滤膜直测拉曼光谱定量分析可吸入性结晶硅：分析挑战与实践考量

《Journal of Occupational and Environmental Hygiene》：Direct-on-filter Raman spectroscopy for quantifying respirable crystalline silica: Analytical challenges and practical considerations

　　

本研究评估了采用滤膜直测（DoF）方法利用拉曼光谱定量分析煤尘样品中可吸入性结晶硅（RCS）的可行性。主要挑战包括分析灵敏度、空间与化学非均匀性、荧光干扰及激光诱导加热效应。尽管拉曼光谱已被提议作为RCS测量的灵敏方法，但文献综述表明，当以单位沉积面积的RCS质量表示时，便携式拉曼光谱仪的定量限（LOQ）（0.21–3.25 μg/mm2）通常高于傅里叶变换红外光谱（FTIR）所报道的值（0.018–0.152 μg/mm2）。因此，由于面积负载不足，在常规37 mm直径滤膜上定量RCS具有挑战性。使用滤膜夹持器适配器将样品浓缩至9 mm直径的沉积区域，可使拉曼信号强度提高十倍以上，显著增强灵敏度。拉曼显微镜具有较小的积分面积，易受沉积物非均匀性影响，而具有较大激光束直径的便携式拉曼光谱仪可减轻该效应，但仍对化学异质性敏感。激光诱导加热与光降解可原位去除滤膜上的有机化合物，从而降低背景信号与荧光，改善RCS测量。这些发现为拉曼光谱在RCS定量中的可行性提供了见解，尤其是在煤尘等复杂样品基质中。

**论文解读：基于拉曼光谱的滤膜直测法定量分析可吸入性结晶硅——分析挑战与实践考量**

**一、研究背景与问题提出**

可吸入性结晶硅（RCS）的过量吸入被公认为严重的职业健康风险，尤其在采矿与建筑行业中。为降低健康风险，粉尘控制实践要求采集可吸入性粉尘样品于滤膜上并分析其RCS含量。传统RCS分析依赖离场实验室处理流程，包括滤膜灰化、粉尘再沉积以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）或X射线衍射（XRD）测量，该流程通常需要一周以上才能完成，延迟了RCS结果的获取，限制了及时暴露评估与粉尘控制干预的有效性。为缩短分析周转时间，美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）开发了基于便携式FTIR的现场滤膜直测（DoF）分析方法，以提供班末RCS测量。然而，FTIR仍受限于相对较低的灵敏度和光谱干扰，且用于背景校正的滤膜介质变异性可进一步升高定量限（LOQ），降低低RCS负载下的测量可靠性。

拉曼光谱作为DoF RCS定量的有前景替代方案，具有多项优于FTIR的特点：可区分不同RCS多晶型物（如α-石英、方石英和鳞石英）；有机碳（OC）和元素碳（EC）信号不会对RCS特征拉曼峰产生光谱干扰。已有研究报道基于拉曼的RCS检出限（LOD）和LOQ比FTIR低一个或多个数量级。然而，这些性能指标强烈依赖于颗粒沉积面积，使得跨研究直接比较变得困难；不一致的报告单位进一步复杂化了比较和实际工作场所监测应用的解释。此外，拉曼光谱的主要挑战还包括其有限探测面积导致的定量不确定性（源于颗粒沉积的空间非均匀性和化学异质性）、激光诱导荧光和局部加热效应（尤其对高有机物含量样品）。

**二、研究目标与主要方法**

本研究旨在系统评估便携式拉曼光谱在复杂环境样品（如煤矿粉尘和建筑相关粉尘）中进行DoF RCS测量的可靠性。具体研究目标包括：（1）通过文献综述比较拉曼与FTIR光谱对RCS定量的灵敏度，并引入一种3D打印适配器以减小沉积面积并提高分析灵敏度；（2）评估拉曼显微镜和便携式拉曼光谱仪对含RCS粉尘样品中空间和化学非均匀性的灵敏度；（3）探索利用受控激光诱导加热促进光降解、去除煤尘样品中有机组分，从而减轻荧光和背景散射并增强RCS定量的可行性。

研究采用了三种类型样品：替代RCS标准品（MIN-U-SIL5，标称质量中值直径1.6 μm，二氧化硅纯度>99.9%，结晶度88.7%）、RCS与黑煤9:1（质量比）混合物、以及RCS与褐煤1:1（质量比）混合物。黑煤和褐煤粉尘样品分别由宾夕法尼亚州东北部无烟煤矿和西弗吉尼亚州烟煤层的散装物料粉碎制备。粉尘样品在再悬浮室中气溶胶化，并使用煤矿粉尘个人采样器（CMDPSUs）采集于滤膜上。实验使用三种拉曼光谱仪：532 nm激发便携式i-Raman Plus（最大功率42 mW）、1064 nm激发便携式i-Raman EX（最大功率430 mW）以及532 nm激发台式LabRAM HR Evolution共聚焦拉曼显微镜（最大功率500 mW）。基线校正后，基于465 cm?1处峰高定量RCS信号强度。为评估空间均匀性，使用分辨率为2 μm的微米级载物台系统移动测量点至沉积物的径向位置。此外，研究开发了3D打印聚焦适配器，将沉积直径从33.6 mm减小至9 mm，以提高颗粒负载密度和拉曼探测面积内的信号强度。

