样品更少，红外还能测什么？EMILIE拓展气溶胶分析新路径

在西安举办的第12届国际气溶胶大会（IAC 2026）期间，布鲁克展台上，一套连接在傅里叶变换红外光谱仪上的纳米机电系统格外特别——Invisible-Light Labs开发的 EMILIE NEMS-FTIR。

它瞄准的是气溶胶研究中的一个难题：对于超细颗粒和低浓度环境样品、短时间内能收集到的总样品质量很低时，如何仍然获得可靠的官能团和化学组成信息？

围绕这一问题，仪器信息网专访了Invisible-Light Labs联合创始人兼首席产品官 Dr. Niklas Luhmann，并与布鲁克光谱事业部应用工程师赵腾飞、TOFWERK mipTOF/icpTOF产品经理 Dr. Martin Tanner展开交流。

三种技术虽然原理不同，却共同指向一个趋势：气溶胶分析正在从“有多少”，进一步走向“是什么、何时变化、如何形成、来自哪里”。

超细颗粒红外分析面临样品量不足的难题

FT-IR通过分子振动特征识别有机物和部分无机组分，是成熟的化学指纹工具。但对于超细颗粒，困难往往不在“有没有红外吸收”，而在于短时间内能收集到的总样品质量太低。

传统气溶胶FT-IR通常先将颗粒采集到PTFE等滤膜上。样品量不足时，需要较长时间积累，最终得到的往往是数小时甚至更长时间尺度上的平均组成。这对于常规PM2.5分析未必是问题，但对新粒子形成、交通排放、燃烧、颗粒增长和老化等快速过程而言，短时变化很容易被长时间平均“抹平”。

另一方面，传统FT-IR依赖红外透射或反射信号变化。样品量越低，吸收越弱，也越容易受到探测器噪声、颗粒散射和基底背景影响。

NEMS-FTIR要改变的，正是这条信号链。

将红外吸收转化为可测的热效应

在NEMS-FTIR中，样品吸收红外后产生微弱热效应，进而改变纳米机械谐振器的共振频率。系统最终读取的是可以被高精度测量的机械频率变化。

Niklas在采访中概括为：“我们测量的不是光，而是热。样品本身既是检测器的一部分。”这使NEMS对极低样品质量具有很高灵敏度。据Niklas提供的实验验证数据，EMILIE对纳米塑料的质量检出限处于百皮克级；对空气气溶胶中已研究的典型有机官能团，质量检出限为1.3–5.4 ng。不同样品和目标吸收带需要分别讨论，不能把单一数值作为所有应用的统一指标。

EMILIE在不同样品中的实验验证数据

数据由Invisible-Light Labs提供。上述数值对应特定样品、目标信号和实验条件；检出限不等同于可靠定量或获取完整谱图所需的统一样品量。1 ng = 1000 pg。

对颗粒分析而言，光热检测还有另一项优势：它读取的是样品吸收红外后产生的热效应，对颗粒散射不像传统光学检测那样敏感。EMILIE的检测原理本身不以粒径作为限定条件，关键在于积累足够的目标物质量并形成可测的吸收信号。气溶胶应用中提到的约10 nm下限，主要来自空气颗粒的撞击采集过程，并非仪器的固有检测下限。对于更小的颗粒，也可通过液体滴涂等方式累积样品后测量。

这意味着，NEMS-FTIR打开的是一类过去很难用常规红外有效分析的样品：样品极少、颗粒极小，但又需要获得整体红外指纹和官能团信息。

从原理样机走向实验室分析工具

这也是采访中笔者最想追问Niklas的问题。

NEMS不是新技术，FT-IR更不是。真正困难的，不只是证明一个纳米机械谐振器能够感知红外吸收，而是把它变成普通光谱用户能够稳定使用的分析工具。早期NEMS实验往往依赖复杂的芯片连接、外部电子学和人工调谐。这样的系统可以验证原理，却很难成为日常分析仪器。

Invisible-Light Labs所做的，是把这些“纳米机械实验”逐步隐藏到系统内部：电子学小型化、自动共振频率跟踪、更便捷的芯片安装，以及与现有FTIR系统的软硬件集成。

布鲁克INVENIO和VERTEX平台的相应外部检测接口及step-scan配置，为NEMS信号接入FTIR提供了基础；EMILIE的控制流程进一步与OPUS软件衔接，使用户尽可能沿用原有光谱操作逻辑。

这也是从原理样机走向商业仪器的关键：性能决定技术能不能成立；重复性、自动化和软件集成，决定它能不能真正进入实验室。

EMILIE最终没有重新开发一整套FTIR主机，而是以“布鲁克FTIR主机 + NEMS附件”的方式进入市场。对已有INVENIO、VERTEX等研究型FTIR平台的用户而言，在确认主机配置及接口兼容性的前提下，这种路径也降低了采用新技术的门槛。

更短采样时间带来过程研究的新机会

在采样流量、捕集效率和目标组分占比等条件相当时，所需样品量下降，意味着达到分析要求所需的采样时间有望缩短。

Luhmann向仪器信息网介绍，在北京的一次现场测试中，团队采集的是PM₂.₅粒径段；在当时的颗粒浓度下，约2.5分钟采样时间即满足后续红外分析对样品量的要求。在北极等低浓度环境的相关研究中，传统方法通常需要数天时间积累样品，EMILIE可将这一采样过程缩短至小时量级。

