜手段，找到新的標志物，可以指示病因的來源。希望能夠盡快有更多的進展，為面向人民健康的環境科學研究做出貢獻。

　　未來，劉倩希望利用光譜、質譜發現更可靠更具代表性的標志物，開發更加準確的溯源技術，能針對更多的污染物、能在更多的介質里、能更快速、更準確、更可靠指明它的來源。

不忘初心，牢記使命

　　面對國外的技術封鎖，劉倩認為形勢很嚴峻。科研人員需要有更多的使命感。劉倩認真地說：“不忘初心，牢記使命。我們必須真正做出一些原創性的工作，在基礎研究上有所突破，這樣才能不被人在關鍵技術上卡脖子。我們的目光要更長遠，要深層思考在應用層面上的實際問題的根源在哪里，要關注國家和社會發展的真正需求，要勇于做最重要、最前沿、最具挑戰性的工作。因為只有這樣，科研工作才會更有生命力。”

　　參考文獻：

　　【1】Natural Silicon Isotopic Signatures Reveal the Sources of Airborne Fine Particulate Matter, Dawei Lu, Qian Liu, Guibin Jiang et al. Environ. Sci. Technol.2018, 52, 1088-1095

　　【2】Unraveling the role of silicon in atmospheric aerosol secondary formation: a new conservative tracer for aerosol chemistry. Dawei Lu, Qian Liu, Guibin Jiang et al. Atmos. Chem. Phys.2019, 19, 2861-2870

　　【3】Chemical multi-fingerprinting of exogenous ultrafine particles in human serum and pleural effusion. Dawei Lu, Qian Liu, Guibin Jiang et al. Nat Commun. 2020 May 22；11(1):2567. doi: 10.1038/s41467-020-16427-x

　　【4】Xuezhi Yang, Dawei Lu, Jihua Tan, Xu Sun, Qinghua Zhang, Luyao Zhang, Yong Li, Weichao Wang, Qian Liu, Guibin Jiang, Two-Dimensional Silicon Fingerprints Reveal Dramatic Variations in the Sources of Particulate Matter in Beijing during 2013-2017. Environmental Science & Technology 2020, 54 (12), 7126-7135.

　　【5】Qinghua Zhang, Dawei Lu, Dingyi Wang, Xuezhi Yang, Peijie Zuo, Hang Yang, Qiang Fu, Qian Liu, Guibin Jiang, Separation and tracing of anthropogenic magnetite nanoparticles in the urban atmosphere. Environmental Science & Technology 2020, 54, 9274-9284.