ACP 陕科大陈庆彩课题组：太阳光照射条件下大气PM2.5的光化学反应特征和机理研究 | 前沿用户报道

HORIBA科学仪器事业部

2022.2.23

供稿：陈庆彩

成果简介

近日，陕西科技大学陈庆彩教授课题组，以关中地区大气污染治理中的不确定性环境因素为背景，探讨了西安市大气PM2.5在太阳光照射条件下的光化学反应特征和机理，确认太阳光光照可以增加大气PM2.5中的发色团的氧化状态，并影响它们的光化学反应活性。相关成果以《Photodegradationof atmospheric chromophores: changes in oxidation state and photochemicalreactivity》为题发表在Atmospheric chemistry and physics上。

背景介绍

大气气溶胶中存在具有吸光能力且可以促进光化学反应的发色团有机物质（棕碳，BrC），从而对全球气候和大气环境质量具有潜在重大影响。目前对于大气颗粒物中BrC的研究主要集中在光学特征的研究，对于其光化学反应特征研究则相对较少。发色团有机物质光化学反应特征表现在，在太阳光照射下，发色团发生光激发反应，驱动一系列活性氧物质（ROS）的产生，进而对气溶胶中多相化学反应产生潜在影响。本研究试图探明COM光降解对气溶胶中碳质组成、光学性质、荧光团组成和光化学反应的潜在影响。

图文导读

太阳光光照可以增加大气PM2.5中的发色团的氧化状态，并影响它们的光化学反应活性。具体如下：

（1）光降解对气溶胶样品碳组分产生了显著影响。在POA中，水溶性和甲醇可溶性有机碳(WSOC和MSOC)分别下降了22.1%和3.5%。结果表明， WSOC比MSOC更容易被光降解。在环境PM中，WSOC几乎没有变化，MSOC下降18.2%，与POA形成对比。POA是新鲜的，但环境PM经历了长期的气溶胶老化。结果表明，在环境PM中WSOM发生光降解和矿化后，有机物(OM)得到了充分的光降解，而高分子量的MSOC不能被充分的光降解，因此在实验室中仍在进行光降解。不同阶段的OC比例下降趋势相似表明环境PM中不同分子量的OM可能具有相似的光降解能力且光降解后OM的分子量基本不变。

图：光降解前后碳含量和组成的变化，∗和∗∗分别表示在0.1和0.01水平上的显著差异。

（2）光降解对气溶胶样品光学性质产生了显著影响。光降解后，COM的吸收系数和总荧光体积(TFV)均显著降低，说明COM发生了光漂白。在POA中，TFV平均下降75%，WSOM和MSOM的TFV的下降有显著的相似之处。燃烧木材的COM的TFV仅下降了9%，而燃烧木材样品的MSOM的荧光体积几乎没有变化。这主要有两个原因：一方面，在燃烧木材的样品中，只产生少量的甲醇溶性OM。另一方面，甲醇溶性木材燃烧COM难以光降解。此外，荧光团的光降解还取决于光化学环境，如溶液pH、盐度、温度。因此，我们认为燃烧木材的COM的光降解在很大程度上取决于光降解环境。在环境PM中TFV的衰减速率常数低于在POA中的衰减速率常数。在环境PM中，MSOM的TFV下降了79%，而WSOM下降了27%。结果表明，在环境PM中，MSOM比WSOM更容易被光降解。

图：光降解过程中光吸收和荧光强度的变化。

图(a)光吸收，散射图显示了350nm处的吸收系数；

图(b)和图(c)分别显示了在POA和环境PM样品中荧光体积的衰减曲线。

（3）光解改变了气溶胶样品中发色团含量和组成。结合水溶性和甲醇溶性样品建立PARAFAC模型，以说明荧光团在WSOM和MSOM中的分布。我们发现了四个荧光团，C1和C2的荧光峰出现在(Ex./Em.= 224/434 nm)和(Ex./Em. = 245/402 nm)，分别与高氧化和低氧化的HULIS相似。C3和C4的峰出现在(Ex./Em. = 220/354 nm)和(Ex./Em = 277/329 nm)，这两个荧光团是蛋白质类有机物(PLOM-1和PLOM-2)。在光降解过程中，荧光团的含量发生显著变化。在POA的WSOM中，高氧化的HULIS(C1)相对含量增加了63.0%，低氧化的HULIS (C2)相对含量减少了88.0%。比例变化表明，由于光氧化作用，低氧化的HULIS (C2)可能转化为高氧化的HULIS (C1)。PLOM(C3和C4)下降19.7%，表明C3和C4可被光降解。在POA的MSOM中，高氧化态HULIS(C1)的含量增加了17.5%，这是由于光诱导的二次反应。在环境PM的WSOM中，高氧化的HULIS(C1)含量增加了6.9倍，低氧化的HULIS (C2)含量减少了40.2%，其变化与POA相似。因此，高氧化HULIS可用于跟踪气溶胶光老化程度。

