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内容

供稿| 张立武
编辑 | Qian

霾污染一直广受公众和媒体的注意,2013年“雾霾”更成为年度关键词。其实,从全世界范围来说,雾霾是已经困扰了人们两个多世纪的全球性难题,可以说雾霾之痛,全球之痛。当下,人们已经意识到研究大气雾霾不仅要研究它的危害,还要最终落实到控制和预防,这就牵涉到雾霾的核心物质——大气气溶胶。“识别”大气中气溶胶颗粒物的形成机理、污染物组分成为当务之急。那么有哪些方法可以快速“识”雾霾呢?

HORIBA前沿用户报道 | 复旦巧用增强拉曼“识”雾霾

复旦大学环境科学与工程系张立武研究员课题组,利用表面增强技术结合拉曼光谱实现了对实验室模拟气溶胶和大气气溶胶成分的快速检测,相比传统拉曼技术,这种方法更灵敏、更快速,很好地克服了在拉曼研究大气颗粒物中增强效果差和稳定性差的难点,颇具潜力。

相关研究成果以《Surface Enhanced Raman Spectroscopy: a Facile and Rapid Method for the Chemical Components Study of Individual Atmospheric Aerosol》 为题发表在ACS的Environmental Science & Technology杂志。

HORIBA前沿用户报道 | 复旦巧用增强拉曼“识”雾霾-1

下面,让我们一起来看看复旦大学是如何巧用增强拉曼“识”雾霾的。

“倒金字塔”基底承载雾霾颗粒&增强拉曼信号



大气气溶胶中的颗粒物成分复杂,有些污染物含量低、毒性大,并且很少能够直接检测出来。例如用传统拉曼技术检测大气气溶胶,就具有峰强弱、重复性差等劣势。令人兴奋的是,复旦大学张立武研究员课题组巧妙地利用表面增强技术结合拉曼光谱突破了难点,实现了对实验室模拟气溶胶和大气气溶胶的快速检测。

研究人员利用“倒金字塔”型的表面增强基底Klarite,通过沉积法采集单颗粒气溶胶,如下图。因为其倒金字塔型的碗状结构非常适合承载~1 μm的单颗粒,因此拉曼增强因子平均可以达到6倍。

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表面增强拉曼检测雾霾颗粒示意图

从模拟大气检测到真实大气检测



探明“倒金字塔”状Klarite表面增强基底的拉曼增强效果后,研究人员分别对气溶胶在实验室模拟状态下、大气中实际状态进行了对比检测。与传统拉曼检测法相比,这项研究表明,表面增强拉曼表现出了出色的增强效应和稳定性。而在此次拉曼测试过程中,研究人员使用的是 XploRA Plus激光拉曼光谱仪,进行拉曼分析。接下来,我们就来分别看看两种条件下的测试结果。

首先,我们来看一下实验模拟状态下的结果。 张老师团队分别对模拟硫酸铵气溶胶以及含萘气溶胶进行拉曼检测,如下图。相比于使用金、银纳米溶胶,Klarite增强基底表现出增强因子高和重复性好的特点。这样,研究人员对利用表面增强拉曼技术检测大气中单颗粒气溶胶充满信心!

HORIBA前沿用户报道 | 复旦巧用增强拉曼“识”雾霾-3
实验室模拟的硫酸铵气溶胶
在不同基底上的增强效果

接下来,在真实大气气溶胶的研究中,研究人员分别采用了拉曼点扫描和拉曼面扫描。点扫描采用785 nm激光、600线每毫米的光栅和1024 × 256像素的CCD,得到3 cm-1的光谱分辨率。利用Mapping扫描时间快的特点(1 μm作为步径),研究人员快速地在采集到的颗粒物的面上识别化学组分,可以识别出如 1000~1700 cm-1的不定型碳、~1000 cm-1的NO3-和SO42-无机盐组分以及一些PAHs。

以上研究表明,表面增强拉曼有出色的增强效应和稳定性,对于研究雾霾以及相关问题具有十分重要的作用。

参考文献:Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 6260−6267

值得一提的是,张老师课题组积累了丰富的增强拉曼检测雾霾颗粒物的测试经验,不仅有拉曼光谱数据,还进行了拉曼光谱成像表征。

团队介绍

张立武课题组 博士/研究员 (青年千人)

理学博士,入选国家青年千人计划,上海市“东方学者”特聘教授。2009年毕业于清华大学化学系,同年获德国“洪堡学者”基金资助在汉诺威大学从事研究工作。于2012年获玛丽居里欧盟内研究基金资助前往剑桥大学卡文迪许实验室从事研究工作。主要研究兴趣为大气化学,CO2资源化利用及环境污染物的检测。2014年加入复旦大学环境科学与工程系。

实验室课题组主要研究方向

1. 大气光化学过程
2. 环境气固界面化学
3. 环境污染物检测及控制

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