同步辐射技术在环境纳米金属组学研究中的应用

随着我国工业的发展,在工业产值不断提升的同时,向环境中释放出的各类污染物也逐渐增加,其中包括多种金属纳米颗粒物。这些金属纳米颗粒物进入大气、水源及土壤中,累积到一定程度引起环境安全问题;进一步可被动植物所吸收,经过食物链富集和传递,造成直接或间接人体暴露,危害人体健康。环境纳米金属组学,研究的范畴主要涉及自然或人为因素产生的金属纳米颗粒在环境介质和生物有机体中的生物/化学行为、转化归趋,并且据此评价金属纳米颗粒物的环境安全性及其生物健康效应。随着对金属纳米颗粒环境效应研究的不断深入,对传统的研究方法提出了更多的挑战。同步辐射具有高亮度、高准直和宽频谱等特性,在金属元素分析方面具有无可比拟的优势。本文主要介绍了同步辐射技术,如同步辐射X射线荧光分析技术(SR-XRF)和同步辐射X射线吸收光谱技术(SR-XAS)等,在金属纳米颗粒物的环境行为及其生物健康效应研究中的应用;结合本实验室及国内外的一些研究工作,阐述了同步辐射技术应用于环境纳米金属组学研究领域所取得的一些新进展,以期为拓展同步辐射技术在环境金属纳米颗粒物分析的应用研究提供参考价值。     

扫描电镜-聚类分析研究广州地区气溶胶颗粒特征

本文主要针对广州地区冬夏两季气溶胶样品,应用扫描电镜/X射线能谱分析技术,对单个颗粒物进行形貌观察和组份分析;对于大量单颗粒的组份采用动态聚类法处理,广州气溶胶粗颗粒中的主要污染元素是Cu,Zn,Pb和Ag,Pb和Ag的存在是广州气溶胶的一个特征。     

济南市不同来源大气颗粒物的特征分析

本文对济南市几个典型来源的大气颗粒物用Ｘ光光电子能谱和电子自共振波谱仪（ＥＳＲ）进行表征,并模型酸雨对这些颗粒物进行了淋洗,分析淋洗液中的金属含量,结果表明：电厂颗粒物中的硫主要以ＳＯ３,ＳＯ＾２－４,ＳＯ２,ＳＯ＾２－３和Ｓ等多种形式存在,钢厂颗粒物中的表面硫主要以ＳＯ＾２－４和Ｓ＾２－的形式存在,炼油厂颗粒表面硫以ＳＯ＾２－４和ＳＯ２的形式存在,但颗粒物内层的硫主要以ＳＯ＾２－４形式存在,而且     

X射线光电子能谱在环境催化研究中的应用

X射线光电子能谱(XPS)是常用的材料表面分析技术之一,在材料、化学、环境、催化等众多领域的研究中都有广泛用途.本文首先简要介绍XPS的工作原理、分析特点及其一般应用,再主要以本课题组在环境催化领域的研究工作为例,阐述XPS在催化剂的元素组成、化学态分析及关键组分定量分析中的应用,从而表明其在环境催化材料表面性质分析及催化机理研究中的重要性.     

珠江下游不同水体中金属元素在颗粒相和胶体相中的分布和分配

为了研究不同水体中重金属在颗粒相和胶体相中的分布特征,运用连续流离心机、切面流超滤分离技术(UF)和反渗透技术(RO),从流花湖公园的湖泊和珠江下游的水库、河流、河口共4种水体中分离了大量的颗粒物、胶体,然后用电感耦合等离子体/质谱(ICP-MS)对其中的重金属进行了定量分析。对比不同水体中颗粒态重金属的浓度(ng·L~(-1))的季节变化,发现春季受降水影响,重金属的浓度最高。通过比较颗粒物、UF-胶体和RO-胶体中重金属的浓度,可以得到重金属在颗粒物、不同粒径的胶体中的分布情况。结果显示富营养化程度高的湖泊水体(LHH)中,大多数重金属主要分布在颗粒相中。河口中Cr、Mn、Zn、Pb、Co、Ag、Cd这些主要由人类活动产生的重金属,受河口絮凝沉降作用的影响,主要存在于大分子颗粒相中。不同水体中重金属在两相中和在胶体中的分配情况各不相同,说明重金属在两相中的分配与颗粒物、胶体及重金属的性质有关。     

