文\ 劉文治 博士1*, 廖偉呈 博士2, 王家麟 教授2
1國立中央大學環境監測技術聯合中心, 2國立中央大學化學系

空氣污染陳情事件數量在台灣居高不下，根據行政院環境保護署報告資料顯示，過去10年來全國公害陳情案件呈現逐漸上升趨勢[1]，以2017年為例，陳情事由中以「異味污染投訴」高達9.3(34%)最多，其次是噪音8.4萬件(30.3%)與廢棄物及環境衛生(28.3%)，顯見異味污染陳情事件為國人最難忍受項目。自2016年開始，異味污染物已躍居第一大陳情類別，顯示國內公害陳情案件中，異味陳情仍是目前最為迫切的污染議題，特別是來自於工業區的異臭味空污更是亟待解決。
異臭味空氣污染物主要來自於空氣中部份低嗅覺閥值之揮發性有機物(Volatile Organic Compounds, VOCs)，在環境中存在數個ppb(十億分之一)即可被人體嗅得，量測技術上需選用低偵測極限之分析儀器，目前常使用之方法為光學法之開徑式傅立葉轉換紅外光譜儀(Open-path Fourier Transform Infrared, OP-FTIR)[2]，與層析法之氣相層析質譜儀(Gas Chromatography, GC-MS)[3]，前者可快速定性未知污染物，達到即時監測與高值通報；後者以時間換取較低之污染物偵測極限，同時精準定性與定量，兩者均具備量測微量空氣污染物之優點。有鑒於於光學法和層析法在定性、定量、準確度、即時性與偵測範圍上仍各有優勢與劣勢，若能兼具兩者之優點且強化分析儀器之時間解析，又能達到定性、定量精準的本質，相信能夠提升環境鑑識能力。本文旨在介紹具有快速分析之直接進樣式質譜儀(Direct Injection Mass Spectrometry, DIMS)，成為分析VOCs的新利器。DIMS又稱快速質譜儀，特點在於(1)分析過程不涉及任何前處理與分離步驟，大幅縮短分析時間、(2)克服傳統質譜儀在真空介面的限制，能直接抽取大氣樣品即時分析、(3)軟性化學游離技術，依據VOCs 在熱力學上質子親和力差異進行選擇性游離，避掉大氣中常見二氧化碳、氮氣、氧氣的干擾。上述特點造就出具有低ppb level低偵測極限與快速偵測(數秒)的能力。
目前市售的DIMS產品中，以質子轉移反應質譜儀(Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry, PTR-MS)為相對成熟技術，現有PTR-MS可區分為兩種不同質量解析程度，分別為四極柱質譜儀(Quadruple Mass Spectrometry, QMS)與飛行時間質譜儀(Time of Flight Mass Spectrometry, TOFMS)，可各自發展獨立或聯用之量測搭配方法，強化現有國內空氣品質監測站、光化測站對於毒性或異臭味化學物質偵測能力的不足。實際周界監測中應用於突發性工業區空污事件，試圖掌握工業區常見之有機溶劑，包含醇、醛、酮、酯、醚、酸等具有極性、反應性、異味及毒性的含氧揮發性有機污染物(Oxygenated Volatile Organic Compounds, OVOCs)，此類物質的標準分析方法需經由繁瑣地採樣、前處理與層析分離過程，無法即時取得污染狀況，因此透過PTR-MS高即時性的觀測，可作為往後工業區空污事件之預警與診斷工具。
PTR-MS是目前大氣分析設備中兼具快速與微量偵測兩項優勢的質譜設備，尤其大氣中具有極性、生命期短的化學物質如醛酮類等含氧VOC等，在大氣分析中具有優勢基礎。快速質譜環境應用大致可分為四個方向：(1)區域大氣化學研究、(2)都市空氣品質研究、(3)分析儀器比對與驗證、(4)提升環境鑑識技術能量(如移動量測實驗室)，以下將就應用內容介紹：

1. 區域性大氣化學研究：探討特定地區之大氣背景化學組成與變化，包含VOC流佈分析、境內、外傳輸之行為、源的特徵性(如生質燃燒、生物源、交通源)[4-10]或VOC通量研究[11-12]，上述研究常以結合統計或模式技術方法協助資料分析。觀測成分包含甲醇、乙醇、甲醛、乙醛、丙酮等人為或二次的污染物；植物排放之BVOCs如異戊二烯、萜烯(Terpenes)等；生質燃燒產生之乙腈、海洋釋放之二甲基硫(Dimethyl sulfide, DMS)；人為排放如苯、甲苯、二甲苯等。
2. 都市環境之空氣品質：探討空氣中二次臭氧與異臭味污染問題，例如墨西哥臭氧問題，其中Mexico City Metropolitan Area(MCMA)計畫專注於改善都市長年空氣品質不佳的問題，研究中採用QMS監控環境中甲醇、乙腈、丙酮、丁酮、異戊二烯、苯、乙酸乙酯、甲苯、苯乙烯、C2-苯、C3-苯等三十八種化學物質，作為污染物管制策略建立之參考依據[13-15]。東京為日本最大都市中心，因人口車用比例高，交通源成為東京市空氣品質主要問題，尤其夏季時節光化反應產生的二次產物亦影響鄰近城市，因此將QMS架設於東京郊區處，針對異戊二烯、萜烯、甲醛、乙醛、丙酮、乙腈、苯、甲苯、C2-苯、C3-苯等進行連續觀測，探討空氣污染議題[16]。
3. 分析儀器比對與驗證：以大氣分析常用技術進行驗證，如線上氣相層析質譜儀、氣相層析火焰離子偵測儀、光學方法差光吸收光譜儀(Differential Optical Absorption Spectroscopy, DOAS)與近年開發成熟的飛行時間質譜儀(TOFMS)。
4. 提升環境鑑識技術能量：高時間解析的優勢開啟質譜技術能在移動平台量測空污；2000年QMS首次搭載於航空器，於南美洲蘇里南熱帶雨林地區進行三維監測，量測異戊二烯、丁烯酮(Methyl Vinyl Ketone, MVK)、甲基丙烯醛(Methyacrolein, MACR)屬於植物排放之化學物質與其他二次產物，並估算其排放量[17-18]；芬蘭與德國團隊於印度洋監測計畫(INDOEX)將QMS設置Cessna與C-130航空器量測海洋表面之丙酮、乙腈等成分，探討污染氣團傳輸與鑑定排放源[19-20]；美國團隊於德州空氣品質研究計畫(TexAQS)以L-188C飛機監測美國休士頓甲醛濃度，探討其來源、地表臭氧產生貢獻度與排放量驗證[21]。

本團隊已協助我國環境保護署環境檢驗所(以下簡稱環檢所)建立一系列快速質譜量測技術，並協助建立移動實驗室檢測方法，提升國內環境鑑識技術能量，未來若發生異味污染事件時希冀能夠僅快協助找出污染物質。