Applications of magnetic nanoparticles in surface-enhanced Raman scattering (SERS) detection of environmental pollutants

Environmental pollution, a major problem worldwide, poses considerable threat to human health and ecological environment. Efficient and reliable detection technologies, which focus on the appearance of emerging environmental and trace pollutants, are urgently needed. Surface-enhanced Raman scattering(SERS) has become an attractive analytical tool for sensing trace targets in environmental field because of its inherent molecular fingerprint specificity and high sensitivity. In this review, we focused on the recent developments in the integration of magnetic nanoparticles(MNPs) with SERS for facilitating sensitive detection of environmental pollutants. An overview and classification of different types of MNPs for SERS detection were initially provided, enabling us to categorize the huge amount of literature that was available in the interdisciplinary research field of MNPs based SERS technology. Then, the basic working principles and applications of MNPs in SERS detection were presented. Subsequently, the detection technologies integrating MNPs with SERS that eventually were used for the detection of various environmental pollutions were reviewed. Finally, the advantages of MNP-basedSERS detection technology for environmental pollutants were concluded, and the current challenges and future outlook of this technology in practical applications were highlighted. The application of the MNPsbasedSERS techniques for environmental analysis will be significantly advanced with the great progresses of the nanotechnologies, optics, and materials.     

污染场地调查动态追补钻井点位的方法研究

污染场地中的污染区域较小,但污染物的空间变异性大,污染土体较深,因而在场地调查中通常需采集场地钻井数据进行三维模拟.为了准确估计场地土壤污染物的空间分布和需修复的污染土方量,提出了场地污染调查补充采样钻井点位布设的优化方法.在初始采样的基础上,首先利用克里格方法预测场地中土壤污染物的克里格方差,基于克里格方差估算置信度,再结合场地置信度和场地污染物含量的空间分布确定场地的最大不确定性点,并将该点作为下一阶段补充采样点,以实现逼近式动态追补钻井点位的布设.最后,以某硝基苯污染的工业场地为例对该方法进行验证.结果表明:场地中硝基苯的空间变异性大,增加采样点会显著减少基台值,提高研究区总体的置信度,同时减少总体的不确定性.在项目经费约束条件下,不确定性减少65%时,需要至少增加采样点10个.10个样点的增加使得总体估值方差降低了40%,同时总体的估计精度提高了22.4%.案例结果验证了该方法在单一类有机污染场地中的可行性和适用性,能够在保证场地污染调查精度的同时,显著降低样本量,实现场地调查的成本-效益最大化.     

中国西部背景地区PM2.5化学组分特征及其对大气散射系数的影响

于2009年春、夏和秋季在全球大气本底基准监测站青海瓦里关同步观测了PM_(2.5)中主要化学成分和大气散射系数(bsp).结果显示,观测期间瓦里关PM_(2.5)浓度年均值为(12.6±12.0)μg·m~(-3),显著低于国家年均值标准.总水溶性无机离子和碳气溶胶浓度分别为(1.7±1.6)μg·m~(-3)和(3.2±1.0)μg·m~(-3),分别占PM_(2.5)浓度的16.5%和25.4%.基于IMPROVE经验公式,瓦里关bsp最主要的贡献因子是有机物(OM)和土壤尘(FS),贡献率分别达到48%和28%,其它组分对bsp的贡献率均小于10%.     

土壤包气带含水率对氯代烃垂向迁移影响的模拟研究

氯代烃类挥发性有机物在土壤包气带中的垂向迁移是该类污染物呼吸暴露风险的重要途径.为探究氯代烃在土壤包气带中的垂向迁移规律,通过室内土柱模拟试验,研究土壤包气带含水率对不同氯代烃〔TCE(三氯乙烯)、PCE(四氯乙烯)〕气相扩散速率的影响,并通过线性拟合筛选出更准确的气相有效扩散系数预测模型.结果表明,土壤含水率与氯代烃气相有效扩散系数呈显著负相关〔R=-0.89,P < 0.01,n=7(TCE);R=-0.86,P < 0.01,n=7(PCE)〕.随着土壤含水率由0.5%增至40.0%,TCE气相有效扩散系数(D_T)由0.035 9 cm2/s降至0.002 5 cm2/s,平衡时间由13 h增至91 h,平衡时气体浓度由4.22 g/m3降至0.31 g/m3;PCE气相有效扩散系数(D_P)由0.033 9 cm2/s降至0.001 1 cm2/s,平衡时间由15 h增至103 h,平衡时气体浓度由3.01 g/m3降至0.12 g/m3.与Penman模型、Marshall模型模拟值相比,Millington-Quirk模型模拟值与氯代烃气相有效扩散系数实测值的拟合程度更好(R>0.95,P < 0.01,n=7).研究显示,土壤包气带含水率的增加对氯代烃气相扩散有明显的抑制作用.      