图：样品光降解前后生成1O2的变化：(a) POA和(b)环境PM。

（4）光降解对气溶胶光化学反应活性有显著影响。通过³COM^∗和¹O₂的产率定量分析了光降解对光化学反应的影响。在环境PM中，光解样品对TMP的消耗速率常数(k_TMP)比原始样品平均下降11%，相反，在POA中，光降解后k_TMP平均增加75%。在光降解后，不同气溶胶中的三线态生成保持不变或增加。COM可以产生三线态，并进一步产生¹O₂。¹O₂的产率在环境PM和POA中都下降表明COM的光降解对光化学反应有抑制作用。在POA中，在光激发前，原始样品和光解样品中都很少有¹O₂；在黑暗60min后，原始样品和光解样品都产生了¹O₂，说明在POA中没有光激发也可以产生¹O₂，原始样品中¹O₂含量高于光解样品；经过60min的光激发后，与未经过光激发的样品相比，原始样品和光解样品中¹O₂的含量都增加了3倍。原始样品中¹O₂的含量也高于光解样品(高出42%)，证明了COM光降解对¹O₂的生成有抑制作用。当三线态被山梨酸淬灭时，¹O₂的含量几乎没有变化，表明低能量的³COM^∗可能是POA中¹O₂的主要前体且COM光降解并不改变POA中低能量³COM^∗产生¹O₂的机制。在环境PM中，与POA中相似，在光激发前，原始样品和光解样品中¹O₂的含量非常低。而黑暗60 min后与POA不同¹O₂含量几乎没有变化表明如果没有光激发，在环境PM中不可能产生¹O₂。当三线态被山梨酸淬灭时不生成¹O₂，表明¹O₂的前体被淬灭，环境PM中¹O₂主要由高能³COM^∗产生。

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研究总结

研究发现，经过7天的光降解，COM的荧光强度和吸收系数分别降低了71%和32%。光降解对发色团的化学成分和气溶胶老化程度有影响，低氧化的腐殖质类物质(HULIS)通过光氧化转化为高氧化的HULIS。光降解也会改变光化学反应能力，在一次有机气溶胶(POA)和环境颗粒物(PM)中，光降解对光化学反应的影响是相反的，在环境PM中，光降解后三线态COM (3COM∗)的生成略有减少，但在POA中，3COM∗的生成增加。然而，在POA和环境PM中，单线态氧(1O2)的生成都明显减少，这可能与1O2前体的光降解有关。关于气溶胶中COM光降解的新认识，增加了研究与光化学和气溶胶老化相关的溶解性有机物(DOM)的重要性。这项研究将有助于更好地了解COM光解特性以及COM光降解对气溶胶老化的影响。

文献信息

Photodegradation of atmospheric chromophores: changes inoxidation state and photochemical reactivity

文章署名作者：

牟臻、陈庆彩*、张立欣、关东杰、李豪

文章链接：

https://doi.org/10.5194/acp-21-11581-2021

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陈庆彩教授基本简介

陈庆彩，教授、博导，陕西科技大学大气污染与控制研究团队负责人。毕业于名古屋大学，主要从事区域大气污染与控制、大气PM2.5健康效应等相关科研工作。入选陕西省“百人计划”、获陕西省青年科技新星称号、陕西省高校自然科学奖、日本大气化学学会奖、BRUKER和HORIBA企业科技奖、政府生态建设专家、名古屋大学特邀教员，担任Environmental Advances/Research等期刊编辑/编委。主持国家和省部级课题6项，以第一或通讯作者发表学术论文40余篇，包括领域顶级期刊ES&T论文8篇，授权国家专利和软著12项。

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