1 安徽省人工影响天气办公室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室, 广东 广州 510640
4 广东省环境科学研究院, 大气环境研究所, 广东 广州 510045
5 粤港澳生态环境科学中心, 大气光化学联合研究实验室, 广东 广州 511363
吸湿性是大气颗粒物最重要的物理化学性质之一，直接影响着实际大气条件下气溶胶的粒径、形貌、成分、化学反应活性和光学性质，从而最终影响着气溶胶的环境与气候效应。现有的吸湿性测量技术大多需要假设颗粒物为球形，且灵敏度较低，无法准确测定非球形颗粒物或吸湿性较低颗粒物的吸湿性。蒸汽吸附分析仪通过测量颗粒物的质量随相对湿度的变化来研究其吸湿性，这种新方法不仅对颗粒物的形貌没有要求，而且具有卓越的灵敏度。本文首先介绍了这种气溶胶吸湿性测量新方法的工作原理和技术特点，然后重点介绍了这种新方法在大气科学、地球与行星科学、医用气溶胶等多个领域中的应用。最后，在简要总结蒸汽吸附分析仪在大气颗粒物吸湿性研究上的优越性和局限性的基础上，对未来可开展的吸湿性研究工作提出了一些设想。
吸湿性 蒸汽吸附分析仪 大气科学 地球与行星科学 医用气溶胶 hygroscopicity vapor sorption analyzer atmospheric science earth and planetary science medical aerosol particles
1 山东大学齐鲁医学院药学院,山东 济南 250012
2 山东大学国家糖工程技术研究中心,山东 济南 250012
3 山东大学化学生物学教育部重点实验室,山东 济南 250012
5 山东圣旺药业股份有限公司!山东,济宁 273100
作为一种绿色安全的食品药品配料, 甜菊糖具有广阔的应用前景, 然而吸湿性是其面临的一大难题, 同时也是大多数制剂原辅料普遍存在的问题, 研究分析吸湿的过程状态并提出针对性解决办法具有重要的理论意义和应用价值。 利用近红外光谱分析技术结合化学计量学方法对甜菊糖吸湿过程进行表征、 解析, 从而揭示吸湿过程中水的吸附方式和键合作用; 通过吸湿过程光谱并采用外部参数正交(EPO)算法消除样品中水分的影响, 建立甜菊糖中莱鲍迪苷A(RA)含量的快速分析方法。 研究表明, 甜菊糖吸湿过程初始, 水分子迅速吸附在甜菊糖粉末表面形成单分子层; 之后, 表面吸附位点变少, 吸湿速率明显变慢, 水分子将同时吸附在单分子层之上; 最后, 甜菊糖整体吸湿达到饱和状态, 含水量保持稳定。 揭示水分吸收规律后, 利用EPO算法建立RA定量模型, 模型外部测试集的均方根误差、 决定系数和预测相对标准偏差分别为0.669 5%, 0.957 0和4.336 8, 与未使用水分校正所建模型相比有较大提升, 表明EPO算法可以有效去除吸湿的影响。 该研究利用近红外光谱技术对甜菊糖吸湿过程中水的变化进行了表征, 同时利用EPO算法有效消除吸湿的影响, 实现对甜菊糖成品中RA的快速测定, 为其进一步的研究和使用提供参考。
甜菊糖 近红外光谱 吸湿性 二维相关光谱分析 外部正交算法 Stevia Near-infrared spectroscopy Hygroscopicity Two-dimensional correlation spectrum analysis External orthogonal algorithm
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院, 安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
吸湿性气溶胶会吸收环境空气中的水分, 其粒径会随相对湿度的增加而发生变化, 从而导致气溶胶的光学特性 (如消光、散射、吸收系数与单次散射反照率等) 发生显著的变化。气溶胶光学吸湿增长因子 (湿状态与干状态下光学参数的比值) 是衡量气溶胶光学吸湿增长能力的特征参数, 是计算大气能见度和气溶胶辐射强迫的关键输入量, 它的准确测量对于气溶胶环境和气候效应的评估具有重要意义。光学吸湿增长测量系统主要包括湿度调节系统和光学测量装置, 通过湿度调节系统改变样品的相对湿度, 再结合光学测量装置实时测量光学参数的变化, 从而实现光学吸湿特性的在线测量。鉴于气溶胶吸湿性研究的重要意义, 重点分析对比了现有的光学吸湿增长测量方法及应用, 并对下一步气溶胶光学吸湿增长特性测量技术和研究方向做了展望。
