荧光颗粒物

三维荧光光谱法（EEM）是鉴定环境中发色团物质的重要仪器分析方法，近年来已被频频应用到大气气溶胶研究领域中。然而，因为多数情况下样品的EEM谱图具有非常相似的形貌，限制了EEM方法的广泛应用，当前EEM方法在大气领域的应用也进入瓶颈期。前不久，我们曾报道过陕西科技大学陈庆彩研究团队利用三维荧光光谱（EEM），对大气颗粒物中发色物质的种类和来源进行了分析。这项工作突破了一定的方法瓶颈，对于EEM方法在气溶胶研究领域的应用起到了关键推动作用。那么，EEM法是如何应用于大气颗粒物中发色团的化学组成、来源分析的呢？在这一研究中还有哪些技术问题亟待解决？如何突破现有EEM方法在大气领域的应用瓶颈？为解答这些疑问，5月29日，HORIBA 2020在线讲座第6课，我们邀请了陕西科技大学环境学院——陈庆彩副教授，为大家详细介绍EEM法研究大气颗粒物的具体应用案例、当前待解决的技术难点，以及他所在研究团队的新科研成果。前往微信公众号“HORIBA 科学仪器事业部”，查看历史文章即可报名！精彩内容不止一个！除了陈庆彩副教授的精彩报告外，本次讲座还将为大家介绍三维荧光光谱在食品、生化检验等领域的应用。HORIBA 资深技术顾问周磊博士，将以红酒、橄榄油、胰岛素、细胞培养基等为例，详细介绍HORIBA新稳态技术——A-TEEM技术在复杂样品定性和定量分析中的作用。 HORIBA Optical SchoolHORIBA一直致力于为用户普及光谱基础知识，旗下的JobinYvon更有着201年的光学、光谱经验，HORIBA非常乐意与大家分享这些经验，为此特创立Optical School（光谱学院）。无论是刚接触光谱的学生，还是希望有所建树的研究者，都能在这里找到适合的资料及课程。 HORIBA希望通过这种分享方式，使您对光学及光谱技术有更系统、全面的了解，不断提高仪器使用水平，解决应用中的问题，进而提升科研水平，更好地探索未知世界。