**三、主要研究结果**

* **FTIR与拉曼光谱RCS检出限评估**：文献综述显示，当LOQ以单位面积质量（μg/mm2）归一化表达时，便携式拉曼光谱仪的LOQ（0.21–3.25 μg/mm2）比FTIR（0.018–0.152 μg/mm2）高约一个数量级，表明在可比采样条件下便携式拉曼系统的固有灵敏度较低。而以绝对质量（μg）表示时，采用高灵敏度拉曼显微镜的研究（Stacey等）报道的LOQ（0.003–0.011 μg/mm2）比FTIR低一个以上数量级。对于实际矿井粉尘采样，使用CMDPSU在8小时班次、工作场所浓度50 μg/m3条件下，37 mm滤膜上可收集约41 μg RCS，质量密度约0.046 μg/mm2，该负载水平可被多数FTIR系统和高灵敏度拉曼仪器定量，但便携式拉曼光谱仪无法定量，凸显了在未修改采样配置情况下便携式拉曼现场部署的关键限制。

* **通过减小沉积面积提高拉曼灵敏度**：3D打印聚焦适配器将沉积直径从33.6 mm减小至9 mm。在相同测量条件下，250 μg RCS沉积于9 mm直径圆盘的拉曼信号强度显著高于520 μg RCS沉积于33.6 mm直径圆盘（峰强度约14,000 a.u.对比1,300 a.u.），证明减小沉积面积可显著提高分析灵敏度。当工作场所RCS浓度处于MSHA硅尘规则行动水平（25 μg/m3）时，以2.5 L/min流量采集8小时至9 mm直径沉积物，RCS负载约为0.47 μg/mm2，约为本研究LOQ的两倍。

* **沉积物与化学非均匀性对RCS定量的影响**：拉曼显微镜测量中，当探测点以10 μm增量移动仅40 μm时，纯RCS沉积物的拉曼强度变化达三倍，表明局部强度变化超过沉积物尺度的空间趋势。而便携式拉曼光谱仪（激光束直径大一个数量级）在同一9 mm直径沉积物上测量的强度更为均匀，11个径向位置的变异系数（CoV）为1%–5%。在7个不同RCS负载的9 mm沉积物上，沉积物中心的拉曼强度与RCS质量呈线性相关（R2=0.99），表明单点中心测量足以对9 mm沉积物上的RCS进行定量分析。然而，对于含252 μg RCS和28 μg黑煤的9 mm直径沉积物（9:1质量比），整体CoV约15%，显著高于纯RCS样品，且观测强度低于基于纯RCS校准曲线预期的约8,000，可能归因于自吸收效应——煤同时吸收激发激光和拉曼散射光子，使强度-质量关系发生偏移。化学异质性和自吸收对煤尘等混合材料中RCS的定量拉曼分析构成重大挑战，建议对含煤样品进行灰化和小斑点再沉积预处理以提高空间和化学均匀性并增强灵敏度。

* **利用激光诱导加热减轻荧光和背景散射**：使用532 nm便携式拉曼光谱仪时，低阶褐煤产生强荧光信号，干扰RCS峰（465 cm?1）甚至使检测器饱和，而高阶黑煤产生的荧光低得多，允许更长的积分时间而不饱和。1064 nm激发波长测试未获成功：PVC滤膜在4.3 mW（1%功率）下迅速燃烧；RCS与褐煤1:1混合物沉积于银滤膜上时，由于煤燃烧可能移位RCS颗粒，未能检测到RCS信号。然而，使用532 nm拉曼显微镜对RCS与褐煤1:1混合物进行受控激光诱导加热实验显示，当激光功率从5 mW（1%）依次增加至500 mW（100%）时，在≥25%功率下RCS峰变得可辨识，在100%功率下煤的D带（约1,350 cm?1）和G带（约1,580 cm?1）信号显著降低，RCS峰清晰显现。重复测试表明，激光诱导加热可通过原位光降解和氧化去除煤有机物，降低荧光和背景干扰，从而增强混合材料样品中RCS信号的可检测性。

**四、讨论与结论**

本研究系统评估了拉曼光谱用于工作场所颗粒物样品中RCS定量分析的可行性与局限性。研究证实，通过减小沉积面积可显著提高便携式拉曼光谱仪的分析灵敏度，但需注意激光穿透深度限制（过厚颗粒层可导致信号低估实际RCS质量）、非均匀厚度分布（穹顶状轮廓取决于颗粒大小、化学组成和湿度）以及机械脆弱性（厚颗粒层在操作和运输中易开裂或脱落）等潜在副作用。拉曼显微镜具有优异灵敏度但易受空间和化学非均匀性影响，而便携式拉曼光谱仪的较大激光光斑对微尺度空间变异和子采样效应不敏感，在9 mm直径沉积物上100 μm范围内测量的CoV为1%–5%，且沉积物中心的拉曼强度与RCS质量呈线性相关，证明使用便携式拉曼光谱仪进行DoF测量的定量RCS分析具有可行性。真实世界工作场所颗粒物样品（如煤尘）的化学异质性仍是挑战，自吸收效应可能改变拉曼强度与RCS质量之间的校准关系。1064 nm激发波长因损坏滤膜和燃烧煤而不适用，但532 nm激发激光的受控温和加热可通过原位光降解和氧化去除煤有机物，提供传统预处理方法的替代方案。总体而言，便携式拉曼光谱在DoF定量工作场所颗粒物样品中的RCS显示出应用前景，未来研究应继续优化颗粒沉积策略、系统评估基质效应并进一步减少荧光和背景干扰，以提高分析稳健性和准确性。该研究成果发表于《Journal of Occupational and Environmental Hygiene》。