北京路边9种植物叶片表面微结构及其滞尘潜力研究

以栾树(Koelreuteria paniculata)等9种常见于北京市区主干道旁的园林植物的叶片为研究对象,采用环境扫描电镜(Environmental Scanning Electron Microscope,ESEM)对这些植物叶片的气孔、表皮毛等微形态特征及其对颗粒物的滞留作用进行观察和描述,并对在叶片上滞留的颗粒物进行能谱分析。结果表明,植物叶片是滞留大气颗粒物的主要器官之一,叶片上下表皮的微结构差异影响其对颗粒物的滞留潜力。叶片上的细纹结构、细胞之间的间隔、气孔等部位镶嵌着不同粒径的颗粒物。叶片表皮的细纹结构越密集、细胞之间的间隔越小、气孔密度越大,对颗粒物的阻滞作用越明显。另外,叶片表皮毛能够对颗粒物起到一定的滞留作用。植物分泌的液态状物质能够粘滞颗粒物。除刺槐(Robinia pseudoacacia)外,其他8种植物叶片表面滞留的粒径介于0.1~0.5 mm之间的颗粒物最多,介于0.5~1 mm之间的次之,粒径1 mm以上的颗粒物数量最少。通过能谱分析发现,C和O在植物叶片滞留的颗粒物中广泛存在;Si、Fe、Mn等在大多数植物叶片上也有发现。以北京西三环这一市区主干道为例,根据不同元素在植物叶片上的积累,基本可以判断,植物借助叶表皮微形态学结构特征,在富集颗粒物的同时,对以燃油型、燃煤型和工业生产排放的颗粒为主的大气污染物具有净化作用。     

长江水体分散颗粒物对对乙酰氨基酚光降解的影响

研究了药物对乙酰氨基酚在长江水体颗粒物表面的吸附及颗粒分散体系中的光降解规律,探讨了体系pH、颗粒物浓度及加入柠檬酸、草酸、腐殖酸对对乙酰氨基酚光降解的影响.结果表明,对乙酰氨基酚在颗粒物表面的吸附符合Langmuir型吸附等温式,分散颗粒物可以促进对乙酰氨基酚的光降解,光降解符合一级反应动力学规律;pH=9时光降解速率最快;加入草酸、柠檬酸可以加快对乙酰氨基酚的光降解,而腐殖酸则抑制其光降解.     

脂质组学在环境领域中的应用

脂质是生物体内重要的组成物质之一,具有多种重要的生物学功能。脂质组学作为代谢组学的一个重要分支,主要通过研究生物体内脂质化合物及脂质代谢谱的变化,进而鉴定生物标志物,分析相关代谢通路,阐明生物体响应外界刺激的机制。随着分析技术的不断进步,尤其是色谱和质谱技术的引入,极大地推动了脂质组学研究的发展,并扩展了其应用范围。本文介绍了脂质组学的研究方法及其在环境领域中的应用前景,重点讨论了脂质组学及多组学联用技术在环境胁迫耐受性及环境污染物毒性评价中的应用。     