2.5分钟仅指这一PM2.5案例的采样阶段，后续仍需光谱测量；不同粒径段和浓度条件下的采样时间需要分别评估。它说明，在合适的浓度和采样条件下，红外分析有机会从长时间平均走向事件尺度和过程尺度。研究者由此可以追问过去很难回答的问题：

颗粒形成和增长过程中，官能团如何变化？

几分钟到几十分钟内，组成如何变化？

前体物升高后，颗粒化学组成发生了什么变化？

这正是超细颗粒、新粒子形成和大气老化研究越来越关注的方向。

据Niklas介绍，团队开发了用于EMILIE芯片的采样适配器，其设计可兼容Brechtel公司的FILT自动采样器。多通道自动采样由FILT提供。若与DMA、AAC等粒径分级装置配合，并结合SMPS粒径谱数据，则有机会进一步获得不同时间、不同粒径范围的化学组成“切片”。

因此，NEMS-FTIR的价值正在从超微量检测延伸到动态气溶胶化学研究。颗粒可直接收集在NEMS芯片上，随后将芯片放入EMILIE进行光谱测量，减少了将样品从滤膜转移到其他载体的步骤。

在这类应用中，EMILIE采用先采样、后读取芯片光谱的流程；结合第三方自动采样器，可组织按时间分段的采样。对于气溶胶，Surdu等已发表研究对采集效率随粒径的变化进行了表征，并开展了典型有机官能团的定量分析。向其他应用领域拓展时，方法开发的重点更集中在复杂基质下的样品制备，例如环境水样中的纳米塑料、海盐样品，以及含缓冲盐的蛋白质溶液，需要根据基质优化分离、富集及背景处理。

AFM-IR与NEMS-FTIR提供互补的分析信息

当一项红外技术能够分析纳米颗粒和极低质量的样品时，也很容易被归入“纳米红外”。

但NEMS-FTIR与AFM-IR的主要任务不同。AFM-IR首先是一种纳米尺度化学成像工具，能够把局部红外光谱与空间位置、形貌对应起来；NEMS-FTIR则侧重极低样品量下的整体红外指纹和官能团分析。

AFM-IR帮助研究者理解化学组成在颗粒或材料内部如何分布；NEMS-FTIR帮助研究者在样品量很少时获得可用的整体光谱。

两者因此更像互补，而非替代。

对于复杂颗粒样品，两类结果可以相互补充：NEMS-FTIR用于表征所收集样品的整体官能团特征，AFM-IR用于观察具体颗粒或局部区域的化学分布。具体联用流程仍需匹配各自的制样和测量条件。

这也说明了NEMS-FTIR在布鲁克红外技术体系中的补充价值：在AFM-IR关注的局部化学成像之外，它拓展了极低样品量下的整体红外指纹分析能力。

Invisible-Light Labs联合创始人兼首席产品官 Dr. Niklas Luhmann（左）仪器信息网化学分析编辑部主编万鑫（右）

结合气相与元素信息理解气溶胶过程

如果说NEMS-FTIR提供的是颗粒的官能团与化学组成线索，那么进一步理解一次气溶胶过程，还需要结合气态前体物、粒径分布和元素信息。

布鲁克此次展示的MIRO MGA多组分气体分析仪，补充的是气相信息。MGA采用量子级联激光吸收光谱，可单台设备同步测量多种温室气体和关键污染气体，最高数据输出频率可达10 Hz。根据气体通道与测量配置，研究者可以把NO、NO₂、SO₂、NH₃、HONO等气态组分以及温室气体放到同一时间轴上观察，用于车载走航、机载观测、通量测量和污染过程研究等。

当颗粒组成发生变化时，研究者可以同步观察相关气态前体物是否也在变化，从而把“颗粒发生了什么”与“气体端发生了什么”联系起来。

TOFWERK的 mipTOF 系统则补充了元素维度。

mipTOF采用微波等离子体离子源与飞行时间质谱结合，更强调现场部署、实时多元素和单颗粒分析。它的价值在于把过去往往依赖滤膜采样、再送回实验室分析的元素信息，进一步带到现场时间轴上。

对于交通磨损、工业排放、燃烧、沙尘等过程，颗粒中的元素组成具有重要来源指纹意义。mipTOF因此更适合回答：“这批颗粒可能从哪里来？”

把三项技术放在一起看：

MGA看温室气体和气态前体物；

NEMS-FTIR看颗粒官能团和整体红外指纹；

mipTOF看元素组成和来源指纹。

它们共同指向一个更清晰的趋势：气溶胶研究正在从单一浓度或平均组成测量，走向更低样品量、更高时间分辨率和多维信息协同。

而NEMS-FTIR最值得关注的意义，也正在这里——它降低了获取颗粒红外指纹所需的样品量，让研究者有机会以更短的采样间隔观察官能团与化学组成变化，并与气相、粒径和元素信息相互印证。

最终，大气分析所回答的问题也在从：

“空气里有多少颗粒？”

走向：

“这些颗粒有哪些化学特征、何时形成、如何变化、又可能来自哪里？”

布鲁克光谱应用工程师赵腾飞（右），布鲁克市场部经理张月（左）

TOFWERK mipTOF/icpTOF产品经理 Dr. Martin Tanner（左） 仪器信息网化学分析编辑部主编万鑫（右）