大气发色团是气溶胶中可以吸收太阳光的一类有机物质，可能对全球气候产生影响。大气发色团也可能通过形成三线态进而催化产生活性氧物质，因此对大气气溶胶的老化过程也具有重要潜在贡献。充分的了解大气发色团的理化性质和来源是掌握它们对环境的影响的本质要求。三维荧光光谱法（EEM）是鉴定环境中发色团物质的重要仪器分析方法，近年来已被频频的应用到大气气溶胶研究领域中。然而，当前EEM方法应用于大气领域进入了瓶颈时期。随着EEM方法广泛应用和深入研究，研究者们开始怀疑EEM方法是否具有区别气溶胶来源和物质种类的能力，因为多数情况下发现样品的EEM谱图具有非常相似的形貌。这样就限制了EEM方法更加广泛的应用于研究大气发色团来源、形成和消去过程。可喜的是，近日陕西科技大学陈庆彩研究团队，利用三维荧光光谱（EEM）研究，对大气颗粒物化学结构和来源进行了分析。在该项工作中，陈庆彩等人演示了EEM方法是有能力分辨大气颗粒物中不同类型发色团以及来源的，并构建了大气发色团与其来源、化学种类的对应关系。这项工作突破了一定的方法瓶颈，对于EEM方法在气溶胶研究领域的应用起到了关键推动的作用，或将促进大气发色团来源和大气化学过程的研究。研究过程1. EMM助力大气颗粒物来源和组成的初步分析研究团队分别采集了城市、一次燃烧源和二次气溶胶样品，利用EMM方法和 PARAFAC模型调查了不同发色团在不同种类气溶胶样品中的含量，讨论了EEM方法在分辨发色团类型以及样品来源的能力。通过对实际大气颗粒物样品进行分析，从整体轮廓分析，确实发现实际样品具有相似的EEM光谱外貌特征。这个结果也是当前研究者们担心的事情：到底EEM方法是否可以区分不同来源和组成的大气颗粒物样品？图1（a）为大气颗粒物萃取样品WSM和MSM的平均EEM光谱图以及它们的差光谱 （b）和（c）表示样品EEM光谱之间相关系数的四分位图和频率分布图针对这个值得怀疑的问题，团队人员研究了不同来源大气颗粒物样品，包括各种燃烧源样品（生物质燃烧、煤炭燃烧、汽车排放和做饭排放样品）和二次气溶胶样品。研究发现，不同种类样品的荧光性能是不同的，其中：生物质燃烧和煤炭燃烧样品的荧光效率是大的而汽车尾气样品和二次气溶胶样品相对较小另外发现，鉴定出的不同种类发色团，在不同来源样品中的相对含量也是不同的这些结果直接解答了上述疑问，确认：EEM方法可以用来区别不同气溶胶来源。图2 依据不同发色团（C1-C8）在不同污染物上的相对载荷鉴定出发色团来源，以及不同来源发色团在WSM和MSM样品中的相对含量2. PARAFAC 模型：一种系统的来源和成份分析图谱进一步，研究人员基于改进的PARAFAC 模型对大气气溶胶中发色团的来源和化合物的种类归属进行了研究。在这一步骤，该团队开创性的将大气颗粒物化学组分融合进EEM图谱的PARAFAC分析，进而对各种大气发色团的来源进行了鉴定。结果显示有一半左右的发色团来源被鉴定出来了，并发现了几个有意思的结果，比如：发现发色团的沙尘暴一次来源和光化学形成的二次来源，分析了季节变化中沙尘暴发生、光强度变化对发色团类型和含量的影响。该工作还利用优化的PARAFAC分析方法，把几种典型的有机化合物的EEM谱图耦合进了模型解析，进而对发色团的可能化学物质属性进行了归属。结果显示了苯酚类发色团是重要的水溶性发色团，而PAHs是水不溶性发色团的重要类型。图3 EEM区域和对应的大气发色团可能化学结构和来源图中不同彩色区域表示本研究鉴定的大气发色团来源对应区域，不同彩色数字球表示本研究鉴定的大气发色团对应化合物种类区域后研究人员总结了当前人们的认知和该项工作的主要结论，形成了一个可用于发色团化学物种和来源的依据图谱（图3），这个图谱对于今后EEM方法应用与于大气气溶胶的来源和化学转化研究提供了重要参考和研究途径。小结由上述研究可知，本研究工作提供了不同种类大气发色团对应来源以及化合物类别鉴定依据。这其中重点在于演示了不同发色团在不同气溶胶样品中的含量是不同的，从而说明EEM方法是有能力分辨不同类型发色团以及样品类型的。这项研究也构建了大气发色团与其来源、化学种类的对应关系。他们鉴定出了样品中大约一半的荧光物质所对应的来源和化合物种类，结果提供了大气发色团来源以及化合物类别鉴定依据，这将大大促进了EEM方法应用于研究大气发色团来源和大气化学过程，对于EEM方法在气溶胶研究领域应用起到了推动的作用。本研究中的三维荧光光谱法和大量光谱采集采用的是HORIBA Aqualog光谱仪完成，该仪器在EEM图谱快速获取、数据校正等方面的优势，为研究的顺利进行提供了不少便利。tips: 想了解更多荧光光谱仪的解决方案，点击阅读原文提交需求，HORIBA工程师会尽快联系您~论文原文&作者该研究以 Identification of species and sources of atmospheric chromophores by fluorescence excitation-emission matrix with parallel factor analysis 为题，发表在《Science of The Total Environment》上作者：陈庆彩通讯作者：陈庆彩、杜林通讯单位：陕西科技大学环境科学与工程学院、山东大学环境研究院Doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.137322文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137322 课题组介绍：陈庆彩，男，山东人，博士，副教授，博士生导师。毕业于日本名古屋大学，取得理学博士学位。陕西省“百人计划”，陕西科技大学大气污染控制团队负责人，名古屋大学特邀教员，日本大气化学学会会员。主要研究方向为气溶胶化学，包括有机气溶胶、大气棕碳（BrC）、长寿命自由基（EPFRs）等。参与和主持中国国家自然科学基金等十余项科研项目；已在ES&T等权威期刊一作/通讯发表20余篇学术论文；获得国家和软件注册权10余项。ORCID：http://orcid.org/0000-0001-7450-0073个人主页：https://hj.sust.edu.cn/info/1015/1394.htm 免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，HORIBA Scientific 发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，供读者自行参考及评述。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。HORIBA Scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。 HORIBA科学仪器事业部HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案，如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术，旗下Jobin Yvon光谱技术品牌创立于1819年，距今已有200年历史。如今，HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的选择，之后我们也将持续专注科研领域，致力于为全球用户提供更好的服务。

环境监测总站于1月27日公布了《环境空气颗粒物源解析监测技术方法指南(试行)》，这一方法或将成为各地开展环境空气颗粒物来源解析工作的重要参考。方法中，对环境空气、无组织排放和污染源废气颗粒物中的锑(Sb)，铝(Al)，砷(As)，钡(Ba)，铍(Be)，镉(Cd)，铬(Cr)，钴(Co)，铜(Cu)，铅(Pb)，锰(Mn)，钼(Mo)，镍(Ni)，硒(Se)，银(Ag)，铊(Tl)，钍(Th)，铀(U)，钒(V)，锌(Zn)，铋(Bi)，锶(Sr)，锡(Sn)，锂(Li)等24种元素的测定，采用了电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、X射线荧光光谱法三种方法，对大气颗粒物中汞、砷、硒、铋、锑等5种元素的测定采用了原子荧光分光光度法，对NO3-等4种阴离子和Na+等5种阳离子的测定采用了离子色谱法，对Na+等4种阳离子的原子吸收分光光度法，颗粒物中元素碳(EC)和有机碳(OC)的测定采用了热-光透射法，对环境空气、固定源排气和无组织排放空气颗粒物中16种多环芳烃的测定采用了液相色谱法和气相色谱-质谱法，对大气颗粒物中正构烷烃的测定采用了气相色谱-质谱联用仪法，对颗粒物中水溶性有机碳的测定采用了超声提取-总有机碳分析仪法。 　　附件：《环境空气颗粒物源解析监测技术方法指南（试行）》