استخراج وتوصيف السطحي من الهباء الجوي
Summary
يتم عرض طرق لاستخلاص المستهدفة السطحي الحالية في الهباء الجوي وتحديد التركيزات المطلقة ومنحنيات التوتر السطحي في الماء، بما في ذلك على تركيز الحرجة مذيلة (CMC).
Abstract
ومن المتوقع المركبات سطح النشط، أو السطحي، موجودة في الهباء الجوي لتلعب دورا هاما في تشكيل الغيوم الماء السائل في الغلاف الجوي للأرض، وهي عملية مركزية في مجال الأرصاد الجوية والهيدرولوجيا، وبالنسبة للنظام المناخي. ولكن لاستخراج وتوصيف محدد من هذه المركبات قد تفتقر لعقود من الزمن، ولا يعرف سوى القليل جدا عن هويتهم، والخصائص، طريقة عمل وأصول، وبالتالي منع الفهم الكامل لتكوين السحب وصلات محتملة مع النظم الايكولوجية للأرض.
في هذه الورقة نقدم ضعت مؤخرا طرق 1) استخراج المستهدفة من كل السطحي من عينات الهباء الجوي في الغلاف الجوي ولتحديد 2) تركيزاتها المطلقة في المرحلة الهباء الجوي و3) ثابتة منحنيات التوتر السطحي في الماء، بما في ذلك الحرجة من مذيلة التركيز (CMC). تم التحقق من صحة هذه الأساليب مع 9 المراجع السطحي، طأنيونية التسبب، الموجبة ومنها غير الأيونية. يتم عرض أمثلة من نتائج السطحي وجدت في جسيمات الهباء الجوي الجميلة (قطر <1 ميكرون) التي تم جمعها في موقع الساحلية في كرواتيا واقتراحات لإدخال تحسينات في المستقبل وغيرها من الأوصاف من تلك التي عرضت ونوقشت.
Introduction
الغيوم ضرورية في الغلاف الجوي للأرض، للهيدرولوجيا معظم البيئات والنظم الإيكولوجية، وفيما يتعلق بالنظام المناخي. لكن بعض جوانب آليات تشكيلها لا تزال غير مفهومة، ولا سيما المساهمات من المركبات الكيميائية الموجودة في جزيئات الهباء الجوي والتي تكون بمثابة نواة التكثيف. نظرية 1 تتوقع أن المركبات النشطة على السطح، أو السطحي، موجودة في جزيئات الهباء الجوي يجب أن تعزز بقوة تشكيل الحبرية سحابة من جانب خفض التوتر السطحي، وبالتالي الطاقة تكوينها. ولكن هذه الآثار بقيت بعيدة المنال للمراقبة على مدى عقود، ونفت دور السطحي على تكوين السحب حاليا من قبل جزء كبير من المجتمع في الغلاف الجوي وتجاهل في جميع التحقيقات السحابية ونماذج الغلاف الجوي والمناخ.
وكان أحد أسباب عدم فهم دور السطحي الهباء الجوي في تكوين السحب غياب طريقة لايزوفي وقت متأخر وتميزها. وخلافا لعينات من بيئات أخرى، وتحليل عينات من الغلاف الجوي يواجه تحديات المتكررة 2 مثل حجم صغير جدا العينة وكتلة (هنا، وعادة ما بين 10 و 100 ميكروغرام) والتعقيد الكيميائي (خليط من الأملاح والمعادن، والعديد من المواد العضوية). للتغلب على هذه التحديات وتحسين فهم الهباء الجوي السطحي تم بعض الأساليب وضعت مؤخرا من قبل مجموعتنا ل1) استخراج تحديدا هذه المركبات من عينات الهباء الجوي، 2) تحديد تركيزات المطلقة في المرحلة الهباء الجوي و3) تحديد سطح منحنيات التوتر بهم في الماء، بما في ذلك من حرج مذيلة تركيز (CMC)، والتركيز الذي يتم المشبعة السطحي على السطح والبدء في تشكيل المذيلات في الجزء الأكبر. وتعرض أحدث الإصدارات من هذه الأساليب في هذه الورقة.
