在生物质燃烧产生的单纳米颗粒中，经过二氧化硫（SO2）处理后，其粘度会随湿度变化而变化，并且表现出吸湿性

《Journal of Environmental Sciences》：Humidity-dependent viscosity and hygroscopicity after aging with SO 2 of biomass burning single nanoparticle

基于光子芯片高对比成像技术，研究了不同有机无机干质量比下KCl与葡萄糖混合纳米颗粒的湿度依赖粘度，提出粘度反演方法，验证了老化后粘度与Aerosol Inorganic-Organic Mixtures Functional groups Activity Coefficients Viscosity模型预测的一致性，发现有机组分延缓HCl挥发和K?SO?形成，并比较了单组分与混合颗粒的老化后吸湿增长因子差异。

　　

杨波|谢志波|桂华桥|张斗国|刘建国

安徽医科大学生物医学工程学院，中国合肥230032

摘要

尽管理解纳米粒子的物理化学性质对于研究其对气候和健康的影响至关重要，但关于由有机和无机盐组成的纳米粒子的粘度以及与可溶性污染气体相互作用下的老化过程的信息仍然很少。在这项研究中，我们利用光子芯片实现的高对比度成像设备，测量了不同有机与无机干质量比（OIR）下KCl和葡萄糖纳米粒子的吸湿生长因子（GFs）。此外，我们还提出了一种粘度检索方法，根据阿伦尼乌斯混合规则和Zdanovskii-Stokes-Robinson方法，量化了不同相对湿度（RH）下纳米粒子的粘度。而且，吸湿后的粘度值与气溶胶无机-有机混合物功能基团活性系数粘度模型的预测曲线几乎完全一致。此外，老化后的混合颗粒中除葡萄糖以外的成分的吸湿GFs略高于单一组分KCl的GFs。这可能是由于有机成分的粘度导致HCl气体的挥发延迟以及K?SO?的形成。例如，在90%相对湿度下，OIR为1:3、1:1和3:1的老化混合物的计算GFs分别为1.61、1.62和1.66，而单一组分KCl的老化GFs约为1.60。这些结果有望为未来对环境气溶胶样品的各种物理化学性质进行现场观测提供理论参考。

引言

颗粒的来源是决定其物理化学性质和毒性效应的重要因素之一（Calvo等人，2013；Chen等人，2019）。其中，生物质燃烧产生的颗粒作为最具代表性的自然燃烧源颗粒，其复杂的物理和化学组成使其在环境研究、生物医学等领域得到广泛应用。生物质燃烧在全球范围内发生，释放出大量气体和气溶胶。这些气溶胶颗粒通过吸收或散射太阳辐射，在区域和全球范围内影响大气化学过程，同时充当云凝结核，可能影响全球辐射预算（Freney等人，2009；Reid等人，2005）。生物质燃烧产物主要包括黑碳、有机物质和无机盐。在生物质燃烧产生的无机成分中，钾盐（包括氯化钾KCl、硝酸钾KNO?和硫酸钾K?SO?）占很大比例（Jing等人，2017；Rissler等人，2006）。

与KNO?和K?SO?相比，KCl的吸湿相对湿度（DRH）较低，且吸湿后更加吸湿（Freney等人，2009；Rissler等人，2005）。为了更好地理解生物质燃烧产生的初始无机盐KCl的物理化学性质对环境的影响，已经进行了大量关于KCl吸湿性的研究（Ahn等人，2010；Giamarelou等人，2018）。除了研究纯KCl的吸湿性外，Jing等人还研究了KCl与其水溶性有机化合物混合物的吸湿行为，并发现这些混合物中的有机化合物可以降低KCl的吸湿点（Jing等人，2017）。

众所周知，在颗粒的吸湿生长过程中，各种物理化学性质会相应发生变化（Kuai等人，2020；Xie等人，2020；Zamora等人，2013）。粘度是大气颗粒的重要物理化学性质之一，在影响水相/凝聚相中的扩散性（Wallance等人，2019）、化学演化（Marshall等人，2018）、相变（Marsh等人，2018）、颗粒的形态和形状（Theofanous等人，2012）以及控制颗粒形成的机制（Xu等人，2021）方面起着关键作用。所有这些与气溶胶颗粒相关的过程和性质都可能对能见度、气候和人类健康产生影响（Shiraiwa等人，2017；Song等人，2015）。因此，表征气溶胶颗粒的粘度对于提高我们对它们影响的理解至关重要。目前仅有少数研究探讨了由有机化合物和无机盐组成的气溶胶颗粒的粘度（Jeong等人，2022；Power等人，2013；Rovelli等人，2019）。尽管有上述研究，但关于KCl与有机物质混合物粘度的信息仍然不足。此外，由于大气中的相对湿度（RH）在0到100%之间波动，而粘度高度依赖于RH，因此测量和预测混合物颗粒的RH依赖性粘度具有重要意义。

