大气颗粒物中左旋葡聚糖及其异构体的稳定碳同位素分析研究

Biomass burning is an important source of atmospheric carbonaceous particulate matter, mainly in fine size fraction. It enhances the levels of ozone and other gases which impact air radiation balance and has effects on air quality, visibility, regional climate and human health. However, it is still uncertain including the source identification, the physical and chemical processes and the further evolution of combustion products, as well as the contributions of the type of burnt biomass to the organic carbon. This project tends to analyze the stable carbon isotope composition of representative biomass (straw and firewood) and their combustion products under various burning conditions, including: 1) cellulose of plants and levoglucosan and its isomers, tracers of biomass burning produced from combustion particles 2) plant materials and the gas-phase products from combustion and the residue ash, to establish a stable carbon isotope database of biomass burning; to investigate whether levoglucosan has a source-specific isotopic signature and can provide fingerprints for the type of burnt biomass, and the isotopic composition of the anhydrosugars gives more insight into the combustion process, size distribution and its contribution to atmospheric carbonaceous aerosols. It will be useful in improving the air quality and pollution control.

生物质燃烧是大气碳质颗粒物的重要来源，多存在于大气细颗粒物中，对空气质量、能见度、区域气候和人体健康产生影响。但迄今为止，生物质燃烧的来源识别、过程中的物理化学变化、产物在大气中的进一步演化、粒径分布等的影响因素，以及不同燃烧源对大气碳质颗粒物的贡献等，还有待了解。本项目拟全面分析我国有代表性的生物质（秸秆与薪柴），及其在不同燃烧条件下的燃烧产物的稳定碳同位素，包括：1）植物全纤维素与燃烧颗粒物（TSP和MOUDI样品）中有机示踪物左旋葡聚糖及其异构体的稳定碳同位素 2）植物原料和燃烧气体、灰烬的稳定碳同位素，建立生物质燃烧稳定碳同位素数据库；分析生物质和不同燃烧条件下生成的左旋葡聚糖及其异构体的δ13C值的指纹关系；结合植物原料与其余燃烧产物的稳定碳同位素值，探索生物质燃烧的物理化学过程、对大气碳质颗粒物的贡献。用于环境空气质量的改善和污染治理。

纤维素和半纤维素是陆生植物的主要组成成分，左旋葡聚糖是它们的主要热解产物。大气颗粒物中的左旋葡聚糖被广泛地作为生物质燃烧的示踪物。由于生物质燃烧是大气碳质颗粒物的重要来源，对空气质量、能见度、区域气候和人体健康有重要影响。稳定碳同位素技术可很好地用于识别有机化合物的来源、追踪化合物的物理化学变化过程等。本课题将稳定碳同位素技术应用到大气化学领域，建立了基于气相色谱/质谱的生物质燃烧示踪物左旋葡聚糖的稳定碳同位素分析方法。由于左旋葡聚糖极性强，必须进行衍生化，而为了最低程度引入碳原子，摸索出了甲基硼酸+MSTFA二步衍生法，优化的实验条件为反应温度为70°C；反应时间为甲基硼酸60分钟、 MSTFA 120分钟；左旋葡聚糖 : 甲基硼酸 : MSTFA的摩尔比为 1 :1:100 到 1 :1:120 之间；其中衍生剂MSTFA和吡啶的体积比为1 : 3 到1 : 4之间。该法具有较高的重现性和精确度，衍生产物的稳定碳同位素理论计算值和实测值的误差范围在0.09 到 0.36‰，标准偏差在0.22到0.48‰。提取、纯化我国有代表性的农作物秸秆中的纤维素，在搭建的燃烧装置中进行燃烧，考察4个不同燃烧温度对燃烧产物左旋葡聚糖的稳定碳同位素值的影响，发现燃烧过程对13C有富集作用，但燃烧温度对左旋葡聚糖稳定碳同位素值无显著影响。同时，对我国有代表性的农作物秸秆水稻、小麦、玉米等进行了纤维素、半纤维素的提取纯化；并在自搭建的燃烧装置中进行了可控燃烧；利用上述方法分析测定了燃烧产物左旋葡聚糖的稳定碳同位素值，分析纤维素、生物质和不同燃烧条件下左旋葡聚糖的δ13C值的指纹关系，探索生物质燃烧的物理化学过程。用于环境空气质量的改善和污染治理。