供稿 | 馮亦青

氣候系統(tǒng)中的黑碳進(jìn)程

圖片來源：Credit: American Geophysical Union 2013. Credit D. W. Fahey

黑碳?xì)馊苣z是大氣細(xì)顆粒物PM2.5的重要組成部分，對氣候變化和人體健康都具有較大危害，例如擾亂地球輻射平衡，引發(fā)氣候變暖，誘發(fā)呼吸系統(tǒng)、心血管疾病等。黑碳?xì)馊苣z的來源廣泛，如秸稈燃燒、火力發(fā)電、汽車尾氣等，所以準(zhǔn)確識(shí)別黑碳?xì)馊苣z來源能夠?yàn)榈貐^(qū)大氣治理措施的制定及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供有力的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)而有針對性地進(jìn)行環(huán)境治理工作。

不過，已有的黑碳?xì)馊苣z來源解析方法一方面需要大量數(shù)據(jù)支持，另一方面還需經(jīng)過復(fù)雜的樣品預(yù)處理，即便如此也只能識(shí)別出特定來源的黒碳?xì)馊苣z，不利于充分解析黑碳?xì)馊苣z來源。

近期復(fù)旦大學(xué)張立武教授課題組將拉曼光譜與多變量統(tǒng)計(jì)分析法相結(jié)合，構(gòu)建了一種新的大氣黑碳?xì)馊苣z來源解析方法，并成功分析了真實(shí)大氣樣品中黑碳?xì)馊苣z的來源。此研究以《The application of Raman spectroscopy combined with m*riable analysis on source apportionment of atmospheric black carbon aerosols》為題發(fā)表在《Science of the Total Environment》雜志。值得一提的是，這種新的研究思路，有望進(jìn)一步拓展拉曼光譜在環(huán)境、材料、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究過程

研究人員首先對來自玉米秸稈、煤、汽油、柴油燃燒產(chǎn)生的黑碳?xì)馊苣z分別進(jìn)行拉曼光譜檢測，可惜無論是兩峰分析法還是五峰分析法，得到的譜峰差異化都不夠明顯（參見下圖），無法區(qū)分黑碳?xì)馊苣z來源。

(a)玉米秸稈; (b)煤; (c)汽油; (d)柴油

的拉曼光譜兩峰及五峰分析結(jié)果

紅色曲線為兩峰結(jié)果；紅色曲線下五個(gè)譜峰為五峰分析結(jié)果

即便如此，研究人員并未輕言放棄。基于五峰分析法的結(jié)果，研究人員進(jìn)一步計(jì)算五條譜峰峰強(qiáng)比、半峰寬度比、峰面積比和出峰位置等17個(gè)譜峰參數(shù)，用以作為變量，利用統(tǒng)計(jì)分析方法建立判別分析模型，確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)樣品的判別方程。簡單的說，來自玉米秸稈、煤、汽油、柴油燃燒產(chǎn)生的黑碳?xì)馊苣z所對應(yīng)的判別方程各不相同，四種標(biāo)準(zhǔn)樣品分別對應(yīng)4個(gè)判別方程。

對于某一未知來源的黑碳氣溶膠，用拉曼光譜（五峰分析法）對其進(jìn)行檢測，計(jì)算出17個(gè)譜峰參數(shù)后將其分別代入4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的判別方程，假設(shè)來源于玉米秸稈的判別方程式計(jì)算出的數(shù)值大，即可認(rèn)為該黑碳?xì)馊苣z來源于玉米秸稈。

根據(jù)這一研究思路，研究人員采集了上海市區(qū)路口的真實(shí)大氣樣品，經(jīng)拉曼檢測并代入判別方程后發(fā)現(xiàn)該路口的黑碳?xì)馊苣z主要來自于汽車排放的汽油和柴油。

上海市區(qū)某路口不同時(shí)間黑碳?xì)馊苣z來源解析

藍(lán)色：生物質(zhì)；紅色：煤；綠色：汽油；黃色：柴油

該測試區(qū)域汽車尾氣排放（綠色）是黑碳?xì)馊苣z的主要來源

表征技術(shù)

實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用的是HORIBA XploRA™ PLUS顯微共焦拉曼光譜儀。小編有幸采訪到參與本次研究的馮博士，她介紹：顯微共聚焦拉曼光譜儀能夠地聚焦到待測顆粒上，獲得更好的測量效果。其中的分析系統(tǒng)LabSpec 6具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能（如Analysis等），也為后續(xù)分峰、數(shù)據(jù)解析和建模提供了可靠保障。

真實(shí)大氣樣品中黑碳?xì)馊苣z的Mapping圖、拉曼光譜

注：如果您對本報(bào)道的研究方法感興趣，希望聯(lián)系作者，或者想對本研究拉曼光譜測試方法一探究竟，歡迎點(diǎn)擊“閱讀原文”留言，我們的拉曼應(yīng)用專家將樂于為您提供解答服務(wù)。

復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系 張立武課題組

張立武教授，理學(xué)博士，入選國家青年千人計(jì)劃，上海市“東方學(xué)者”特聘教授。

2009年博士畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)系，同年獲德國“洪堡學(xué)者”在漢諾威大學(xué)從事研究工作。2012年獲歐盟瑪麗居里學(xué)者，在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室從事研究工作。主要研究興趣為大氣多相光化學(xué)，環(huán)境污染物資源化利用及檢測。2014年加入復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系。

課題組主要研究方向：

• 大氣化學(xué)過程

• 環(huán)境污染物降解及資源化

• 痕量環(huán)境污染物檢測

今日話題

PM_2.5，顧名思義，是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。它能較長時(shí)間懸浮于空氣中，且含量濃度越高，空氣污染越嚴(yán)重。

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