供稿|?張立武

編輯?| Qian

霾污染一直廣受公眾和媒體的注意，2013年“霧霾”更成為年度關(guān)鍵詞。其實，從全世界范圍來說，霧霾是已經(jīng)困擾了人們兩個多世紀(jì)的全球性難題，可以說霧霾之痛，全球之痛。當(dāng)下，人們已經(jīng)意識到研究大氣霧霾不僅要研究它的危害，還要終落實到控制和預(yù)防，這就牽涉到霧霾的核心物質(zhì)——大氣氣溶膠?！白R別”大氣中氣溶膠顆粒物的形成機(jī)理、污染物組分成為當(dāng)務(wù)之急。那么有哪些方法可以快速“識”霧霾呢？

復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系張立武研究員課題組，利用表面增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合拉曼光譜實現(xiàn)了對實驗室模擬氣溶膠和大氣氣溶膠成分的快速檢測，相比傳統(tǒng)拉曼技術(shù)，這種方法更靈敏、更快速，很好地克服了在拉曼研究大氣顆粒物中增強(qiáng)效果差和穩(wěn)定性差的難點，頗具潛力。

相關(guān)研究成果以《Surface Enhanced Raman Spectroscopy: a Facile and Rapid Method for the Chemical Components Study of Individual Atmospheric Aerosol》 為題發(fā)表在ACS的Environmental Science & Technology雜志。

下面，讓我們一起來看看復(fù)旦大學(xué)是如何巧用增強(qiáng)拉曼“識”霧霾的。

“倒金字塔”基底

承載霧霾顆粒&增強(qiáng)拉曼信號

大氣氣溶膠中的顆粒物成分復(fù)雜，有些污染物含量低、毒性大，并且很少能夠直接檢測出來。例如用傳統(tǒng)拉曼技術(shù)檢測大氣氣溶膠，就具有峰強(qiáng)弱、重復(fù)性差等劣勢。令人興奮的是，復(fù)旦大學(xué)張立武研究員課題組巧妙地利用表面增強(qiáng)技術(shù)結(jié)合拉曼光譜突破了難點，實現(xiàn)了對實驗室模擬氣溶膠和大氣氣溶膠的快速檢測。

研究人員利用“倒金字塔”型的表面增強(qiáng)基底Klarite，通過沉積法采集單顆粒氣溶膠，如下圖。因為其倒金字塔型的碗狀結(jié)構(gòu)非常適合承載~1 μm的單顆粒，因此拉曼增強(qiáng)因子平均可以達(dá)到6倍。

表面增強(qiáng)拉曼檢測霧霾顆粒示意圖

從模擬大氣檢測到真實大氣檢測

探明“倒金字塔”狀Klarite表面增強(qiáng)基底的拉曼增強(qiáng)效果后，研究人員分別對氣溶膠在實驗室模擬狀態(tài)下、大氣中實際狀態(tài)進(jìn)行了對比檢測。與傳統(tǒng)拉曼檢測法相比，這項研究表明，表面增強(qiáng)拉曼表現(xiàn)出了出色的增強(qiáng)效應(yīng)和穩(wěn)定性。而在此次拉曼測試過程中，研究人員使用的是 XploRA Plus激光拉曼光譜儀，進(jìn)行拉曼分析。接下來，我們就來分別看看兩種條件下的測試結(jié)果。

首先，我們來看一下實驗?zāi)M狀態(tài)下的結(jié)果。 張老師團(tuán)隊分別對模擬硫酸銨氣溶膠以及含萘氣溶膠進(jìn)行拉曼檢測，如下圖。相比于使用金、銀納米溶膠，Klarite增強(qiáng)基底表現(xiàn)出增強(qiáng)因子高和重復(fù)性好的特點。這樣，研究人員對利用表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)檢測大氣中單顆粒氣溶膠充滿信心！

?實驗室模擬的硫酸銨氣溶膠

在不同基底上的增強(qiáng)效果

接下來，在真實大氣氣溶膠的研究中，研究人員分別采用了拉曼點掃描和拉曼面掃描。點掃描采用785 nm激光、600線每毫米的光柵和1024 × 256像素的CCD，得到3 cm-1的光譜分辨率。利用Mapping掃描時間快的特點（1 μm作為步徑），研究人員快速地在采集到的顆粒物的面上識別化學(xué)組分，可以識別出如 1000~1700?cm-1的不定型碳、~1000 cm-1的NO3-和SO42-無機(jī)鹽組分以及一些PAHs。

以上研究表明，表面增強(qiáng)拉曼有出色的增強(qiáng)效應(yīng)和穩(wěn)定性，對于研究霧霾以及相關(guān)問題具有十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 6260?6267

值得一提的是，張老師課題組積累了豐富的增強(qiáng)拉曼檢測霧霾顆粒物的測試經(jīng)驗，不僅有拉曼光譜數(shù)據(jù)，還進(jìn)行了拉曼光譜成像表征。

團(tuán)隊介紹

張立武課題組 博士/研究員 （青年千人）

理學(xué)博士，入選國家青年千人計劃，上海市“東方學(xué)者”特聘教授。2009年畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)系，同年獲德國“洪堡學(xué)者”基金資助在漢諾威大學(xué)從事研究工作。于2012年獲瑪麗居里歐盟內(nèi)研究基金資助前往劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室從事研究工作。主要研究興趣為大氣化學(xué)，CO2資源化利用及環(huán)境污染物的檢測。2014年加入復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系。

實驗室課題組主要研究方向

1. 大氣光化學(xué)過程

2. 環(huán)境氣固界面化學(xué)

3. 環(huán)境污染物檢測及控制

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