霾污染环境大气能见度参数化方案的改进

霾污染是高浓度大气气溶胶造成低能见度的大气现象,为了完善目前空气质量模式的大气能见度参数化方案,以准确地预报霾污染过程的能见度变化,基于已有的大气总消光系数与大气能见度的关系,依据Mie理论和大气分子的消光特性,计算颗粒物和NO₂的消光系数,提出一种改进的大气能见度参数化方案.为了验证这一改进的参数化方案的大气能见度预报性能,①利用空气质量模式WRF-Chem3.7模拟2013年12月南京地区两次霾污染个例,并且与实际观测数据对比,证实其能够准确地模拟大气颗粒物和NO₂的浓度变化;②利用模拟的大气颗粒物和NO₂的浓度数据,分别采用改进的能见度参数化方案及已有的IMPROVE方案和CHEN的能见度参数化等3个方案,计算两次霾污染个例的大气能见度变化;③与观测能见度比较,评估3个能见度参数化方案的模拟准确性。评估表明,改进的参数化方案模拟的两个霾污染个例能见度的平均标准化偏差和平均偏差分别为17.19%、3.18%和517、173 m,并且和观测能见度的相关系数分别提高到0.76、0.87,其能见度模拟的准确性优于其它两种已有的参数化方案,并在不同相对湿度（RH）和能见度范围内改进的参数化方案模拟的标准化平均误差均小于其它两种参数化方案,其中,在RH < 80%和能见度≥ 1 km范围内标准化平均误差均低于50%.研究显示,改进的大气能见度参数化方案能够有效地提高空气质量模式的霾污染环境大气能见度的预报准确性.      

杭州市PM2.5中水溶性离子的污染特征及其消光贡献

对杭州市2013年大气PM_(2.5)进行采样分析,探讨了其中水溶性离子的污染特征和消光贡献.杭州市PM_(2.5)中总水溶性离子的质量浓度为37.5μg·m~(-3),占PM_(2.5)质量浓度的44.4%,二次离子SNA(SO_4~(2-)、NO_3~-和NH_4~+)是水溶性离子的主要成分,共占到水溶性离子的83.4%.PM_(2.5)和主要水溶性离子的质量浓度都在冬季最大,夏季最低,夏秋季水溶性离子占PM_(2.5)的比值明显高于冬春季,而SNA在总水溶性离子中的比例4个季节非常接近.燃料燃烧和汽车尾气排放导致的二次离子生成,对杭州市PM_(2.5)贡献最大.SOR和NOR的年平均值分别为0.27和0.15,SO_2在大气中的转化率大于NO_x,SOR和NOR与相对湿度都呈现出明显正相关,非均相氧化过程对SO_4~(2-)和NO_3~-的生成具有重要贡献.气溶胶中[NO_3~-]/[SO_4~(2-)]的年平均值为0.63,主要受到燃煤排放的影响.霾天随着霾污染等级的逐渐加重,PM_(2.5)、水溶性离子和SNA的浓度都逐渐增大,SOR和NOR值也不断升高,霾天稳定的天气条件,能有效促进污染物的积累和二次转化.PM_(2.5)和SNA的质量浓度与大气消光系数都呈现出明显正相关,使用IMPROVE公式对不同化学组分消光系数的计算结果能够基本反映出气溶胶对大气散射的变化趋势,其结果显示SNA对大气总消光系数的贡献达60.8%.SNA的消光系数冬季最高,夏季最低,随着霾污染等级的加重,SNA的消光系数和对总消光的贡献比例也逐步增加.     

