气溶胶双微粒的俘获、悬浮、碰并动态过程原位光谱观测

Coagulation between aerosol particles is a key process for PM2.5 beside the reaction between the particles and pollution gas. Such coagulation process incldes contacting, amalgamation, overlay, diffusion, reaction and phase transition between two particles, which determine the size, composition, phase state and reaction kinetics of aerosol. Understanding coagulation is limited because of a lack of effective experimental method. In this project, we try to set up double optical tweezers to trap two particles/droplets. Combined with in-situ Raman tecnnique spectroscopy, the detail coagulation process will be probed between two particles. The advantages of the double optical tweezers are taken of that (1) the composition of two particles can be confirmed,(2) the concentration, size of the droplets can be determined by the stimulation Raman spectra,(3) the coagulation can be controlled, (4) the overlay process of two droplets can be monitored in-situ along the coagulation process. We will use the double optical tweezers to study the detail coagulation process between two droplets, one droplet and one solid particle, and two solid particles in order to understand the process of aerosol from external mixing to internal mixing state.

气溶胶的基本物理化学过程，除了与气相物种进行交换、反应以外，还有一个重要的历程就是气溶胶颗粒之间的碰并过程，包括气溶胶颗粒之间的接触、融合、包覆、扩散、反应、触发相变等细节，这些细节是决定气溶胶尺寸、化学组成、相变、化学反应的关键因素，由于缺乏有效实验手段和观测方法，成为气溶胶领域的薄弱环节。本项目建立可以同时捕获、悬浮、控制两个气溶胶颗粒的光镊技术，开展气溶胶微粒碰并动态过程的原位光谱观测，其优势在于：（1）两个微粒的化学组成可控，（2）液滴的浓度、尺寸可以由灵敏的腔增强拉曼光谱进行时间分辨原位测量，（3）碰并过程可以实现操控，（4）碰并后的复合液滴的动态过程可以原位拉曼检测。本项目针对颗粒物碰并过程涉及的科学问题，建立双光镊技术，实现两个气溶胶微粒的捕获、悬浮、碰并动态过程的原位光谱观测，对液/液、液/固、固/固气溶胶微粒间碰并动态过程进行详细研究，从而揭示气溶胶由外混到内混的机制。

本研究对气溶胶颗粒的碰并、吸湿传质、反应性质、相分离过程、挥发性、风化过程等问题进行了研究，取得了如下成果：（1）利用Tweez 250si光镊系统实现了同时捕获悬浮、捕获多个气溶胶液滴的目的，并观测量液滴间的碰并过程。初步研究了氯化钠、硫酸铵和蔗糖单组分气溶胶颗粒的碰并过程，探究了液滴的相对位置、移动速度和接触时间对这碰并过程的影响。（2）利用红外光谱、拉曼光谱、光镊等多种手段，观测了单组分、多组分气溶胶颗粒的吸湿、传质性质。研究了不同气溶胶颗粒在温度、湿度变化过程中的吸湿性变化，以及组分间的相互作用对气溶胶组成、物质结构和吸湿性的影响。（3）对与大气环境密切相关的反应过程进行了研究，如臭氧与不饱和醇的气相反应、棕碳的反应生成过程、正丁胺与琥珀酸的异相反应，测定了反应过程的动力学参数，探究了不同条件变化对反应过程的影响。（4）利用共聚焦拉曼光谱技术观测了有机/无机混合气溶胶的液液相分离过程，探究了不同条件对气溶胶相分离的影响且具体分析了发生相分离后液滴中的物质分布情况。另外，利用光镊耦合腔增强拉曼光谱的手段，通过分析耳语回音模信号的变化，建立了对液滴相分离状态的判别方法。（5）采用ATR红外光谱观测了无机/无机混合体系的风化、结晶过程，研究了蔗糖、甘油等有机气溶胶在不同有机/无机比例下风化性质的差异，并进一步对各体系的成核速率进行了计算。（6）利用红外及光镊手段研究了气溶胶的挥发性问题，对弱酸置换强酸的的过程、甘油在悬浮/沉积液滴间的分配、醋酸镁液滴的挥发及组成演化过程进行了具体研究讨论。（7）利用红外光谱对气溶胶体系的结构演变进行了观测，研究了不同体系中甘油、乙二醇的构型转变及醋酸根离子的结构变化（8）建立了气溶胶折射率、消光系数计算的新方法。提出了三种基团贡献模型，能够很好地预测已知组成的有机气溶胶的光学性质。