大氣中的顆粒物是地球大氣物理化學過程的重要參與者👩🏻‍🔧，它們的存在是雲形成的先決條件，對氣候起著調節作用。不僅如此，高濃度的細顆粒物⛑️，比如PM2.5，對人體健康有著強烈的負面作用🫴🏽。在我國推進碳中和以應對氣候變化，強調經濟與環境協調發展的背景下，大氣顆粒物的氣候與健康效應備受科學界關註。然而，由於大氣顆粒物的來源與成分很復雜，其中有機成分就有不下千種，其在大氣中經歷的演化過程還有很多未解之迷。在瞬息萬變的大氣之中，顆粒物的大小🙆‍♂️🚌、含水量💁🏿‍♂️、化學組分等重要性質都不斷發生著改變，只有理解這些變化過程背後的科學機製🏯，研究人員才能建立更準確的模型👨🏻‍🦱，對大氣的行為進行預測。

    近日，上海交大意昂4体育平台肖化雲團隊（大氣科學團隊）的李晨曦助理教授使用兩束相向傳播的激光，自主構建了捕獲氣相顆粒物的光鑷系統來研究大氣顆粒物的演化過程。這是國內首個基於相向傳播光束、應用於大氣顆粒物研究的光鑷系統。

圖1：肖化雲（左）與李晨曦（右）在進行光路調節。

什麽是光鑷？

    當光被反射或折射時🌊，會因為傳播方向的改變而給物體一個微小的壓力，稱之為光壓。這個力十分微小😄，在我們熟悉的宏觀世界中很難被感受到。在微觀世界中，納光微米級的物體由於本身質量微小，卻對光壓十分敏感。光鑷就是利用光壓來捕獲和操縱小粒子或液滴，它的開發者亞瑟·阿什金因開發了這項技術而獲得了2018年諾貝爾物理學獎。顧名思義👌🏻，光鑷就是用光束構成的“鑷子”，光壓就是這個鑷子的兩臂。利用光鑷可以“夾住”微納米大小的粒子🫲，甚至可以在真空中控製單個原子🦷。目前✳️💁🏼‍♂️，技術成熟的光鑷系統主要用於液相中粒子的研究，而在大氣中，粒子的不穩定性更強🎮，對“鑷子”的精確性要求更高🤾🏼‍♀️。在大氣科學團隊搭建的氣相光鑷系統中，他們將兩束相向傳播的激光束聚焦（想象將放大鏡放在太陽下形成亮斑的過程）並使焦點接近重合👩🏻‍🦳，在重合點附近形成一個“光學勢阱”。當一個粒子進入光勢阱後👩‍🦼‍➡️，無論向哪個方向運動👇🏻，都會被光壓推回到原來的位置，於是粒子被“夾住”🥧🤧，獲得了確定的空間坐標。

圖2：運行中的光鑷系統與收集到的（部分）光信號🎟。

單顆粒光鑷技術關鍵詞🗣：“實時”⛹🏼‍♀️、“原位”

    為什麽要將光鑷應用在大氣顆粒物的研究中呢？這項技術相對於其它技術有何獨到之處？我們知道，大氣中顆粒物每時每刻都在進行無規則的布朗運動，它們行動軌跡混亂而無序，使我們無法有效地對它們進行追蹤🏷。然而，有了光鑷📮，我們就可以消除布朗運動對粒子行動的影響，將顆粒物“固定”後對其進行研究（如圖3所示）。在肖化雲團隊使用的光鑷技術中，單個顆粒物被兩束激光“捕獲”後可以在同一位置停留幾個小時甚至幾天。在這期間👩🏻‍🍳，他們可以對這個粒子施加不同的刺激👩🏻‍🦯‍➡️，例如精確調節顆粒物所在環境中溫濕度與汙染氣體的濃度✊，實時觀察顆粒物的反應☎📸，了解在真實大氣條件下顆粒物演化情況，探究演化的微觀機製🪱。目前💆🏿‍♂️，國內鮮有對單顆粒物實時懸空觀測的研究，肖化雲團隊建設的光鑷平臺無疑極大豐富了研究者的“武器庫”⏩。