浙江北部一次爆发式发展重度大气污染的气象特点和成因

基于全国空气质量指数和PM_(2.5)监测、常规气象观测、浙江省6种主要大气污染物和自动气象监测、宁波镇海激光雷达、美国国家环境预报中心GDAS和欧洲中期天气预报中心ERA-interim再分析等多种资料,对2017年12月30日―2018年1月1日浙江北部一次爆发式发展大气污染事件气象特点及成因进行分析,应用HYSPLIT4模式进行粒子后向轨迹分析.结果表明:PM_(10)和PM_(2.5)质量浓度在浙江省表现出明显的爆发性增长和自西北向东南传输的特征,污染程度自浙北向浙中、浙南逐渐减轻,重度污染时浙北大范围出现2000 m以下的重度霾,污染粒子主要来自上游的安徽和江苏省.大气污染爆发式发展与冷空气有关,1000 m以下边界层内冷空气偏弱,但足以将盛行风改变为西北风,是污染物粒子输送的动力条件,污染粒子集中在该层内,层内没有下沉运动,因此水平风场对污染事件爆发有决定性作用;1000 m以上层次冷平流表现明显,且伴有下沉运动,抑制了边界层粒子的垂直扩散,对污染事件的发展和维持有间接影响.激光雷达的消光系数变化不仅与污染物粒子浓度变化有关,还与气象条件密切相关.污染物粒子质量浓度通量散度的变化对预报粒子浓度的增减有较好的参考作用.     

体积溶氧传递系数在好氧颗粒污泥系统中的变化特性初步分析

取成熟的好氧颗粒污泥,在同一测试装置中采用相同的曝气条件进行体积溶氧传递系数(kLa)的测试,当传统活性污泥和成熟好氧颗粒污泥浓度MLSS为2 000、4 000、6 000、8 000 mg·L-1时,其kLa(min-1)值分别为0.586 1±0.009 5、0.586 1±0.027 2、0.555 6±0.016 8、0.533 8±0.026 8和0.645 5±0.027 6、0.632 0±0.075 5、0.618 5±0.062 5、0.640 6±0.055 5,表明颗粒污泥kLa值高于同浓度条件下的絮体污泥,且随浓度增加,絮体污泥氧传递效率下降而颗粒污泥无明显变化.对好氧颗粒污泥进行筛分后,大颗粒和小颗粒在污泥浓度相同、体积相同、表面积相同以及个数相同的情况下二者的kLa值均无明显差别,由此可以推断,这些因素对好氧颗粒污泥kLa的影响可以忽略.研究结果对于污水处理厂节能运行具有一定的参考价值.     

强壮前沟藻生消过程中水体的散射特性

基于2011年7月藻类培养实验期间的实测数据,研究了强壮前沟藻生消过程中水体的散射特性.结果表明,强壮前沟藻本次培养周期共21d,前15 d为生长期,之后进入消亡期;生消过程中水体散射光谱变化明显,叶绿素浓度较低时,散射系数随波长增加近似呈幂函数衰减,而叶绿素浓度较高时,蓝绿光波段散射系数随波长增加呈现近似线性增大趋势,红光波段叶绿素强吸收造成的散射谷更明显;生长期和消亡期时,散射系数与叶绿素浓度幂函数回归的可决系数均随波长增加逐渐增大,750 nm波段达到最大值,R2分别为0.95、0.97;生长期时,蓝光波段散射占总散射量的比例逐渐减小,而红光波段逐渐增大,绿光波段变化较小,但基本呈现增大趋势,水色由蓝绿色逐渐变为红褐色,消亡期时,恰恰相反;生长期和消亡期的绿蓝、红蓝、红绿波段散射比与叶绿素浓度均存在正相关关系,说明随叶绿素浓度增加水色逐渐趋近于长波颜色.     

亿元GDP死亡率与区域发展水平的相关性分析

为探讨亿元GDP死亡率与区域发展水平之间的关系,选择能够反映区域整体发展水平,又与安全生产密切相关的影响因素,通过统计年鉴获取大量数据的基础上,从时间和空间2个维度,采用SPSS数据统计软件对亿元GDP死亡率和13个定量影响因素、5个定性影响因素之间的Spearman相关系数进行计算,排除区域发展水平的极度差异,在总体趋势上,亿元GDP死亡率与各相关因素的相关性在时间和空间2个维度上保持较好的一致性。计算结果表明,各地区可从提高经济发展水平、优化产业结构、大力发展科学教育事业、提高医疗卫生水平和健全法制体系等方面降低亿元GDP死亡率,改善当地的安全生产水平,该结论能为各区域控制亿元GDP死亡率,对安全生产进行宏观调控提供科学依据。