本文原標題：《24小時監測，捕捉大氣汙染物形成瞬間！復旦這一特殊實驗室給出新方向》
凌晨時分，上海這座城市正在酣睡中。復旦大學第四教學樓樓頂一間天台小屋，在濃重的夜色裡亮著微光，這是一個24小時空氣監測站。由復旦大學環境科學與工程系教授王琳參與建設的上海市大氣顆粒物汙染防治重點實驗室成立於2014年，當時大氣汙染在國內備受關注，PM2.5等逐漸進入人們的視線。
空氣監測是一項持久而細緻的研究，為了捕捉到24小時內大氣中氣體和顆粒物的成分及變化，找出空氣中汙染物的形成機制，監測站日夜運作。
特殊實驗室24小時監測大氣
凌晨1時許，復旦第四教學樓樓頂，白色燈光透過天台小屋的三個氣窗透射出來。
大氣監測站必須建在露天，天台是最好的選擇之一。十幾平方米的小屋內塞滿儀器，一根根採樣管透過氣窗伸到戶外，實時採集大氣樣本，實驗室成員在電腦上實時觀測數據變化。
這是個特殊的實驗室，不僅要收集大氣中的氣態成分，還要監測空氣中的氣體分子向顆粒物轉換的過程，即顆粒物的二次生成途徑。「大氣中的顆粒物有很大一部分是由氣體分子在隨機碰撞中通過氫鍵形成新分子簇，實驗室觀測的目標就是要弄清哪些氣體參與了這個過程，形成了哪些分子簇。」
一個氣體分子的尺寸通常是零點幾個納米，在靜止狀態下觀測到已非常困難，要觀測其化學轉化過程更是難上加難。「這些氣體分子在空氣中隨機碰撞，分子簇隨時在蒸發，又隨時在生成，我們必須實時在線，定量觀測這些納米級別分子簇的動態變化。一個新顆粒的生成，可能就在一瞬間。」在數譜圖上，當粒子濃度線從藍色變成紅色，就表示粒子的濃度正在增加。「這就是新粒子從無到有的過程。」跟隨實驗人員實時見證這一過程，記者內心有些激動。
「這時我們就要及時觀看質譜儀，找出與新粒子出現的時間序列比較吻合的質譜信號。」只見實驗人員立刻轉到另外一個儀器前。質譜儀上，有上千個信號，每個信號都對應一個不同的化學組分，觀察這些細微的信號變化，就能了解空氣中分子簇的種類和濃度。
為了保證觀測的連續性，實驗室不分晝夜，也沒有節假日。「一旦開始，就要連續不停做下去，除了觀測，還要實時維護，所有儀器要始終保持在最佳狀態。」王琳說，我國的大氣顆粒物汙染最嚴重時期在冬天，因此冬天是最佳觀測期。「天越冷，實驗室工作強度越大。最重要的數據都是在最艱苦的時候採集到的。」
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空氣監測實驗室內，王琳正在操作儀器。 黃尖尖攝
無害氣體會碰撞出新顆粒物
為什麼要觀測顆粒物二次形成過程？王琳說，我國的大氣汙染中，以顆粒物和臭氧汙染最為嚴重。大氣顆粒物的來源有兩種，一種是直排的一次顆粒物，主要是工廠燒煤、汽車尾氣、發電廠等化石燃料燃燒不充分產生的。「人們一直把大部分注意力放在一次顆粒物上，卻忽視了另外一個重要來源。」
還有就是二次顆粒物，即空氣中的氣體經過特定物理化學過程後變成顆粒物。二次顆粒物也有兩種產生途徑，一是排放出的揮發性氣體在大氣中經過化學反應後，冷凝沉降到已有顆粒物的表面，造成顆粒物質量增加。比如氣態的氮氧化物揮發性很強，但在空氣中一反應就變成硝酸，容易冷凝沉降到已有顆粒物表面。另一種形成途徑就是大氣新粒子的生成。「大氣中有一些看似無害的氣體分子，通過隨機碰撞，形成分子簇，從一個氣態分子，變成兩個、三個、四個……當尺寸達到3到4納米時，就變成顆粒物。」研究表明，在我國城市地區，50%的顆粒物數濃度來自大氣新粒子形成。
去年7月，王琳團隊在《科學》雜誌上發表論文，指出在上海城市大氣中，氣體硫酸分子、二甲胺分子和水分子三者是形成大氣新粒子的主要來源。「水分子無處不在，氣體硫酸通過二氧化硫在空氣中氧化形成，這已基本可以確定，但二甲胺到底是怎麼來的，還存在疑惑。」王琳團隊對其來源進行了很多猜想，這將是未來破解上海城市空氣汙染的關鍵點之一。要對空氣汙染進行防治，首先就要知道其來源。實驗室表面上是做觀測，更重要的是看成因，通過與模擬實驗對比，最終得到汙染物的形成機制。
關鍵信號出現讓數據有意義
七年前，王琳從美國回來啟動這一課題時，國內對大氣新粒子的科學認識才剛剛起步。他回憶起實驗室成立時的辛酸，「當時四教的天台門口有三級臺階，我們在臺階上安裝了一個簡易工作檯，就坐在臺階上工作」。
實驗團隊共7人，由王琳和他的研究生組成。經常是幾個人輪流值班盯著，保證觀測持續不間斷。2014年寒假期間，實驗室缺人手，儀器出了問題沒有及時處理，導致整個觀測期中斷重來。此後，實驗室安裝了報警器，還配備一塊巨大的蓄電池，就算突然斷電，儀器還能支撐運作1個小時。
姚磊是環境科學與工程系的博士生，2016年春節，他一個人留守校園，對著天台上的各種儀器過了個春節。在質譜儀中，能看到成千上萬個分子，卻不知道新粒子何時會形成，也不知道哪個數據的出現會起到決定性作用。「做這件事很難，失敗多，成功少。」29歲開始讀博的他跟隨項目組一路走來，感覺如果做不成這件事，這些年的心血就都付之東流了。
這是團隊成員的共同感受。2016年2月的一個深夜，團隊在分析質譜儀的以往數據時看到一個微小的硫酸二聚體的信號，這個信號絕對濃度很小，但已超過目前國際上已有文獻中的最大值。「這讓人馬上聯想到二甲胺，於是我們趕緊尋找同時含有硫酸和二甲胺分子的信號，果然找到三四個。能在質譜儀中找到三四個硫酸—二甲胺分子團簇信號已是非常強有力的暗示，有力地證明了大氣顆粒物的硫酸、二甲胺和水分子三元形成機制。」幾個人興奮得喊出了聲。
「目前，這個三元機制的發現已代表該領域國際最前沿水平，但城市中二甲胺從何而來還有待進一步研究。」王琳說，「最終目標是找到汙染物的形成機制，為大氣汙染防治尋得方法，雖然這條路還很長，但我們已經找到了方向。」
來 源
解放日報
編 輯
史書珣