气溶胶 光学特性 吸湿性 测量方法 aerosols optical properties hygroscopic properties measurement methods
光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3444
1 南京信息工程大学物理与光电工程学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室, 江苏 南京 210044
基于单颗粒气溶胶吸湿增长模型,分别建立了亲水性和亲疏水性双颗粒凝聚气溶胶的吸湿增长模型,并利用离散偶极子近似方法计算了不同相对湿度时两种凝聚粒子的散射特性。结果表明: 在40%~90%湿度范围内,亲水性双颗粒凝聚气溶胶 [以氯化钠(NaCl)-硝酸钠(NaNO3)颗粒为例]的散射系数存在两次跃变,而散射系数跃变的位置和增幅与NaCl-NaNO3颗粒的体积比密切相关;二次潮解后,不同体积比的亲水性凝聚粒子的散射系数随相对湿度的增加均呈现出指数增长趋势,且NaNO3的体积分数越大,散射系数增长幅度越大。对于不同体积比的亲疏水性双颗粒凝聚粒子 (以NaCl-烟尘颗粒为例),散射系数随相对湿度的增加均呈现指数增长,NaCl的体积比越大,散射系数增长越快,而潮解后亲疏水性粒子的相对位置关系对凝聚粒子散射系数的影响较小。上述结果可为进一步研究多颗粒凝聚气溶胶的吸湿散射特性提供可靠的理论基础。
大气光学 光散射 双颗粒凝聚气溶胶 离散偶极子近似法 吸湿性 散射系数
北京大学信息科学技术学院电子学系纳米器件物理与化学教育部重点实验室, 北京 100871
大气气溶胶粒子的热动力学过程主要源于多元物质的非理想混合, 其演化过程包括液-液相分离、吸湿-挥发、非平衡传质等。相关物理化学参数是理解气溶胶演化过程、分析演化动因、预测演化路径的基础, 而精确的单粒子测量是获取这些重要参数的关键。利用自主开发的气溶胶拉曼光镊系统, 实现了单颗粒气溶胶液滴无接触长时间捕获, 并通过改变气溶胶粒子所处环境的相对湿度, 模拟了实际大气中悬浮气溶胶液滴的吸湿-挥发热力学演化过程。通过测量单颗粒液滴粒子的腔共振拉曼光谱信号, 结合相应的物理模型精确测量了氯化钠、蔗糖和柠檬酸三种不同气溶胶液滴粒子在吸湿-挥发过程中的粒径、折射率、扩散系数、挥发通量等重要物化参数, 分析了有机/无机气溶胶液滴的吸湿-挥发特性对相对湿度变化的不同响应以及气溶胶液滴可能存在的玻璃态、胶态等相变行为, 为理解实际大气气溶胶吸湿-挥发过程提供了重要参考。
气溶胶液滴 吸湿性 挥发性 拉曼光镊 aerosol droplet hygroscopicity volatility Raman optical tweezer 大气与环境光学学报
2020, 15(6): 486
中国科学院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室, 安徽 合肥 230031
基于自主搭建的加湿串联差分迁移率分析仪(hygroscopic tandem differential mobility analyzer, H-TDMA)和实 验室烟雾箱模拟系统,分别对有无种子气溶胶(硫酸铵)存在的条件下,苯乙烯臭氧氧化反应体系产生的二次有机 气溶胶(secondary organic aerosol, SOA)的吸湿性进行了研究。通过对反应产生的不同粒径 的SOA粒子(70 nm, 85 nm, 100 nm)的吸湿性测量,发现无论有无种子气溶胶的存在,产生的SOA粒 子的吸湿生长因子(growth factor, GF)(相对湿度为85%)都随着反应时间的继续而逐渐增大; 并且在有硫酸铵种子气溶胶存在的条件下产生的SOA的吸湿性比无种子气溶胶情况下产生的粒子的吸 湿性更强,但比纯的硫酸铵无机气溶胶的吸湿性要小。分析表明随着氧化反应的进行,更多的吸湿 性较大的高极性氧化产物分配到SOA粒子中,导致这些粒子的GF由反应初始阶段的<1逐渐增大到>1; 而在有种子气溶胶存在的条件下产生的SOA粒子,由于受硫酸铵种子气溶胶较强吸湿性的影响, 比没有种子气溶胶时产生的纯SOA相对要强,但这种影响受限于外层包裹的有机组分的较低的吸湿 性(相对于硫酸铵),因此远小于纯硫酸铵气溶胶的吸湿生长因子。而不同粒径的SOA粒子的吸湿性生 长因子随时间的演化关系所表现出来的一致性,也表明了在本实验条件下,产生的SOA气溶胶粒子的化学组成不依赖于粒子的粒径。
苯乙烯 臭氧氧化 二次有机气溶胶 吸湿性 styrene ozonolysis secondary organic aerosols hygroscopicity
