【研究成果】微觀世界的舞者:光學鉗與拉曼光譜解析大氣硫氧化氣溶膠的奧秘!

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 通過光學鉗技術,研究人員可以捕捉氣溶膠(Aerosol)微粒。當光學鉗(Optical Tweezers)的雷射光照射到微粒上時,微粒中的分子同時會散射拉曼光譜(Raman Spectra)信號,通過分析拉曼信號的變化,以研究氣溶膠微粒表面和體相化學反應之間的聯合動力學(coupled surface and bulk kinetics)。

在空氣中翩翩起舞的微小的氣溶膠雖然微小,卻深深影響著我們的日常生活和全球氣候。研究它們的物化性質對於了解空氣品質、氣候變化和疾病傳播至關重要。中山大學化學系張元賓助理教授研究團隊,近期藉由比較與測量氣溶膠動力學模型探討表面臭氧動力學,試圖找到改善未來的關鍵。

氣溶膠(Aerosol)

當我們仰望藍天時,我們所看到的不僅僅是一片廣闊的蒼穹,還有無數微小而神秘的微粒正在其中穿梭,這些懸浮微粒被稱為「氣溶膠 (Aerosol)」。它們雖然微小,卻在大氣化學中扮演著重要的角色,這些微粒不僅可以影響大氣的能量平衡和能見度,還可以成為化學反應的場所。最近,國立中山大學化學系張元賓助理教授研究團隊的一項研究,通過結合光學鉗技術和拉曼光譜,成功地深入探索了氣溶膠微粒中的化學過程,揭示了這個微觀世界的奧秘。

光學鉗(Optical Tweezers)與拉曼光譜(Raman Spectra)

光學鉗(Optical Tweezers)是一種使用激光束產生的光學力來捕捉和操作微小物體的技術。他們團隊使用光學鉗技術在這項研究中捕捉和操作微小的氣溶膠粒子,使其受到光學束的束縛,就像是一種微型的「鉗子」。這使他們更加精確地觀察和控制這些微小的粒子,通過這種技術,他們能夠在微觀層面上深入研究這些微粒中的化學過程。拉曼光譜技術(Raman spectroscopy)是一種通過分析光的散射,我們可以了解分子的結構和化學鍵。在這項研究中,研究人員使用拉曼光譜來“看見”微小氣溶膠微粒中的化學反應。

將這兩種技術結合在一起,通過光學鉗技術,研究人員可以固定微粒,使其處於一個穩定的狀態。接著,當光學鉗的激光照射到微粒上時,微粒中的分子同時會散射拉曼信號,通過分析拉曼光譜變化,研究人員可以更全面地了解微粒中所發生的化學變化,就像是通過一個微小的窗戶,窺探著微粒內部的世界。

大氣硫氧化作用

大氣中的硫氧化作用對於大氣組成和氣候系統有著深遠的影響。硫氧化作用主要涉及硫化合物的氧化,這些硫化合物來源於自然界和人類活動,如火山爆發、化石燃料燃燒等。硫氧化作用和氣溶膠之間有著密切的關係,硫酸氣溶膠對大氣中的光學特性、雲的形成、空氣質量和氣象過程都有著顯著影響。

在這項研究中,中山化學張元賓助理教授研究團隊選擇了硫代硫酸鈉與臭氧的氧化反應作為模型系統,以此來模擬氣溶膠中的硫氧化,而大氣的氣溶膠內的有機成分則以蔗糖來代表。利用氣溶膠光學鉗技術結合拉曼光譜來探索硫代硫酸鈉/蔗糖混合微滴在與氣態臭氧作用下的氧化反應動力學,以及與氣溶膠本身的物理特性與化學成分的相關聯。

氣溶膠動力學模型研究動力學觀測結果

為了更深入地理解這些反應,研究人員還進行了數據模擬。他們使用了大氣化學領域近年來發展的氣膠表面和體相化學多層動力學模型(Kinetic Multilayer Model of Aerosol Surface and Bulk Chemistry),這個模型能夠模擬氣溶膠表面和本體中的化學過程與質量傳遞。通過比對實驗數據和模擬結果,在高離子強度下,硫氧化的速率受到界面反應的主導,而在水滴的離子強度達到約40 M時,即霾害氣溶膠的量級,界面反應速率增加了一個數量級。這意味著在高離子濃度下,界面反應在硫氧化過程中發揮著重要作用。除此之外,他們還通過測量氣溶膠內的硫代硫酸鈉被臭氧藉由界面反應消耗的速度,以得知不同組成的微水滴在不同濕度下的黏度,這展示了動力學方法在評估氣膠物化特性上的應用價值。

研究團隊在這項研究中運用了精密的光學鉗技術,將單一微小氣溶膠粒子捕捉住,並利用拉曼光譜分析技術深入探索了大氣硫氧化過程中氣溶膠微粒的化學反應過程。這個研究為我們打開了一扇通向微觀世界的窗戶,通過這扇窗戶,我們能夠更清晰地看到氣溶膠在大氣中的重要作用,同時也為環境保護和大氣污染治理提供未來研發的方向。

 


參考文獻

[1] Shao-Hong Hsu, Feng-Yu Lin, Genin Gary Huang, and Yuan-Pin Chang. Accelerated Sulfur Oxidation by Ozone on Surfaces of Single Optically Trapped Aerosol Particles. J. Phys. Chem. C 2023, 127, 13, 6248–6261. DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c06831

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