近日，本课题组的研究成果《Development of a Monitoring System for Semicontinuous Measurements of Stable Carbon Isotope Ratios in Atmospheric Carbonaceous Aerosols: Optimized Methods and Application to Field Measurements》于2020年10月发表在国际化学分析顶级期刊Analytical Chemistry上，通过结合半连续有机碳/元素碳（OC/EC）分析仪与在线光腔衰荡光谱仪（OC/EC分析仪-CRDS），开发了新的总碳同位素在线测量系统，并将此系统应用在大气气溶胶实际观测上。本课题组林煜棋教授为第一作者，章炎麟教授为通讯作者，该研究得到了国家重点研发计划（2017YFC0212700）、国家自然基金（41977305）、江苏省自然科学基金（BK20180040）和江苏省双创团队支持。
碳质气溶胶在城市污染大气中占大气细颗粒物（PM2.5，空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物）主要部分（20-50％）。总碳（TC）气溶胶主要由碳原子的混合物复合组成，可以分为两个主要部分：一个是有机碳（OC），另一个是元素碳（EC）。OC主要来自挥发性有机化合物（VOC）的一次来源和二次转化，而EC则主要来自不完全燃烧过程，例如车辆排放，工业加工，生物质燃烧（BB）和煤炭燃烧。碳质气溶胶会影响人体健康外，还会造成地球气候的变化。
碳同位素(d13C)可用来追溯大气碳质气溶胶的污染来源与行为，虽然在过去，许多研究已利用此项技术针对碳质气溶胶的污染来源及大气行为程序进行调查，但由于大多数的相关研究所提供的都是低时间分辨率(一个样品采样时间多为12至24小时)的样品分析结果，无法得知在短时间内碳质气溶胶的污染程序。因此，本研究建立了OC/EC分析仪-CRDS系统进行操作条件测试，并针对北京地区秋季的总碳气溶胶的浓度与其d13C进行在线观测。结果表明利用本系统配合Keeling approach的计算，可有效地量测大气气溶胶(³5 mgC)中d13C，提供高准确度(< 0.1 ‰ )与精确度(< 0.1 ‰)的碳同位素数据。随后，本研究利用此套系统于2019年8月30至9月20日针对北京地区大气PM2.5中总碳(TC)与其同位素(d13C-TC)进行在线观测，提供高时间分辨率样品(2-4 小时)的结果，采样期间，北京地区PM2.5中TC浓度介于0.1至12.0 mg m-3，而d13C -TC值介于−28.2‰至−24.2‰之间，且无明显日夜间的变化(图2)。藉由与各污染源排放TC的碳同位素特征值比对，北京地区PM2.5中的总碳颗粒主要来自于液态燃料的燃烧及C3植物相关污染源的排放(图3)。此外，藉由高时间分辨率的观测结果显示，强降雨会在短时间内移除大气中老化的气溶胶而导致d13C -TC值的下降。总结，本研究所建立的新系统可有效的在线观测大气碳质气溶胶的浓度与其d13C值，提高样品的时间分辨率，有助于追溯碳质气溶胶在短时距内的污染来源变化与其在大气的行为。
图1 本研究OC/EC分析仪-CRDS系统示意图
图2采样期间北京地区TC浓度，δ13C-TC，和其他相关参数时间序列，灰色阴影表示降水事件
图3 （a）北京地区采样期间PM2.5中d13C -TC值日夜变化与（b）中国各城市及（c）各污染源排放d13C -TC特征值
文章链接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c02063