作者：陳慶彩

通訊作者：章炎麟

通訊單位：陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、南京信息工程大學(xué)耶魯大學(xué)-南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心

doi: 10.1029/2019JD031149

近日，陜西科技大學(xué)陳慶彩研究團隊與南京信息工程大學(xué)章炎麟研究團隊聯(lián)合研究并在Journal of Geophysical Research-Atmospheres上發(fā)表了題為“Size-resolved characterization of the chromophores in atmospheric particulate matter from a typical coal-burning city in China”的研究論文，報道了大氣顆粒物中發(fā)色團的粒徑分布特征。研究人員利用激發(fā)發(fā)射矩陣（EEM）光譜和平行因子（PARAFAC）分析了大氣顆粒物中水溶性和水不溶性發(fā)色團的光學(xué)性質(zhì)，描述了大氣顆粒物中發(fā)色團種類和含量的粒徑分布特征，增加了對氣溶膠中發(fā)色團物質(zhì)理化特征及其來源的認知。

研究分析了山西臨汾地區(qū)2017年夏、冬季不同粒徑的氣溶膠顆粒中發(fā)色團的吸光特征（UV-Vis光譜）以及熒光特征（EEM光譜）分別與顆粒物粒徑之間的關(guān)系。不同粒徑顆粒物的萃取液的總吸光度（Abs）和熒光體積(FV)隨顆粒物粒徑增大而減小，表明小粒徑顆粒物對光吸收和光化學(xué)反應(yīng)具有更大貢獻。同時，相較于水溶性發(fā)色團，水不溶性發(fā)色團的總吸光度（Abs）和熒光體積(FV)達到了水溶性發(fā)色團的2-8倍。

棕色碳（BrC）是氣溶膠中具有吸收可見光能力的典型有機物質(zhì)，其對地球溫室效應(yīng)具有潛在貢獻，同時對光化學(xué)反應(yīng)具有潛在的驅(qū)動效應(yīng)。因此，了解這些發(fā)色團的來源和形成機制，并定量評估它們對地球大氣中輻射強迫和大氣中非均勻化學(xué)反應(yīng)的影響，是表征這些發(fā)色團物理化學(xué)特征的必要條件。

已經(jīng)有研究指出了不同粒徑的發(fā)色團物質(zhì)的來源與吸光特性的差異，然而目前并未有通過EEM方法研究不同粒徑大氣顆粒中發(fā)色團的光學(xué)特性。

本研究研究了大氣顆粒物中水溶性和水不溶性發(fā)色團的粒徑分布特征，比較了冬夏樣品的光學(xué)性質(zhì)（光吸收和熒光）的差異，同時探討了光吸收與熒光性質(zhì)的關(guān)系，以及光學(xué)性質(zhì)與多環(huán)芳烴、有機碳和EC的相關(guān)性。

通過不同性的溶劑萃取，獲得不同粒徑顆粒物的波長依賴指數(shù)（MAE₃₆₅）、標準熒光體積（NFV）等變化趨勢。

Figure 1.Particle size and seasonal distributions of mass absorption efficiency at 365 nm (MAE₃₆₅) and the NFV for WSM (a, c, e) and MSM (b, d, f). Panels (e) and (f) represents the average value of MAE and NFV in summer and winter respectively for WSM and MSM extracts.

研究發(fā)現(xiàn)，夏季以及冬季的顆粒物中，水溶性以及水不溶性發(fā)色團的波長依賴指數(shù)（MAE₃₆₅）、標準熒光體積（NFV）與粒徑的關(guān)系特征均表現(xiàn)出相同趨勢，即波長依賴指數(shù)（MAE₃₆₅）以及標準熒光體積（NFV）均隨粒徑增大而減小。

由于多環(huán)芳烴可能是水不溶性組分中重要的光吸收和熒光物質(zhì)，因此，本研究定量了7種多環(huán)芳烴對水不溶性組分的光吸收貢獻。

Figure 2. The average UV−visible absorbance spectra of MSM and the calculated UV−visible absorbance spectra of the selected PAHs (a and b), and the relative contributions of the selected PAHs to the total light absorption by MSM (c and d).

結(jié)果表明，在280-550 nm范圍內(nèi)，多環(huán)芳烴對光吸收的貢獻不超過7%，說明水不溶性發(fā)色團的成分復(fù)雜，在UV-Vis波段，多環(huán)芳烴并不是對光吸收的主要貢獻物質(zhì)。同時，在430 nm處，多環(huán)芳烴對光吸收貢獻大，該物質(zhì)可能是苯并芘。

通過PARAFAC模型得到了5種發(fā)色團的三維熒光光譜截面圖。

Figure 3. The PARAFAC model-resolved EEM components (C1, C2, C3, C4 and C5) for all of the aerosol extracts (n = 396) with the solvents water and methanol and extracted from different particle size samples.

對獲得的三維熒光光譜圖通過平行因子矩陣分析（PARAFAC）得到5種不同發(fā)色團圖譜，推測C1-C5發(fā)色團依次可能為HULIS-1物質(zhì)、類色氨酸物質(zhì)、HULIS-2物質(zhì)、類絡(luò)氨酸物質(zhì)以及其它類氨基酸組分。

同時，研究了不同季節(jié)、不同粒徑以及不同性溶劑萃取的條件下，不同發(fā)色團組分的相對貢獻。

Figure 4. Size-resolved distributions of the EEM components for winter samples (a and e) and summer samples (b and f) of WSM and for winter samples (c and g) and summer samples (d and h) of MSM.

HULIS-1和類氨基酸組分在所有樣品中占比高，相對含量分別為38%和31%。類酪氨酸組分占比低，平均含量僅4%；并且發(fā)色團含量特征隨季節(jié)變化顯著。

該工作重點揭示了大氣顆粒物中發(fā)色團的粒徑分布特征，解釋了小粒徑顆粒物往往伴隨更大的光吸收和光化學(xué)反應(yīng)性貢獻。這項工作從粒徑分布角度闡述了氣溶膠中的發(fā)色團特征，建議在未來的大氣模型中，發(fā)色團的粒徑分布以及性特征是光吸收以及光化學(xué)反應(yīng)的重要考慮因素。

>>>> HORIBA Optical School

HORIBA一直致力于為用戶普及光譜基礎(chǔ)知識，旗下的JobinYvon更有著200年的光學(xué)、光譜經(jīng)驗，HORIBA非常樂意與大家分享這些經(jīng)驗，為此特創(chuàng)立Optical School（光譜學(xué)院）。無論是剛接觸光譜的學(xué)生，還是希望有所建樹的研究者，都能在這里找到適合的資料及課程。 

HORIBA希望通過這種分享方式，使您對光學(xué)及光譜技術(shù)有更系統(tǒng)、全面的了解，不斷提高儀器使用水平，解決應(yīng)用中的問題，進而提升科研水平，更好地探索未知世界。