JGR-Atmospheres: 中国典型燃煤城市的大气颗粒物中发色团的粒径分布特征

作者：陈庆彩

通讯作者：章炎麟

通讯单位：陕西科技大学环境科学与工程学院、南京信息工程大学耶鲁大学-南京信息工程大学大气环境中心

doi: 10.1029/2019JD031149

近日，陕西科技大学陈庆彩研究团队与南京信息工程大学章炎麟研究团队联合研究并在Journal of Geophysical Research-Atmospheres上发表了题为“Size-resolved characterization of the chromophores in atmospheric particulate matter from a typical coal-burning city in China”的研究论文，报道了大气颗粒物中发色团的粒径分布特征。研究人员利用激发发射矩阵（EEM）光谱和平行因子（PARAFAC）分析了大气颗粒物中水溶性和水不溶性发色团的光学性质，首次描述了大气颗粒物中发色团种类和含量的粒径分布特征，增加了对气溶胶中发色团物质理化特征及其来源的认知。

研究分析了山西临汾地区2017年夏、冬季不同粒径的气溶胶颗粒中发色团的吸光特征（UV-Vis光谱）以及荧光特征（EEM光谱）分别与颗粒物粒径之间的关系。不同粒径颗粒物的萃取液的总吸光度（Abs）和荧光体积(FV)随颗粒物粒径增大而减小，表明小粒径颗粒物对光吸收和光化学反应具有更大贡献。同时，相较于水溶性发色团，水不溶性发色团的总吸光度（Abs）和荧光体积(FV)达到了水溶性发色团的2-8倍。

棕色碳（BrC）是气溶胶中具有吸收可见光能力的典型有机物质，其对地球温室效应具有潜在贡献，同时对光化学反应具有潜在的驱动效应。因此，了解这些发色团的来源和形成机制，并定量评估它们对地球大气中辐射强迫和大气中非均匀化学反应的影响，是表征这些发色团物理化学特征的必要条件。

已经有研究指出了不同粒径的发色团物质的来源与吸光特性的差异，然而目前并未有通过EEM方法研究不同粒径大气颗粒中发色团的光学特性。

本研究研究了大气颗粒物中水溶性和水不溶性发色团的粒径分布特征，比较了冬夏样品的光学性质（光吸收和荧光）的差异，同时探讨了光吸收与荧光性质的关系，以及光学性质与多环芳烃、有机碳和EC的相关性。

通过不同极性的溶剂萃取，获得不同粒径颗粒物的波长依赖指数（MAE₃₆₅）、标准荧光体积（NFV）等变化趋势。

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.

研究发现，夏季以及冬季的颗粒物中，水溶性以及水不溶性发色团的波长依赖指数（MAE₃₆₅）、标准荧光体积（NFV）与粒径的关系特征均表现出相同趋势，即波长依赖指数（MAE₃₆₅）以及标准荧光体积（NFV）均随粒径增大而减小。

由于多环芳烃可能是水不溶性组分中重要的光吸收和荧光物质，因此，本研究定量了7种多环芳烃对水不溶性组分的光吸收贡献。

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).

结果表明，在280-550 nm范围内，多环芳烃对光吸收的贡献不超过7%，说明水不溶性发色团的成分复杂，在UV-Vis波段，多环芳烃并不是对光吸收的主要贡献物质。同时，在430 nm处，多环芳烃对光吸收贡献大，该物质可能是苯并芘。

通过PARAFAC模型得到了5种发色团的三维荧光光谱截面图。

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.

对获得的三维荧光光谱图通过平行因子矩阵分析（PARAFAC）得到5种不同发色团图谱，推测C1-C5发色团依次可能为HULIS-1物质、类色氨酸物质、HULIS-2物质、类络氨酸物质以及其它类氨基酸组分。

同时，研究了不同季节、不同粒径以及不同极性溶剂萃取的条件下，不同发色团组分的相对贡献。

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和类氨基酸组分在所有样品中占比高，相对含量分别为38%和31%。类酪氨酸组分占比低，平均含量仅4%；并且发色团含量特征随季节变化显著。

该工作重点揭示了大气颗粒物中发色团的粒径分布特征，解释了小粒径颗粒物往往伴随更大的光吸收和光化学反应性贡献。这项工作从粒径分布角度阐述了气溶胶中的发色团特征，建议在未来的大气模型中，发色团的粒径分布以及极性特征是光吸收以及光化学反应的重要考虑因素。

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