通过红外消光光谱揭示乙二醛水溶胶的吸湿性生长现象

《ACS ES&T Air》：Hygroscopic Growth of Glyoxal Aqueous Aerosol Revealed by Infrared Extinction Spectra

甘油醛水溶液气溶胶的吸湿增长及红外光谱特征研究。采用原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析不同浓度（1-10 wt%）甘油醛溶液生成的气溶胶，发现吸湿后形成二水甘油醛（CH(OH)?)?，水合程度与颗粒尺寸增大同步，在55℃保持40%液态水含量，证实其不均相成核能力，揭示湿度对气溶胶化学的影响机制。

　　本研究通过使用在线傅里叶变换红外光谱技术，探讨了甘油醛（Glyoxal）在高湿度环境下的水合特性。甘油醛是异戊二烯氧化过程中的主要产物之一，它在水中极易转化为完全水合的形式，即二水合甘油醛（(CH(OH)₂)₂）。研究通过雾化不同浓度（1–10 wt%）的甘油醛水溶液，获得了其红外吸收光谱，从而分析了其水合行为和气溶胶的水吸收特性。研究发现，甘油醛水合气溶胶在3600–3000 cm^–1和1200–900 cm^–1区域表现出最显著的红外吸收峰，分别对应于液态水的O–H伸缩振动和甘油醛二水合物的C–O伸缩振动。这些结果表明，甘油醛水合气溶胶具有显著的吸湿性，并且其水合程度会随着湿度和温度的变化而变化。

在高湿度环境下，甘油醛的水合程度会显著增加，从而形成完全水合的甘油醛，即二水合甘油醛。这种水合形式在气溶胶化学中具有重要作用，因为它能够有效参与气溶胶与水的相互作用。例如，气溶胶可以作为云凝结核（CCN），在云的形成过程中发挥关键作用。此外，气溶胶的吸湿性还会影响其尺寸和折射率，进而影响能见度和辐射强迫。研究还指出，随着温度升高，甘油醛水合气溶胶的水含量会有所减少，但在55°C时仍能保持40%的水分，而纯水气溶胶则无法表现出类似的液态水特征。这说明甘油醛水合气溶胶具有特殊的吸湿能力，可能在某些特定的环境条件下表现出显著的化学行为。

研究进一步探讨了不同浓度的甘油醛水溶液在雾化过程中形成的气溶胶的水合和脱水过程。结果显示，随着甘油醛溶液浓度的增加，气溶胶的尺寸也相应增大，这表明吸湿过程对气溶胶的物理特性有重要影响。同时，不同浓度的气溶胶在相同温度下表现出相似的水合比例，说明其在稳态条件下具有相似的组成。然而，当温度升高时，气溶胶中的水分会逐渐减少，这种现象可能与气溶胶的脱水行为有关。此外，研究还观察到，当温度升高到55°C时，甘油醛的二水合物吸收峰有所增强，表明在加热过程中甘油醛的水合物可能发生部分聚合，形成更复杂的水合结构。

这些发现对于理解大气中气溶胶的化学行为和环境影响具有重要意义。甘油醛作为大气中常见的挥发性有机化合物，其水合特性可能影响气溶胶的物理和化学性质，进而影响其在大气中的作用。例如，水合后的甘油醛可能更易参与异质反应，影响大气中碳质气溶胶的形成和演化。此外，甘油醛的吸湿性还可能影响其在大气中的传输和分布，特别是在高湿度环境中，其水合形式可能在气溶胶中占据主导地位，从而影响其光学性质和气候效应。

研究中还使用了多种方法对甘油醛水合气溶胶进行了分析，包括红外光谱、核磁共振（NMR）和粒子尺寸分析。红外光谱用于识别气溶胶中的水合形式和液态水的特征，而NMR则用于研究甘油醛在水溶液中的分子结构。粒子尺寸分析则揭示了气溶胶在不同浓度和温度下的增长行为，表明吸湿过程会显著改变气溶胶的物理尺寸。这些结果表明，甘油醛的水合行为在气溶胶化学中具有不可忽视的作用，特别是在高湿度环境中，其水合形式可能成为关键的化学反应参与者。

研究还指出，尽管实验中使用的甘油醛溶液浓度较高，但在实际大气环境中，其吸湿性可能会受到其他因素的影响，如湿度水平、温度变化和化学成分的多样性。因此，在实际应用中，需要进一步考虑这些因素对甘油醛水合行为的影响。此外，研究还强调了红外光谱在实时监测气溶胶组成和水合状态方面的优势，它能够提供丰富的化学信息，并且具有较高的灵敏度和分辨率。这使得红外光谱成为研究气溶胶水合行为的重要工具，尤其是在复杂的大气化学环境中。

总的来说，这项研究为理解甘油醛在大气中的水合行为及其对气溶胶化学和气候效应的影响提供了新的视角。通过实验观察和光谱分析，研究揭示了甘油醛水合气溶胶的形成机制和水合程度的变化规律，强调了其在高湿度环境中的重要性。这些发现不仅有助于进一步研究大气中气溶胶的物理和化学特性，还可能对环境政策和气候模型的构建提供科学依据。