电化学模拟-质谱技术在环境领域的发展与应用

有机污染物的环境转化及生态风险是环境领域的研究热点,然而常规的研究手段程序繁琐、成本较高,且信息量有限,因此当前迫切地需要发展一项可以快速评估有机污染物的环境转化行为与风险的技术手段。在线电化学模拟-质谱技术是由注射泵、电化学反应池、联机的高效液相色谱仪及质谱检测仪组成的可用于快速评估有机污染物环境转化行为及风险的技术。本文对电化学模拟-质谱技术在环境领域中的发展与应用情况进行了详细的阐述。采用该技术可以使有机污染物在电化学反应池内发生氧化或还原反应,经联机的质谱仪检测得到活性中间产物及最终产物的结构信息,以模拟有机污染物在环境中的氧化或还原的转化过程以及研究污染物的环境结合残留机制;通过在电极表面产生电芬顿反应,可模拟研究难降解有机污染物在敏化光解或高级氧化处理工艺中的转化路径;根据有机化合物在电化学反应池内的起始反应电压可以判断有机污染物在环境中的持久稳定性。此外,电化学模拟-质谱技术可用于模拟研究有机污染物在生物体内经代谢后形成的活性中间产物与酶、蛋白质及DNA等生物大分子的结合致毒机制。与传统研究手段相比,电化学模拟-质谱技术具有快速、简便及产物信息全面等显著优越性,将在有机污染物的环境行为、水处理技术、环境监测、环境健康风险等研究领域有更广泛的应用。由于该技术刚刚起步,今后在电极材料的多样化、系统的自动化等方面有待进一步发展。     

基于多维化学指纹分析的人体内颗粒态污染物的溯源方法

细颗粒物污染是当前重要环境污染问题,也是影响我国国民健康的重要风险因素之一.流行病学研究表明,长期的环境细颗粒物暴露会增加呼吸系统,心血管系统,神经退行性疾病等的患病风险.正确认识人体内颗粒态污染物的真实赋存及来源是科学评估其健康风险的关键,是以公共健康为导向的颗粒物污染防控的迫切需求.然而,人体内生物基质极其复杂,且自身的生物矿化作用可生成生物源性的颗粒物,这为人体内高动态的颗粒态物质的溯源带来了严峻的方法学挑战.本文综述了当前人体内颗粒态物质溯源方法研究的最新进展,提出基于多重化学指纹分析的系统溯源方法,为未来更精准快捷的体内颗粒态污染物的溯源研究提供技术支持.     

攀援植物对大气颗粒物的吸附作用

植物通过叶片对颗粒物的吸附作用能够有效降低大气中颗粒物的浓度。用攀援植物进行绿化是城市绿化的重要手段,五叶地锦(Parthenocissus quinquefolia)作为中国北方地区常见的攀援绿化植物,研究其对大气颗粒物的吸附效果能够为降低大气中颗粒物浓度、改善环境质量、优化绿化方法提供一定依据。选取道路旁和校园内两处采样地点,距地表不同采样高度对五叶地锦叶片进行采样,使用扫描电镜和软件相结合的方式,对叶表面吸附的颗粒物进行计数,对颗粒物进行粒径分级,通过X射线能谱仪对叶表面吸附颗粒物的元素组成和颗粒物特征进行分析。结果表明:五叶地锦能够有效吸附不同粒径的大气颗粒物,对粒径在0.2~2.5μm的细颗粒物吸附数量占总吸附颗粒物数量的90%以上。颗粒物粒径越小,吸附在叶表面的数量越多。叶片上、下表面由于叶表面形态特征的不同,对吸附颗粒物数量有影响,五叶地锦叶片上表面对不同粒径范围的颗粒物吸附数量均明显高于下表面。道路旁2.5 m高度处叶表面上细颗粒物密度为8.4×106/cm2,校园内2.5m高度处叶表面上细颗粒物密度为5.2×106/cm2。环境对植物吸附颗粒物的数量有明显影响。叶表面吸附的颗粒物的组成元素受环境影响,道路叶片上吸附颗粒物元素组成中Si、Ca、Fe含量高。文章所采用的方法对植物叶片吸附颗粒物数量和元素组成的分析能够直观地反映出植物在减缓大气污染、减少PM2.5等颗粒物上所起到的作用。     

