Aerosol optisk pincet fremmer forståelsen af ​​luftbårne partikler

To undersøgelser ledet af fakultetet i Carnegie Mellon Universitys Center for Atmosfæriske Partikelstudier viser, hvordan aerosoloptisk pincet kan give forskere mulighed for at granske atmosfærens komponenter med ny præcision.

"Hvad dette giver os mulighed for, virkelig for første gang, er direkte sonde og forstå, hvordan partikler udvikler sig i atmosfæren, " sagde Ryan Sullivan, lektor i kemi og maskinteknik, som er den første videnskabsmand i Nordamerika, der gør brug af optisk pincetteknologi til at studere aerosolpartikler suspenderet i luft.

Optisk pincet udnytter de små kræfter, som lyset udøver, til at fange og forsigtigt manipulere små partikler eller dråber. Arthur Ashkin vandt 2018 Nobelprisen i fysik for at udvikle denne teknik. I aerosol optisk pincet (AOT), individuelle partikler svæver blidt, eller "tweezed, "i en laserstråle, mens et Raman-vibrationsspektrum af partiklen opsamles ved hjælp af det samme laserlys.

"Med andre teknikker, du får et statisk øjebliksbillede af partiklen, "forklarede Sullivan. Men med AOT, forskere kan se den samme partikel i timevis, mens den ændrer sig som reaktion på forskellige stimuli, hvilket er en meget mere realistisk måde at observere, hvordan de kan opføre sig i den virkelige atmosfære.

"Partikler flyder rundt i atmosfæren i mindst en uge i gennemsnit, " sagde Sullivan. "De er så dynamiske - deres sammensætning og andre egenskaber udvikler sig konstant."

Denne evolution kan ikke kun resultere i ændring af partikler, der udsendes til atmosfæren fra Jorden, men i helt nye, der er ved at blive dannet. Sekundære organiske aerosoler (SOA'er) er molekyler dannet direkte i atmosfæren fra oxidation af organiske molekyler, som dem, der udsendes af træer, køretøjer og forbrugerprodukter. Disse partikler er en vigtig, men meget variabel bestanddel af atmosfæren og kan have virkninger på forurening, luftkvalitet, skyer og klima, og menneskers sundhed.

I en undersøgelse fra 2017 i tidsskriftet Miljøvidenskab og -teknologi , Sullivans laboratorium fangede og analyserede sekundær organisk aerosol for første gang med AOT. Han blev assisteret af Neil Donahue, professor i kemi og kemiteknik, og Kyle Gorkowski, en postdoc-forsker ved McGill University, der arbejdede på sin ph.d. under Sullivan og Donahue.

"Det er meget komplekst materiale, "Sullivan sagde om arbejdet med SOA, som de genererede direkte i AOT-kammeret fra ozon, der reagerede med den organiske damp α-pinen, et terpenmolekyle frigivet af træer. "Du vil få snesevis eller hundredvis af forskellige kemiske produkter som et resultat - det er som en løbsk kædereaktion med alle mulige former for forgrening." Denne SOA er en vigtig bestanddel af atmosfærisk partikelstof, og AOT-tilgangen giver en unik måde til direkte at studere dens egenskaber og kemi.

Ved at bruge deres tweezede SOA-partikler, Sullivan og hans samarbejdspartnere offentliggjorde en undersøgelse året efter i tidsskriftet Miljøvidenskab:Processer og påvirkninger rapporterer deres nye metode til at analysere egenskaberne og morfologien af ​​partikler, der adskilles i to separate kemiske faser baseret på Raman-spektrene indsamlet fra AOT. I de fleste tilfælde dannede SOA en separat skalfase omkring en anden kernefase, og deres nye analyse gjorde det muligt for dem at bestemme egenskaberne for begge faser, når de ændrer sig gennem fortsatte kemiske reaktioner.

Resultaterne var den første direkte bekræftelse af, hvad forskere havde mistænkt om SOA-dråber - at de ville "fase adskilles" i atmosfæren, danner en kerne af vandigt eller hydrofobt organisk materiale omgivet af en skal af oxideret sekundært organisk materiale.

