沙尘单颗粒特征及内混特性研究进展
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摘 要：本文概述了在线单颗粒质谱技术在沙尘颗粒物研究中的应用，单颗粒质谱能够很好的提供颗粒物的内部混合状态的信息，但是目前国内外使用该技术所开展的有关沙尘气溶胶的研究较少。因此，建议今后多应用在线技术开展沙尘气溶胶内部混合方面的研究。
关键词：沙尘颗粒；单颗粒质谱；内混特征
1.沙尘气溶胶细粒子内部混合特性研究
庄国顺等的研究认为沙尘气溶胶在传输过程中，与污染气溶胶进行了很好的混合，在传输过程中，其所携带的矿物气溶胶可与城市燃煤和机动车尾气排放的高浓度SO2、氮氧化物、有机物等污染物相互作用。邵龙义等对北京2002、2004和2006年的几次沙尘暴中所采集的沙尘样品进行了单颗粒物的化学成分测定，研究结果表明，北京沙尘期间沙尘气溶胶在传输过程中，可能与污染气溶胶发生了少量的混合，生成了部分硝酸盐。但是，张代洲等的研究结果则相反，认为发生于中国北部和西北地区的沙尘在中国大陆内传输过程中，其本身成分变化不大，很少有与污染气溶胶的混合存在。通过对1995-1996年春季发生的5次沙尘事件中的单沙尘粒子表面进行组分分析，结果发现沙尘粒子表面几乎没有硫酸盐、硝酸盐生成。与李卫军的研究结论一致。但是普遍认为沙尘气溶胶经过海洋传输到日本后，在日本收集的沙尘粒子均被海盐或者人为污染物质所改变。Okada研究了日本收集到的亚洲沙尘单颗粒物，表明存在水溶性和非水溶性物质的内混合颗粒物，且水溶性粒子主要是Ca和S。但是，在中国西北部的沙尘粒子中并没有发现类似的水溶性物质。通过对同一沙尘事件在日本和中国收集到的沙尘粒子结果比较，表明沙尘粒子从中国到日本的传输过程中，海盐和硫在沙粒上进行了富集。
2.基于在线气溶胶质谱技术的颗粒物内部混合特性研究
以往气溶胶单颗粒物分析多采用离线分析技术，无法获得颗粒物的初始变化信息，而且也无法确定沙尘气溶胶在传输过程中是否与污染气溶胶发生混合作用。而单颗粒物的实时在线分析技术，则可以避免滤膜长时间连续采样所带来的样品变化等问题。
气溶胶飞行时间质谱（ATOFMS）技术可以实时在线分析单颗粒的粒径及其化学组分，提供不同粒子种类的实时信息，及粒子的凝聚或者结合状态，为研究粒子内部和外部混合程度提供了独特研究视角。该技术利用质谱指纹特征来确定不同来源颗粒物的相对组成，应用单独的气相示踪物质与相应单颗粒物MS信息相结合，来达到分析单粒子混合状态的目的。ATOFMS技术提供了单个粒子的混合状态、化学种类的分布，为不同源一次粒子与二次粒子的混合研究提供了保证，可以应用该技术提供颗粒物的内部混合状态。目前国际上单颗粒物的实时在线测量技术，主要应用在环境中细颗粒物粒径和化学成分实时变化分析，而沙尘期间的相关研究较少。
2001年亚洲-太平洋区域气溶胶表征实验（ACE-Asia）的分析结果表明硝酸盐能够在富Ca粒子、硫酸盐在富铝硅酸上富集。矿物沙尘表面则是优先富集草酸和丙二酸。ACE-Asia对R/V Ronald H. Brown （RHB）的研究结果表明多数粗粒子中的硝酸盐、硫酸盐与沙尘有关。Furutani[59]对加州南部海域的观测分析结果发现，有机碳、元素碳、海盐和沙尘粒子与硝酸盐和硫酸盐以内部混合形式存在。国内目前应用实时在线测定技术对沙尘气溶胶粒子的内混合状态的进行的相关研究也较少，主要集中在对环境颗粒物的研究。复旦大学应用ATOFMS仪器对上海地区2007年夏季环境大气进行了观测研究，发现大气单粒子中含有硝酸盐、草酸盐和铅粒子，且三者在大气粒子中分别约占39%、3.4%和3%，含硝酸盐粒子在重污染天气时与环境湿度的日变化特征呈现出较好相关性。重污染天气，夜间硝酸盐的峰值强度与高浓度的O3、NO2表明了N2O5、NO3在气溶胶表面发生了异相反应从而生成颗粒态硝酸盐。沙尘和海洋粒子的日变化与环境相对湿度变化吻合较好，表明发生在水合/消融气溶胶的异相反应对于草酸的生成具有重要作用。含铅粒子通常存在于亚微米粒子中，且主要有3类排放源，约45%的含有机或元素碳的富铅粒子来源于燃煤；Cl和Pb相关性较好的粒子则主要来源于废物燃烧；而以磷酸盐和Pb信号较强为主要特征的粒子则来自于磷酸盐工业。毕新惠等分析珠三角城市区域亚微米气溶胶的粒径和化学组成，结果表明生物质燃烧粒子为亚微米粒子的一个显著来源，经历了强烈的大气过程，90.5%的粒子与二次无机粒子内部混合。此外，中国科学院安徽光学精密机械研究所利用自制ATOFMS进行了一些分析，主要有芳香族化合物气溶胶单颗粒物的质谱解析，机动车尾气排放颗粒物的分析。
参考文献
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