基于热脱附-化学电离质谱技术的二次有机气溶胶成分分析和前体物解析

二次有机气溶胶是大气颗粒物的重要组成部分.有关二次有机气溶胶的分子示踪物、生成机制,以及产率的实验室研究和外场观测工作已在世界各地广泛开展;然而,学术界对二次有机气溶胶的认识仍待进一步加深,以期更为全面地了解二次有机气溶胶生成和消亡的整个大气过程.本课题组拟利用新近发展的热脱附-化学电离-飞行时间质谱技术为主要手段,从新的视角研究二次有机气溶胶的化学物种和形成机制:在烟雾箱中研究一系列生物源和人类源有机化合物与羟基自由基、硝基自由基、以及臭氧的反应,应用热脱附-化学电离-飞行时间质谱技术测定二次有机气溶胶的分子组成特征;在相对污染和相对洁净地区分别组织外场观测,着重于实际大气中二次有机气溶胶的热脱附-化学电离-飞行时间质谱技术的方法发展;实现利用烟雾箱研究获得每个前体物生成的二次有机气溶胶的指纹特征,使用多元线性回归分析技术分析实际大气中的二次有机气溶胶的前体物来源;通过相对污染和相对洁净两个地区的比较,阐明两地的大气颗粒物污染是否在化学组分方面具有类似性而只是具有浓度上的差别,或者两地的大气颗粒物污染是否由于前体物浓度上的差异而已具有化学组分上的非线性差异.     

广州秋季灰霾生消过程气溶胶单颗粒组成特征研究

为了解广州地区灰霾天气成因及污染特征,更好地为保障空气质量提供基础数据和科技支撑,利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)研究了广州市秋季(2013年9月26日─10月10日)灰霾生消过程中大气气溶胶单颗粒组成特征。根据空气质量将观测时段划分为优良、轻度污染和重度污染3种类型,并对颗粒物化学组成的变化过程进行分析。研究结果表明,大气颗粒物类型主要可分为8种:元素碳颗粒(EC)、有机碳颗粒(OC)、元素碳有机碳混合颗粒(ECOC)、大分子有机碳颗粒(HOC)、富钾颗粒(K-rich)、左旋葡聚糖颗粒(LEV)、重金属颗粒(HM)和富硅酸盐颗粒(SI),这8种颗粒类型占了监测期间总颗粒的96%。重度污染天气下,从颗粒物平均质谱图来看,颗粒中含有的二次离子(硫酸盐和铵盐)相对于优良天气明显升高;从成分类别来看,富钾颗粒比例从15.1%增加到58.3%,说明来自生物质燃烧一次源的比例大幅增加,结合风速变化推断,灰霾发生的原因主要是由于气象扩散条件不利(平均风速小于3 m·s~(-1)),来自生物质燃烧的颗粒物持续积累,同时二次反应导致气溶胶颗粒更加老化。     

大气单颗粒物理化特性研究进展

大气单颗粒物是大气气溶胶中的单个气溶胶颗粒,其理化特性是形成复杂多变大气气溶胶的物质基础.对大气单颗粒物的研究,在深入了解大气气溶胶理化特性的同时,进一步揭示了大气气溶胶的形成过程、化学反应机制和影响效应,对科学有效防控大气污染具有举足轻重的作用.从大气单颗粒物的研究内容、范围、技术方法、局限性等众多方面对国内外大气单...     

