大气中的颗粒物是地球大气物理化学过程的重要参与者，它们的存在是云形成的先决条件，对气候起着调节作用。不仅如此，高浓度的细颗粒物，比如PM2.5，对人体健康有着强烈的负面作用。在我国推进碳中和以应对气候变化，强调经济与环境协调发展的背景下，大气颗粒物的气候与健康效应备受科学界关注。然而，由于大气颗粒物的来源与成分很复杂，其中有机成分就有不下千种，其在大气中经历的演化过程还有很多未解之迷。在瞬息万变的大气之中，颗粒物的大小、含水量、化学组分等重要性质都不断发生着改变，只有理解这些变化过程背后的科学机制，研究人员才能建立更准确的模型，对大气的行为进行预测。
近日，上海交大环境科学与工程学院肖化云团队（大气科学团队）的李晨曦助理教授使用两束相向传播的激光，自主构建了捕获气相颗粒物的光镊系统来研究大气颗粒物的演化过程。这是国内首个基于相向传播光束、应用于大气颗粒物研究的光镊系统。
图1：肖化云（左）与李晨曦（右）在进行光路调节。
什么是光镊？
当光被反射或折射时，会因为传播方向的改变而给物体一个微小的压力，称之为光压。这个力十分微小，在我们熟悉的宏观世界中很难被感受到。在微观世界中，纳光微米级的物体由于本身质量微小，却对光压十分敏感。光镊就是利用光压来捕获和操纵小粒子或液滴，它的开发者亚瑟·阿什金因开发了这项技术而获得了2018年诺贝尔物理学奖。顾名思义，光镊就是用光束构成的“镊子”，光压就是这个镊子的两臂。利用光镊可以“夹住”微纳米大小的粒子，甚至可以在真空中控制单个原子。目前，技术成熟的光镊系统主要用于液相中粒子的研究，而在大气中，粒子的不稳定性更强，对“镊子”的精确性要求更高。在大气科学团队搭建的气相光镊系统中，他们将两束相向传播的激光束聚焦（想象将放大镜放在太阳下形成亮斑的过程）并使焦点接近重合，在重合点附近形成一个“光学势阱”。当一个粒子进入光势阱后，无论向哪个方向运动，都会被光压推回到原来的位置，于是粒子被“夹住”，获得了确定的空间坐标。
图2：运行中的光镊系统与收集到的（部分）光信号。
单颗粒光镊技术关键词：“实时”、“原位”
为什么要将光镊应用在大气颗粒物的研究中呢？这项技术相对于其它技术有何独到之处？我们知道，大气中颗粒物每时每刻都在进行无规则的布朗运动，它们行动轨迹混乱而无序，使我们无法有效地对它们进行追踪。然而，有了光镊，我们就可以消除布朗运动对粒子行动的影响，将颗粒物“固定”后对其进行研究（如图3所示）。在肖化云团队使用的光镊技术中，单个颗粒物被两束激光“捕获”后可以在同一位置停留几个小时甚至几天。在这期间，他们可以对这个粒子施加不同的刺激，例如精确调节颗粒物所在环境中温湿度与污染气体的浓度，实时观察颗粒物的反应，了解在真实大气条件下颗粒物演化情况，探究演化的微观机制。目前，国内鲜有对单颗粒物实时悬空观测的研究，肖化云团队建设的光镊平台无疑极大丰富了研究者的“武器库”。
图3： 使用透镜聚焦光束并捕捉布朗运动的颗粒物的过程。
一个自然而然的问题是，使用光镊将单个颗粒物捕获之后，如何能即时“看到”颗粒物的变化情况呢？大家可能会想到使用显微镜来对颗粒物进行观察，然而，当颗粒小于微米时，其本身尺寸已经接近光学显微镜分辨率的极限。因此，肖化云团队借助了一系列光谱技术来对颗粒物的性质进行分析。比如，当激光照射到颗粒物上时，会产生一系列散射条纹（见图2中插图“单颗粒的散射信号”），这些条纹与颗粒物的大小与折射率有关，根据条纹模式随时间的变化，我们可以对颗粒物的性质进行反向推演。除此之外，在激光与颗粒物互动的过程中，光的“颜色”也会发生变化，即产生“拉曼散射”。团队通过测量拉曼散射的光谱，就可以推断颗粒物的大小与化学成分。
在传统的大气颗粒物研究方法中，人们将大量的颗粒物收集到一个滤膜上，然后将收集到的颗粒物提取到溶液中或加热蒸发，对其化学成分进行测量。通过这样的方法虽然可以得到颗粒物的化学组成，但在收集与提取步骤都会对颗粒物结构产生不可逆转的破坏，也就是说，通过这种方法，我们并不知道颗粒物本来的结构特点。与此相对，使用光镊对颗粒物进行研究时，颗粒物仍然停留在原来的环境中，其形貌特点也不会受到破坏，是一种“原位”分析方法。
光镊技术未来可期
大气中二氧化硫、氮氧化物、自由基与颗粒物的互动会强烈地影响颗粒物的演化路径。这个互动过程涉及污染物在颗粒物表面的吸附、质量传输、化学转化等过程的耦合，很多在实验室与野外观测到现象用已有的知识难以解释。肖化云团队将使用新搭建的光镊系统对这一大气环境科学的难题进行攻关。气相光镊技术不仅可以用于研究大气中的颗粒物，解决环境科学中的前沿问题，还在多相化学、生命科学、材料科学、光学等方面有着广泛的应用前景。比如，光镊将微纳米级小液滴固定在空气中，形成微观的液/气接触的介面，这就构成了一个绝佳的气-液相物质交换与多相化学的场景。肖化云团队计划将光镊技术平台化，与其它学科的研究人员开展合作，在跨学科领域寻求新的科学突破。
图4. 肖化云团队部分实验设备平台。A-D分别为烟雾箱、扫描电迁移率粒径谱仪、气溶胶质谱仪、化学离子化质谱仪。
肖化云团队目前包括肖化云、赵岳、李晨曦、李子悦等4名专任教师，其中肖化云教授是国家杰出青年基金获得者，赵岳副教授是国家自然基金委优青获得者，团队主要从事大气环境科学研究。除光镊外，团队还拥有12m3烟雾箱、扫描电迁移率粒径谱仪、气溶胶质谱仪、化学离子化质谱仪等先进的实验装置与分析设备（见图4），目前在大气同位素化学、二次有机气溶胶与新粒子生成等方向已发表多项重要研究成果。近年来团队成员在Science Advance、PNAS、EST、ACP等顶级期刊部分发表论文如下：
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).