气溶胶光学镊子可增进对空气中颗粒物的了解

 
卡内基·梅隆大学大气粒子研究中心的教师进行的两项研究表明，气溶胶光学镊子可以使科学家以新的精确度仔细检查大气的成分。
“这实际上是第一次，这是我们第一次直接探查并了解粒子在大气中如何演化，”化学和机械工程副教授赖安·沙利文(Ryan Sullivan)说，他是北美第一位利用这种化学物质的科学家。镊子技术研究悬浮在空气中的气溶胶颗粒。
光学镊子利用光施加的小力来捕获并轻轻地操纵小颗粒或小滴。亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin)凭借这项技术获得了2018年诺贝尔物理学奖。在气溶胶光镊(AOT)中，单个粒子在激光束中缓慢悬浮或“扭曲”，同时使用相同的激光收集粒子的拉曼振动光谱。
“使用其他技术，您可以得到粒子的静态快照，” Sullivan解释说。但是，借助AOT，研究人员可以观察同一粒子数小时，以响应不同的刺激而变化，这是观察它们在真实大气中的行为的更现实的方法。
沙利文说：“颗粒平均在大气中漂浮至少一周。” “它们是如此动态-它们的成分和其他属性正在不断发展。”
这种演变不仅会导致从地球排放到大气中的粒子发生变化，而且还会导致正在形成的全新粒子发生变化。次级有机气溶胶(SOA)是由大气中的有机分子氧化直接形成的分子，例如树木，车辆和消费品所排放的分子。这些颗粒是大气的重要组成部分，但变化很大，可能对污染，空气质量，云层和气候以及人类健康产生影响。
在2017年发表在《环境科学与技术》杂志上的一项研究中，沙利文的实验室首次使用AOT捕获并分析了次级有机气溶胶。他得到了化学和化学工程教授尼尔·多纳休(Neil Donahue)以及麦吉尔大学的博士后研究员凯尔·戈尔科夫斯基(Kyle Gorkowski)的协助，他曾在该大学攻读博士学位。在沙利文和多纳休的领导下。
信贷：卡内基梅隆大学“这是非常复杂的材料，”沙利文在与SOA合作时说道，它们是由臭氧与有机蒸汽α-pine烯(一种由树木释放的萜烯分子)反应直接在AOT室中产生的。 “结果是，您将获得数十种或数百种不同的化学产品，这就像是带有各种分支的失控链反应。”这种SOA是大气颗粒物的主要成分，而AOT方法提供了一种直接研究其性质和化学性质的独特方法。
沙利文和他的合作者利用他们的SOA微粒，于次年在《环境科学：过程与影响》杂志上发表了一项研究，报告了他们的新方法，可根据收集的拉曼光谱分析分离为两个独立化学相的微粒的性质和形态。从AOT。在大多数情况下，SOA在另一个核心相周围形成了一个独立的壳相，他们的新分析使他们能够确定两个相的性质，因为它们通过持续的化学反应而发生变化。
该结果首次直接证实了研究人员对SOA液滴的怀疑-它们会在大气中“相分离”，形成被氧化的次级有机物质壳包围的水性或疏水性有机物质的核。
Sullivan指出，了解SOA的确切形态非常重要，因为颗粒表面的物质可以决定其与大气中其他气体，水蒸气和光的反应有多容易。例如，大气中许多重要的痕量气体与水相的反应要比与有机物质的反应快得多。
沙利文解释说：“如果我是一个真正想与水反应的分子，并且必须在这个有机壳中挖洞和扩散，那么我可能无法及时到达想要与之反应的水相。”这些有机壳因此可以关闭重要的气体颗粒反应。
在《化学》杂志上发表的一项新研究中，沙利文，多纳休和戈尔科夫斯基重新研究了该团队2018年工作背后的实验，这些实验显示了SOA在不同条件下的相分离。
沙利文说：“我们想看看我们得出的结论是，当周围的水蒸气较少时，在较高的相对湿度下将次级有机气溶胶的相分离和形态定为较低的相对湿度。” “而且他们有。”
计算机渲染图显示了获得诺贝尔奖的技术，该技术使CMU研究人员能够检查激光束中的水蒸气。图片来源：卡内基·梅隆大学此外，该研究汇总了先前研究的结果和观察结果，以建立一个预测公式，用于预测在不同条件下不同有机材料被氧化时何时发生相分离，以及所形成的复杂相分离颗粒的形态包括SOA在内。沙利文认为，这种新见解可以纳入当前的化学模型中，以预测全球范围内大气颗粒的行为和演变。
在另一项新研究中，北达科他大学机械工程学助理教授，卡内基·梅隆大学前博士后研究员沙利文，戈尔科夫斯基和哈莉·博耶研究人员开发了一种技术，该技术可以精确地测量微滴的pH值以确定其酸度。该研究发表在《分析化学》杂志上。
沙利文说：“液滴的pH值在粒子的大气化学中是一个悬而未决的问题，因为酸度对于所有化学行为而言都是如此关键的特性。”该性质不仅可以影响不同粒子之间如何发生反应以及是否发生反应，还可以确定粒子是否最终变得相分离。
Sullivan指出，虽然在正常情况下确定pH值并非易事，但直接从悬浮的微微升气溶胶颗粒中测量pH值已挑战了大气化学界。特别是，大气颗粒中离子的高浓度导致离子彼此之间的相互作用比大多数物质中的相互作用要多，从而产生可显着改变液滴酸度的“非理想”化学相互作用。
通过结合从粒子的拉曼振动光谱中唯一确定的两条不同信息，该团队能够开发出一种技术来克服这些挑战，并直接高精度地测量每个液滴的pH。此外，他们能够跟踪液滴的pH值变化。在即将开展的工作中，他们还证明了能够独立观察相分离颗粒的核和壳的pH随时间变化的能力。
有了所有这些工具，Sullivan期望通过使用该技术以现实的方式研究地球大气中各种微粒和化学相互作用的技术，来开展所有这些气溶胶光学镊子工作。
沙利文说：“光镊使我们第一次可以直接探测大气粒子所有这些关键特性的动态演变，以及随着每个粒子继续进化，它们如何相互反馈。”