Det er vigtigt at forstå den nøjagtige morfologi af SOA'er, Sullivan bemærkede, fordi det, der er på overfladen af ​​en partikel, kan bestemme, hvor let den reagerer med andre gasser, vanddamp og lys i atmosfæren. For eksempel, mange vigtige sporgasser i atmosfæren reagerer meget hurtigere med vandige faser end med organisk materiale.

"Hvis jeg er et molekyle, der virkelig ønsker at reagere med vand, og jeg må grave og diffundere gennem denne organiske skal, Jeg når måske ikke den vandige fase, som jeg vil reagere med i tide, ", forklarede Sullivan. Disse organiske skaller kan således lukke ned for vigtige gas-partikel-reaktioner.

I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Chem , Sullivan, Donahue og Gorkowski genoptog eksperimenterne bag holdets 2018-arbejde, der viste faseadskillelse af SOA, men under andre forhold.

"Vi ønskede at se, om de konklusioner, vi havde draget om faseadskillelse og morfologi for sekundær organisk aerosol ved højere relativ luftfugtighed holdt ved lavere relativ fugtighed, når der er mindre vanddamp omkring, " sagde Sullivan. "Og det gør de."

Desuden, undersøgelsen kompilerer resultater og observationer fra tidligere forskning for at opbygge en forudsigelig formel for, hvornår en faseadskillelse vil forekomme, når forskellige organiske materialer oxideres under forskellige forhold, og hvad morfologien af ​​den resulterende komplekse faseseparerede partikel inklusive SOA ville være. Sullivan mener, at denne nye indsigt kan inkorporeres i nuværende kemiske modeller, der forudsiger adfærd og udvikling af atmosfæriske partikler over globale skalaer.

I en anden ny undersøgelse, Sullivan, Gorkowski, og Hallie Boyer, en assisterende professor i maskinteknik ved University of North Dakota og tidligere postdoktor ved Carnegie Mellon, udviklet en teknik til præcist at måle pH-værdien af ​​tweezed dråber for at bestemme deres surhedsgrad. Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Analytisk kemi .

"Dråbernes pH er et stort åbent spørgsmål i partiklernes atmosfæriske kemi, fordi surhed er en så nøgleegenskab for stort set al kemisk adfærd, " sagde Sullivan. Egenskaben kan ikke kun påvirke, hvordan og hvis der opstår reaktioner mellem forskellige partikler, men det kan også afgøre, om en partikel ender med at blive fasesepareret eller ej.

Mens bestemmelse af pH ikke er en vanskelig proces under normale omstændigheder, måling af det direkte fra suspenderede picoliter-aerosolpartikler har udfordret det atmosfæriske kemiske samfund i årtier, bemærkede Sullivan. I særdeleshed, den høje koncentration af ioner i atmosfæriske partikler får ionerne til at interagere med hinanden mere end i de fleste stoffer, producerer "ikke-ideelle" kemiske interaktioner, der kan ændre dråbens surhedsgrad væsentligt.

Ved at kombinere to forskellige stykker information, der er unikt bestemt ud fra partiklernes Raman vibrationsspektre, holdet var i stand til at udvikle en teknik til at overvinde disse udfordringer og måle pH-værdien af ​​hver dråbe direkte med høj nøjagtighed. Ud over, de var i stand til at spore ændringer i dråbens pH. I det kommende arbejde, de demonstrerer også evnen til at observere ændringer i pH-værdien af ​​både kernen og skallen af ​​faseseparerede partikler uafhængigt over tid.

Med alle værktøjerne nu på plads, Sullivan ser frem til at bygge videre på alt dette aerosol-optiske pincetarbejde ved at bruge teknikken til at studere en lang række partikler og kemiske interaktioner i Jordens atmosfære på en realistisk måde.

"Den optiske pincet giver os mulighed for for første gang direkte at undersøge den dynamiske udvikling af alle disse kritiske egenskaber ved atmosfæriske partikler, og hvordan de feedbacker på hinanden, efterhånden som hver partikel fortsætter med at udvikle sig, " sagde Sullivan.