微液滴发生在大气相关研究中的应用
澳门大学科技学院土木与环境工程系黎永杰副教授使用MicroFab的微液滴发生系统产生不同大小的单组分粒子液滴和混合组分粒子液滴，用于研究相对湿度对混合粒子吸湿性的影响，实验研究经历不同RH循环的混合粒子的吸湿行为变化的结果表明，当大气中的RH循环作用于具有反应性组分的混合粒子时，可能会对它们的吸湿性产生显著影响，这种现象可能会导致其形成产物的光吸收而加剧加热效应，进而影响辐射平衡和全球气候。
介绍
大气颗粒物（PM）在辐射平衡和全球气候中起着重要作用，随着相对湿度（RH）的变化，对气候的直接（如光散射）和间接（如云激活）影响都强烈依赖于颗粒吸水/蒸发的吸湿性生长，然而，对PM的吸湿性的理解受到其化学成分约束较差以及其在大气悬浮液期间的动态二次反应或“老化”的阻碍。单一组分或混合颗粒的吸湿性已被广泛研究，但是反应成分混合粒子的研究上存在着实验室中的模拟条件差距较大的问题。为了模拟气溶胶/云循环，一些实验室研究使用液滴蒸发来研究碳基和还原含氮物质的活性混合物。尽管这些关于光吸收的研究取得了进展，但RH循环对这些混合粒子在反应后的物理化学性质的变化知之甚少、吸湿性的影响仍不清楚。
澳门大学黎永杰团队实验者提出了乙二醛（GLY）和五种不同还原氮物质混合粒子的吸湿性测量，以研究不同混合粒子RH循环反应后的吸湿性变化（如图1所示）。所选择的还原含氮物种包括一种无机盐（硫酸铵AS）、两种氨基酸（甘氨酸GC和甘丙氨酸AL）和两种脂肪族胺（二甲胺DMA和二乙胺DEA），它们都在大气中常见，硫酸铵是大气颗粒中最重要的无机组分之一，在污染地区的浓度高达100 μg m−3；甘氨酸和丙氨酸是云、雾和气溶胶中最常见的两种氨基酸，其浓度为每立方米几十纳克；胺也常见于大气颗粒中，在某些地方，胺的浓度为每立方米几百纳克。
图2为相对湿度（RH）控制系统、电动天平（EDB）和光学观察系统的示意图。单组分和混合粒子生成是通过MicroFab的微液滴发生系统（喷头：MJ-ABL-01，喷头口径：80μm）在散装溶液中实时制备。在它们进入EDB之前，液滴通过感应充电，当粒子在EDB内稳定时，吸水/蒸发通过改变相对湿度来表现，质量变化通过直流平衡电压测量来确定。
为了模拟大气粒子可能经历的相对湿度循环，RH循环中的RH范围设定为从最高RH（在90%到94%之间）到最低RH（RH<10%），实验中，粒子经历了三个不同的相对湿度循环（如图3所示）。在第一个循环中，称为循环A，捕获的液滴被带到最高的RH（在90%到94%之间），并进行一个完整的脱水和水化循环进行吸湿性测量。在第二个循环B中，粒子首先被带到最高RH（在90%到94%之间），然后逐步脱水。在第三个循环，循环C中，引入的液滴首先通过小于5min的快速脱水达到干燥状态（RH<10%），然后进行一个完整的水化和脱水循环，并进行吸湿性测量。
五种混合粒子的吸湿性结果如图4所示，其结果表明，AS/GLY混合粒子的三个RH循环的吸湿曲线表明，反应性乙二醛可能形成在较高相对湿度值下可导致AS早期结晶的产物，尽管产物本身很可能是无定形的，并且可能不具有尖锐的风化点；氨基酸和甘氨酸之间的反应形成的产物在中等高相对湿度条件下降低了混合粒子的吸湿性，特别是在脱水过程中；较低的温度会显著降低吸湿性；DEA/GLY混合粒子蒸发更明显，但DMA/GLY的混合粒子蒸发不明显，这一观察表明气体−在大气颗粒中常见的混合粒子的粒子分配受复杂反应和粒子组分之间的相互作用的影响，包括水，即使没有任何反应，也可能含有一些水溶性半挥发物。
结论
大气颗粒物在其一生中经常经历许多吸水和蒸发循环，特别是通过云循环，实验演示了经历不同RH循环的混合粒子的吸湿行为变化，在脱水过程中，还原含氮物质与甘氨酸混合后的混合颗粒表现出不同程度的吸湿性降低，与GC/GLY相比，AL/GLY混合颗粒可能需要更长的反应时间才能达到平衡，在达到平衡之前，产物的缓慢形成会不断地改变这类混合颗粒的吸湿性，除此之外，脱水过程中开始发生透明度变化的相对湿度值取决于组成，AL/GLY先发生相变化（接近70%相对湿度），GC/GLY最后发生（接近20−30%）。观察到的DEA/GLY混合颗粒的蒸发表明，需要考虑颗粒中混合组分之间的复杂相互作用，包括蒸发和化学反应，以了解它们对大气颗粒物化性质的影响。当大气中的RH循环作用于具有反应性组分的混合粒子时，可能会对它们的吸湿性产生显著影响，这种现象可能会导致其形成产物的光吸收而加剧加热效应，进而影响辐射平衡和全球气候。这一发现需要更多的实验室研究环境气溶胶颗粒中复杂颗粒混合物之间的相互作用，以确定不断变化的环境条件（如本研究中的RH循环或日温度循环）在连接气溶胶化学和气溶胶微物理方面的作用。
参考文献：
[1] Relative Humidity History Affects Hygroscopicity of Mixed Particles of Glyoxal and Reduced Nitrogenous Species[J]. Environmental Science And Technology, 2020, 54(12):7097-7106.
