基于热挥发性分离技术研究大气颗粒物的化学组分和氧化活性

The cytotoxicity of aerosol particles is related to the oxidative potential, while the oxidative potential is dependent on the chemical composition of the aerosol particles. This project will focus on the chemistry and oxidative potential of the laboratory-made straw-burning particles and of the ambient particles in urban Shanghai. We will employ a thermodenuder (TD) to segregate the thermal volatility-resolved chemical components. The changed chemistry of the particles during the segregation will be measured by online single particle aerosol mass spectrometry (SPAMS). The changed oxidative potential of the filter-sampled particles will be characterized by measuring the particle-bound reactive oxygen species (ROS) by DCFH assays and measuring the particle-induced ROS production by DTT assay. The proposed research work will reveal the relation between the TD-segregated chemical component and the aerosol oxidative potential. The characteristic TD-SPAMS signals for the aerosol particles with great oxidative potential will be found in this work. Thus, the signals will be used as the marker for qualitative and partly quantitative quick measurement for aerosol oxidative potential, providing new support for deeper understanding the health effect of the atmospheric aerosol particles.

大气气溶胶颗粒物的潜在细胞毒性与大气颗粒物的氧化活性有关，而氧化活性又取决于颗粒物的化学组成。本项目拟针对秸秆生物质燃烧颗粒物及上海城市大气颗粒物，基于热解析仪（TD）对大气颗粒物的不同热挥发性组分的在线分离，结合在线质谱检测和离线氧化活性检测，通过比较分析不同温度加热前后颗粒物的质谱与氧化活性的变化，研究颗粒物上不同热挥发性的化学组分及这些化学组分对颗粒物氧化活性的影响。在线质谱检测使用单颗粒气溶胶质谱（SPAMS）；离线氧化活性检测使用基于膜采样的DCFH荧光探针法和DTT分子探针法，分别检测颗粒相活性氧物质（ROS）含量和颗粒物诱导产生ROS的能力。研究工作将构建大气颗粒物化学组分与氧化活性的对应关系，在此基础上，找出可用于定性或半定量检测大气颗粒物氧化活性的TD-SPAMS特征质谱信号，从而有助于深入认识大气颗粒物的健康效应。

大气颗粒物的潜在细胞毒性可以用其氧化潜势（即产生ROS的能力）来表征，本项目旨在剖析氧化潜势与颗粒物的复杂化学组分的关联。本项目主要使用二硫苏糖醇耗损法、模拟肺液中羟基自由基捕获法等方法检测了大气PM2.5的单位质量氧化潜势，并对此氧化潜势进行了与PM2.5各化学组分质量分数的相关性分析；又提取了PM2.5中的类腐殖质物质(HULIS)组分并检测了HULIS本身的氧化潜势，以研究HULIS的潜在毒性；还通过上海城郊站点臭氧长时间监测分析，在多时间尺度上探究了大气颗粒物的二次有机组分与大气氧化性的变化特征。.研究结果发现在PM2.5浓度较高时，PM2.5的单位质量氧化潜势反而下降，主要是由于SNA等无机组分在PM2.5中的较高占比，而氧化潜势主要由金属及有机组分引起；不同有机物对PM2.5氧化潜势的贡献各不相同，HULIS是引起氧化潜势提升的一个重要有机组分；通过对HULIS组分本身氧化潜势的分析研究，发现当PM2.5浓度处于较低水平时，存在着一类特殊的具有较高氧化潜势的HULIS，且具有较强的吸光性，属于棕色碳物质；通过成因与来源分析，这类特殊的HULIS与生物质燃烧排放无关，可能是大气液相反应所形成；本研究还发现在PM2.5浓度下降臭氧污染越发严重的情况下，高浓度的SOC在日间与夜间均有出现，SOC与大气氧化性的相关性在逐年增强；结合WRF-CMAQ模式研究，发现上海城郊（淀山湖）的臭氧主要源于区域传输，使该地大气氧化性很强，从而氧化生成SOC。.本项目的研究结果表明：相比于PM2.5浓度，PM2.5化学组分分析对于评估PM2.5潜在毒性更为重要；即使在PM2.5浓度水平较低的情况下，一部分HULIS也很有可能对周围的大气环境和人体健康产生潜在的重要影响；臭氧污染会造成高氧化的二次有机组分增多，从而增强PM2.5潜在毒性，再次表明了协同控制臭氧与PM2.5的重要性。