此外，作为生物质燃烧产生的典型初始无机盐，KCl在吸湿生长过程中不仅会经历颗粒大小和粘度等性质的变化，还会通过与大气中的二氧化硫或硫酸、氮氧化物或硝酸等气体的老化反应部分转化为KNO?或K?SO?。转化后的成分可能会导致颗粒在老化后的吸湿性发生变化（Freney等人，2009；Li等人，2003；Zauscher等人，2013）。据我们所知，在评估吸湿过程时，尚未考虑KCl与有机化合物混合物及可溶性气态污染物之间的老化过程对吸湿性的影响。

本研究的主要目的是利用光子芯片实现的高对比度成像设备，系统研究不同有机与无机干质量比（OIR）下KCl与有机组分混合后的湿度依赖性粘度，以及在与可溶性气体污染物（SO?）老化前后的吸湿生长因子（GFs），这是目前尚未报道的（Kuai等人，2021）。有两点需要说明：首先，目前许多研究使用葡萄糖作为典型的有机组分来研究混合组分颗粒的不同特性（Chang等人，2024；Kuai等人，2020；Xie等人，2020）。在本研究中，选择葡萄糖作为有机组分，因为它具有“单一组分、性质稳定且易于与KCl均匀混合”的优点，可以有效避免其他生物质燃烧有机组分的复杂性并实现研究目标。其次，本研究中使用的成像技术可以有效地测量单个纳米粒子的吸湿生长。与常用的用于表征大量气溶胶吸湿性的串联差分迁移率分析仪（HTDMA）相比，单颗粒分析技术可以提供足够的时间分辨率，并能准确识别不同类型和来源的单个颗粒（Kuai等人，2020；Xie等人，2020；Yang等人，2023b）。此外，需要注意的是，本研究中的“老化”特指气态SO?与纳米颗粒之间的异质反应过程，导致颗粒化学组成的变化，不包括其他老化机制，如气体-颗粒分配或光化学转化。这些测量和研究的结果有望加深我们对混合颗粒在吸湿生长过程中的粘度以及有机组分对老化过程和吸湿变化影响的理解。它们还将为未来现场观测收集的环境气溶胶样品的各种物理化学性质研究提供理论参考。

实验样品制备、加湿和老化

用于制备纳米粒子气溶胶的化学试剂包括（KCl（AR级）和葡萄糖（AR级）），均购自中国上海的Sinopharm Chemical Reagent。关于气溶胶生成、加湿和老化的具体配置，可参考之前的研究（Xie等人，2020）。简而言之，上述化学物质分别溶解在浓度为1.0 g/L的溶液中，以及有机-无机混合溶液中

老化前的纳米粒子吸湿生长

根据先前的研究（Ahn等人，2010；Giamarelou等人，2018；Rissler等人，2005），KCl在高相对湿度（RH）下会发生吸湿，因此在低RH下其吸湿生长过程不显著。为了后续研究KCl纳米粒子及其与有机组分混合后的吸湿生长，我们选择在40%到90%的RH范围内进行测量。

图2展示了基于

结论

总之，本文的主要目的是测量和研究不同OIR下单一组分KCl纳米粒子及其与葡萄糖混合纳米粒子在老化前后的吸湿性，并提出一种有效的粘度检索方法。这些纳米粒子在老化前后的吸湿GFs是根据光子芯片实现的高对比度成像设备的测量结果得出的。

未引用参考文献

Ahn等人，2014；Giamarelou等人，2008

CRediT作者贡献声明

杨波：撰写——初稿。谢志波：撰写——审阅与编辑，方法学。桂华桥：资金获取。张斗国：资源提供。刘建国：监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号42305143、42375124和42505127）、安徽省科技厅（编号2308085QD128）以及中国国家重点研发计划（编号2024YFC3711700）的支持。