圖3： 使用透鏡聚焦光束並捕捉布朗運動的顆粒物的過程。

    一個自然而然的問題是🎷，使用光鑷將單個顆粒物捕獲之後，如何能即時“看到”顆粒物的變化情況呢？大家可能會想到使用顯微鏡來對顆粒物進行觀察，然而🪈，當顆粒小於微米時，其本身尺寸已經接近光學顯微鏡分辨率的極限。因此，肖化雲團隊借助了一系列光譜技術來對顆粒物的性質進行分析。比如，當激光照射到顆粒物上時💂，會產生一系列散射條紋（見圖2中插圖“單顆粒的散射信號”）♧，這些條紋與顆粒物的大小與折射率有關，根據條紋模式隨時間的變化，我們可以對顆粒物的性質進行反向推演。除此之外，在激光與顆粒物互動的過程中，光的“顏色”也會發生變化，即產生“拉曼散射”。團隊通過測量拉曼散射的光譜👨🏻‍🦰，就可以推斷顆粒物的大小與化學成分。

    在傳統的大氣顆粒物研究方法中，人們將大量的顆粒物收集到一個濾膜上，然後將收集到的顆粒物提取到溶液中或加熱蒸發🧑🏽‍🏫，對其化學成分進行測量👦🏻。通過這樣的方法雖然可以得到顆粒物的化學組成，但在收集與提取步驟都會對顆粒物結構產生不可逆轉的破壞，也就是說，通過這種方法，我們並不知道顆粒物本來的結構特點。與此相對，使用光鑷對顆粒物進行研究時，顆粒物仍然停留在原來的環境中，其形貌特點也不會受到破壞，是一種“原位”分析方法🚽🆖。

光鑷技術未來可期

    大氣中二氧化硫、氮氧化物👨🏼‍🔬、自由基與顆粒物的互動會強烈地影響顆粒物的演化路徑。這個互動過程涉及汙染物在顆粒物表面的吸附🧘🏽‍♂️、質量傳輸、化學轉化等過程的耦合，很多在實驗室與野外觀測到現象用已有的知識難以解釋👨🏿‍⚖️。肖化雲團隊將使用新搭建的光鑷系統對這一大氣環境科學的難題進行攻關𓀙。氣相光鑷技術不僅可以用於研究大氣中的顆粒物★，解決環境科學中的前沿問題🏏，還在多相化學、生命科學💆🏽‍♂️、材料科學、光學等方面有著廣泛的應用前景。比如😎，光鑷將微納米級小液滴固定在空氣中，形成微觀的液/氣接觸的介面，這就構成了一個絕佳的氣-液相物質交換與多相化學的場景。肖化雲團隊計劃將光鑷技術平臺化，與其它學科的研究人員開展合作，在跨學科領域尋求新的科學突破👲🏼。

圖4. 肖化雲團隊部分實驗設備平臺。A-D分別為煙霧箱、掃描電遷移率粒徑譜儀🍄、氣溶膠質譜儀、化學離子化質譜儀。

    肖化雲團隊目前包括肖化雲、趙嶽、李晨曦、李子悅等4名專任教師，其中肖化雲教授是國家傑出青年基金獲得者，趙嶽副教授是國家自然基金委優青獲得者，團隊主要從事大氣環境科學研究。除光鑷外，團隊還擁有12m3煙霧箱⚠、掃描電遷移率粒徑譜儀、氣溶膠質譜儀、化學離子化質譜儀等先進的實驗裝置與分析設備（見圖4），目前在大氣同位素化學、二次有機氣溶膠與新粒子生成等方向已發表多項重要研究成果。近年來團隊成員在Science Advance、PNAS、EST、ACP等頂級期刊部分發表論文如下🚶🏻‍♀️：

C. Li, J. Krohn, M. Lippe, R. Signorell, How volatile components catalyze vapor nucleation. Sci  Adv 7, eabd9954 (2021).

Y. Zhao, J. A. Thornton, H. O. T. Pye, Quantitative constraints on autoxidation and dimer formation from direct probing of monoterpene-derived peroxy radical chemistry. Proc Natl Acad Sci USA 115, 12142(2018).

Y. Xu, H. Xiao*, D. Wu, C. Long, Abiotic and Biological Degradation of Atmospheric Proteinaceous Matter Can Contribute Significantly to Dissolved Amino Acids in Wet Deposition. Environmental Science & Technology 54, 6551-6561 (2020).

Z. Li, K. A. Smith, C. D. Cappa, Influence of relative humidity on the heterogeneous oxidation of secondary organic aerosol. Atmos Chem Phys 18, 14585-14608 (2018).