المزيد من التحسينات وغيرها من أنواع الأوصاف، التي يمكن أن تستخدم في شركاتlement لتلك المقدمة، سيتم مناقشتها. وقد أظهرت العديد من التطبيقات الأخيرة من هذه الأساليب كيف يمكن لهذه التحليلات يمكن أن تحسن فهم دور السطحي في تكوين السحب، التي تثبت هذا الدور ذاته، 3 تحديد تركيزات السطحي في الهباء الجوي 3 و 4 و 5 و 6 و طريقة العمل في تشكيل سحابة الحبرية، 3، 6 تثبت أصلهم الاحيائية و 3 و 4 و 7 و شرح افتقارهم للمراقبة عن طريق الأدوات الكلاسيكية. 8، 9، 10
Protocol
Representative Results
Discussion
في البروتوكول، وقد تم تفصيل كل الخطوات الحاسمة. وهي تشمل مجموعة من الهباء الجوي على المرشحات، واستخراج السطحي منها (باستخدام استخراج مزدوج: استخراج المياه تليها استخراج SPE) وتحليل المستخلصات (التوتر السطحي وقياسات تركيز).
للتعرف على طريقة كله، أحرز لمراقبة الجودة 1) من تطبيق استخراج وتحليل الطريقة على المرشحات فارغة (الانحراف <5 مليون م -1 مقارنة مع الماء عالى النقاء على التوتر السطحي والامتصاصية تحت حد الكشف عن اللونية طريقة)، 2) من خلال تحديد كفاءة الاستخراج والشكوك التي بما في ذلك استنساخ / التكرار، و٪ السطحي باستخراج في نطاق معين من التركيز، 3) عن طريق التحقق من interferents المحتمل على طريقة اللونية، أي عن طريق التحقق من أن يكتشف طريقة فقط نوع المستهدفة السطحي (أنيوشركة الاستثمارات الوطنية، الموجبة وغير الأيونية) ولا ترى الآخرين كما هو مفصل بالكامل في المراجع 4، 6) عن طريق فحص interferents المحتملين من مقتطفات الهباء الجوي (الأملاح غير العضوية، الأحماض صغيرة) على طريقة اللونية كما مفصلة تماما في اشارة 6.
على حد علمنا، فإن هذه الطريقة لاستخراج السطحي من عينات الغلاف الجوي الواردة في هذه المقالة هو حاليا الأكثر انتقائية في كيمياء الغلاف الجوي. وعلى وجه الخصوص هو أكثر انتقائية بكثير من استخراج المياه بسيطة أجريت في الماضي للتحقيق في هذه المركبات. 11، 23، 24 خطوة الاستخراج الثانية لا يقل أهمية عن فقد تبين لإزالة المكونات الأيونية، مثل الأملاح غير العضوية والأحماض العضوية الصغيرة، التي هي في تجمعات كبيرة في عينات الهباء الجوي وتتداخل مع قياس آثافة تركيزements. 6 ثبت أيضا هذه طريقة استخراج لإزالة كافة السطحي الحالية في العينات، على السطح وفي الجزء الأكبر. وهكذا تتركز مقتطفات مما أدى بما يكفي للسماح للالأوصاف الدقيقة لهذه المركبات.
ومع ذلك، بالإضافة إلى التوتر السطحي، فمن الممكن أن المركبات غير القطبية أو القطبية أقل ما يقال الأخرى المستخرجة من الهباء الجوي. على سبيل المثال، يمكن أن "المواد الدبالية تشبه" (HULIS)، التي تستخرج عادة من خلال أساليب مماثلة 25، واعتمادا على المنطقة أخذ العينات، وتكون موجودة في مقتطفات. وأقل ما يقال فقط السطحي مقارنة هذه المركبات إلى السطحي تتميز في عينات لدينا، 26، 27، 28 وبالتالي لا ينبغي أن تساهم بشكل كبير في التوتر السطحي أو CMC قياسها. ومع ذلك، فهي polyacids ويمكن أن تتداخل مع أنيوني بغية دراسته واقراره القياسات ntration. في المستقبل، سوف مساهمتها في تركيزات السطحي (أي ما إذا كانت أو لم تكن تتفاعل مع البنفسجي الإيثيل، الصبغة تستخدم لمعايرة أنيوني السطحي) يجب أن يتم تحديد. إذا مساهمتها مهم، ويمكن إضافة خطوات إضافية لطريقة استخراج، للقضاء على سبيل المثال جميع المركبات التي تنشط في أشعة فوق البنفسجية فيس أو مضان، والتي ستشمل HULIS ولكن ليس السطحي.
حتى الآن، لا توجد طريقة أخرى لقياس التوتر السطحي من الهباء الجوي ومن منحنى التوتر السطحي للتوتر السطحي الهباء الجوي من واحد المقدمة في هذا المخطوط هو متاح. ينصح تقنية قطرات شنقا لهذه القياسات لأنها هي الوحيدة التي تتطلب كميات عينة متسقة مع عينات الغلاف الجوي. التقنيات البصرية، وقياس مباشرة التوتر السطحي على الجسيمات حجم ميكرون دون أي الاستخراج، ويجري تطويرها. 10،الحمار = "XREF"> 20، 29 وحتى الآن، وأنها قابلة للتطبيق فقط لجزيئات تنتج المختبر ولكن يحتمل أن في يوم من الأيام أن تطبق على تلك الغلاف الجوي.