城市近地面大气颗粒物空间分布的监测与分析

城市近地面环境与人呼吸带高度范围相当,近地面大气颗粒物对行人健康有直接影响.当常规环境监测点位置和数量不足以全面反映近地表大气颗粒物空间分布状况时,选择合适的颗粒物载体显得十分必要.植物叶片的滞尘效应使之成为大气颗粒物的良好指标,尤其是常绿灌木叶片更能直接反映近地表环境悬浮颗粒物状况.以大气颗粒物污染严重的代表性城市石家庄市为研究区域,选择道路绿篱灌木大叶黄杨,于连续晴朗干燥天气条件下采集了3个5 d周期内、63处样点的滞尘叶片样品,测试叶片滞尘量和滞尘颗粒物粒度,利用ArcGIS讨论叶片滞尘量和滞尘颗粒粒度的空间分布及空间变异特征.结果显示,石家庄市大叶黄杨叶片平均滞尘量为0.3843 g·m-2·d-1 (变化于0.09310.9155 g·m-2·d-1),滞尘颗粒物粒度均值为1.9185μm(变化于1.30672.2500 μm),98.27%的颗粒小于10 μm,表明大叶黄杨叶片在城市近地表环境中对可吸入颗粒物有较好滞留性能,对行人呼吸健康有益.空间变异性分析表明,大叶黄杨叶片滞尘量和滞尘颗粒物粒度均具有空间自相关性,其中滞尘颗粒物粒度的块金值/基台值更小,即空间自相关性更强,表明滞尘颗粒物尺度除受局地污染源影响外,叶片表面属性因素起更重要作用;而滞尘量相对较大的块金值说明局地小尺度过程的影响不容忽视,即更易受到局地起尘源的影响.通过PM1、PM2.5、PM5、PM10等不同粒级颗粒物的分析表明,颗粒物越细其空间分布差异越大,这种细颗粒物的空间变化为进一步探讨城市不同地区人对大气颗粒物的暴露风险研究提供了基础.     

基于气相/液相色谱-高分辨率质谱联用技术的非目标化合物分析方法研究进展

近10多年来随着色谱(气相色谱和液相色谱)和高分辨率质谱联用技术以及相关数据处理软件和数据库的发展,使得高通量的非目标化合物分析方法得以实现,并在环境研究、食品监管、药物研发以及生物代谢物研究等领域得到日益广泛的应用.本文综述了基于气相/液相色谱-高分辨率质谱联用技术的非目标化合物分析方法的研究进展,包括其分析方法策略、流程及其在环境研究领域的实际应用情况,并探讨了该方法所存在的问题和发展前景,为环境中的新兴污染物及其代谢转化产物、关键致毒物的甄别、环境健康风险评估等提供一种新兴的高通量分析鉴别技术.     

柳州市大气颗粒物中多环芳烃的分布特征及来源

采用气相色谱/质谱联用技术(GC/MS)检测了柳州市大气颗粒物样品中的PAHs,比较了柳州市各区大气颗粒物中多环芳烃含量的差异以及不同季节对多环芳烃含量的影响,讨论了其分布规律及污染源。     

张家口市一次沙尘天气气溶胶单颗粒理化特征和来源研究

为了从单颗粒角度了解沙尘天气颗粒物特征和来源,利用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪(SPAMS)对张家口市2016年春季一次沙尘天气期间的气溶胶颗粒进行了化学组分、粒径分布和来源的分析。根据颗粒的质谱图特征,将其分为沙尘(Dust)和非沙尘(Non-dust)颗粒两大类,两者占比分别为12.9%和87.1%。Dust颗粒粒径主要分布在0.5~1.1μm,包含沙尘-铝(Dust-Al)、沙尘-硅(Dust-Si)、沙尘-金属(Dust-metal)、沙尘-钙(Dust-Ca)颗粒4个主要子类别,比例均超过20%,表现出明显的矿尘颗粒特征。非沙尘类颗粒分布在0.4~0.8μm粒径段,包含4个子类别:含碳(Carbonaceous)、富钾(K-rich)、工业金属(Industrial Metal)和其他颗粒(Other)。结合后向轨迹分析,沙尘颗粒可能主要来自新疆、蒙古、内蒙古等地区的沙尘源,少部分来自当地、山西等地的矿尘源、工业源;非沙尘颗粒可能主要来自当地及周边地区工业排放和燃煤;Dust颗粒的NO_3~-/HSO_4~-(颗粒数)比值为1.31,颗粒老化程度较高。含Cl的Dust颗粒物占比为32%,说明颗粒中混有人为组分。研究结果表明SPAMS可用于沙尘天气颗粒物理化特征和来源的在线分析,可为沙尘防治提供参考信息。     

