HORIBA前沿用戶報導 | 復旦巧用增強拉曼「識」霧霾

2020-12-13 儀器信息網


供稿| 張立武

編輯 | Qian


霾汙染一直廣受公眾和媒體的注意，2013年「霧霾」更成為年度關鍵詞。其實，從全世界範圍來說，霧霾是已經困擾了人們兩個多世紀的全球性難題，可以說霧霾之痛，全球之痛。當下，人們已經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防，這就牽涉到霧霾的核心物質——大氣氣溶膠。「識別」大氣中氣溶膠顆粒物的形成機理、汙染物組分成為當務之急。那麼有哪些方法可以快速「識」霧霾呢？



復旦大學環境科學與工程系張立武研究員課題組，利用表面增強技術結合拉曼光譜實現了對實驗室模擬氣溶膠和大氣氣溶膠成分的快速檢測，相比傳統拉曼技術，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效果差和穩定性差的難點，頗具潛力。


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



下面，讓我們一起來看看復旦大學是如何巧用增強拉曼「識」霧霾的。


「倒金字塔」基底

承載霧霾顆粒&增強拉曼信號


大氣氣溶膠中的顆粒物成分複雜，有些汙染物含量低、毒性大，並且很少能夠直接檢測出來。例如用傳統拉曼技術檢測大氣氣溶膠，就具有峰強弱、重複性差等劣勢。令人興奮的是，復旦大學張立武研究員課題組巧妙地利用表面增強技術結合拉曼光譜突破了難點，實現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」型的表面增強基底Klarite，通過沉積法採集單顆粒氣溶膠，如下圖。因為其倒金字塔型的碗狀結構非常適合承載~1 μm的單顆粒，因此拉曼增強因子平均可以達到6倍。


表面增強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表面增強基底的拉曼增強效果後，研究人員分別對氣溶膠在實驗室模擬狀態下、大氣中實際狀態進行了對比檢測。與傳統拉曼檢測法相比，這項研究表明，表面增強拉曼表現出了出色的增強效應和穩定性。而在此次拉曼測試過程中，研究人員使用的是 XploRA Plus雷射拉曼光譜儀，進行拉曼分析。接下來，我們就來分別看看兩種條件下的測試結果。



首先，我們來看一下實驗模擬狀態下的結果。 張老師團隊分別對模擬硫酸銨氣溶膠以及含萘氣溶膠進行拉曼檢測，如下圖。相比於使用金、銀納米溶膠，Klarite增強基底表現出增強因子高和重複性好的特點。這樣，研究人員對利用表面增強拉曼技術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效果


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



以上研究表明，表面增強拉曼有出色的增強效應和穩定性，對於研究霧霾以及相關問題具有十分重要的作用。


參考文獻：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拉曼檢測霧霾顆粒物的測試經驗，不僅有拉曼光譜數據，還進行了拉曼光譜成像表徵。


團隊介紹

張立武課題組 博士/研究員 （青年千人）

理學博士，入選國家青年千人計劃，上海市「東方學者」特聘教授。2009年畢業於清華大學化學系，同年獲德國「洪堡學者」基金資助在漢諾瓦大學從事研究工作。於2012年獲瑪麗居裡歐盟內研究基金資助前往劍橋大學卡文迪許實驗室從事研究工作。主要研究興趣為大氣化學，CO2資源化利用及環境汙染物的檢測。2014年加入復旦大學環境科學與工程系。

實驗室課題組主要研究方向

1. 大氣光化學過程

2. 環境氣固界面化學

3. 環境汙染物檢測及控制


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