植物叶片对不同粒径颗粒物的吸附效果研究

在中国北方雾霾天气日益严重的今天,植物通过吸附大气中的颗粒物进而减缓颗粒物污染情况。为研究植物叶片对不同粒径颗粒物的吸附能力,通过对同一区域内的城市道路和校园绿地上的大叶黄杨(Buxus megistophylla)、洋白蜡(Fraxinus pennsylvanica)和毛白杨(Populus tomentosa)进行研究,测定其叶表面和蜡质层对大气中粒径为10~100、2.5~10和0.2~2.5μm的颗粒物的单位叶面积吸附量。研究结果表明:不同植物叶片吸附颗粒物能力差异显著,3种植物中大叶黄杨吸附颗粒物的能力最强,毛白杨与洋白蜡吸附颗粒物的能力相近,洋白蜡叶表面易到达最大饱和滞尘量;道路上的植物叶片吸附颗粒物总量高于校园内的植物,两者滞尘量的差异主要体现在吸附10~100μm粒径的颗粒物上,局地环境会影响叶片滞尘量;不同植物叶片对10~100、2.5~10和0.2~2.5μm粒径的颗粒物吸附百分含量分别在75.4%、15.8%和8.9%左右,植物种类对叶片表面吸附不同颗粒物所占比例无影响;大叶黄杨在道路上吸附颗粒物总量最大,为139.86μg·cm~(-2),它的蜡质层和叶表面对不同粒径颗粒物吸附量均最高,能够有效降低城市中的大气颗粒物,是优良的城市绿化树种。     

园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律

为研究常用园林植物滞留大气颗粒物的能力,本文以北京市常用园林植物为例,应用直接采样、电镜分析和统计分析的方法,对选定园林植物滞留不同粒径大气颗粒物的特征及规律进行了系统分析。结果表明：（1）园林植物滞留的颗粒物形状为不规则块体、球体和聚合体,通过对比分析得出,滞留大气颗粒物能力由高到低的微形态结构依次是蜡质结构〉绒毛〉沟槽〉条状突起,并且这些微形态结构越密集、深浅差别越大,越有利于滞留大气颗粒物。（2）以园林植物叶片滞留颗粒物的数量进行统计时,得出园林植物叶片表面大部分为PM10（Dp≤10μm）,均在98%以上,而PM2.5（Dp≤2.5μm）均在90%以上,粗颗粒物（Dp〉10μm）的数量对总体数量的贡献非常小,均在2%以下;以体积进行统计时,得出PM10的体积在总体积中的比例在50%以上,对颗粒物总体积贡献最大,滞留的PM2.5体积占总体积8.5%-17.6%,粗颗粒物（Dp〉10μm）体积占总体积20%以上。（3）对园林植物滞留颗粒物累积规律分析得出：在相同观测叶面积下,园林植物滞尘10 d的叶表面颗粒物数量较滞尘5 d的叶表面颗粒物数量均有所增加,增幅最大的是小叶黄杨（Buxus microphylla）,增幅最小的是月季（Rosa chinensis）,通过方差分析得出绦柳（Salix matsudana f.pendula）叶表面颗粒物数量显著低于除银杏（Ginkgo biloba）之外的其它7种树种,大叶黄杨（Euonymus japonicus）、小叶黄杨和国槐（ Sophora japonica）叶表面滞留颗粒物的数量较多,并且显著高于月季、银杏和绦柳叶表面滞留的颗粒物数量;滞尘10 d后园林植物叶表面滞留的颗粒物的总面积均未超过观测叶面积的25%,至于叶片持续滞留颗粒物多少天后达到饱和状态仍需进一步研究。