وقد تم تطبيق الطريقة اللونية التي قدمت في هذا العمل لقياس تركيز السطحي سابقا لعينات الهباء الجوي في الغلاف الجوي 11 و 13 و 14 و 30 ولكن فقط لالمستخلصات المائية وعدم مضاعفة مقتطفات، كما هو الحال في أسلوبنا. هذا هو الفرق من الأهمية، كما أكد أعلاه، فإن الخطوة الثانية استخراج يزيل مركبات مثل الأملاح غير العضوية والأحماض العضوية الصغيرة، التي تتداخل مع قياسات تركيز. 6
كما تم استخدام تقنية الكهروكيميائية، وضعت في البداية لمياه البحر والعينات المائية الكبيرة، لقياس تركيز السطحي في ATMOSالهباء pheric. 31، 32 هذا الأسلوب هو نسبي، أي تركيزات السطحي الحصول تعتمد على مركبات المرجعية المختارة، وتفترض أن حساسية الكشف عن جميع السطحي هي متطابقة. حد الكشف عنها لهذه التقنية هو 0.02 ملغ L -1 عند استخدام رباعي octylphenolethoxylate كمرجع، وبالتالي 0.03 ميكرومتر، وقابلة للمقارنة إلى حد الكشف عن نحو 0.05 ميكرومتر لأنيوني السطحي والموجبة باستخدام طريقة اللونية. ولكن نظرا لعدم اليقين في تحديد تركيزات السطحي غير الأيونية ومجموع مع أسلوب اللونية، سيكون من المثير للاهتمام مقارنة الطريقتين (بين المعايرة).
هناك بعض النقاط في أساليب عرض يمكن زيادة تحسين.
لن صبغ آخر من ثيوسيانات الكوبالت التي من شأنها الكشف عن جميع السطحي غير الأيونية والطرافة نفس الحساسية يكون usef جدا المجاهدين والحد من المصدر الرئيسي لعدم اليقين في القياسات تركيز الحالية.
كفاءة استخلاص للتوتر السطحي الموجبة، والتي تقدر حاليا إلى 20٪، ويمكن أيضا أن تتحسن، وهذه المركبات هي في كثير من الأحيان على حد الكشف في عينات الغلاف الجوي. ويمكن القيام بذلك، على سبيل المثال، باستخدام عمود SPE معين.
عمليات الاستخراج والشروط المعايرة يمكن زيادة تحسين. على سبيل المثال، استخدام في موازية ثلاثة SPE مختلفة مجموعة عمليات، كل الأمثل لفئة السطحي، يمكن تحسين كفاءة الاستخراج، وتحسين نوعية الإجراء (مخاطر تلوث أقل). قد تم أيضا تحديد كثافة المواد الماصة المثلى من خرطوشة SPE لكتلة عينة لتحليلها. الظروف لردود الفعل المعايرة (درجة الحموضة، والمضافات) ويمكن أيضا أن يكون أبعد الأمثل، لمواصلة تحسين حساسية قياسات تركيز، أي خفض حدود الكشف.
<p claيمكن إضافة ss = "jove_content"> الاختبارات أو خطوات إضافية لبروتوكول استخراج استبعاد مركبات غير السطحي قد تم استخراجها. على سبيل المثال، فإن وجود محتمل لHULIS في العينات يمكن أن يتم التحقيق من قبل التقنيات البصرية (UV فيس أو مضان).مزيد من التعديلات، في حين لا تحسين نوعية التحليل نفسه، سيجلب مزيد من المعلومات حول السطحي في الغلاف الجوي، مثل تطبيق الأسلوب الحالي لمختلف الحجم كسور (أي الفرعية من السكان) من الهباء الجوي بدلا من التركيز على جميع الجسيمات التي تم جمعها، كما المقدمة هنا. ويمكن أيضا أن تطبق أنواع أخرى من التحليلات إلى مقتطفات مثل، LC / MS HR، جنبا إلى جنب MS، أو NMR لتحديد التركيب الكيميائي للتوتر السطحي أو الأشعة فوق البنفسجية فيس الامتصاصية، مضان، أو الاستقطاب، تشير إلى وجود highly- مركبات مترافق أو مراوان في مقتطفات.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل من قبل SONATA، وهو مشروع مشترك بين الفرنسيين الوكالة الوطنية للبحوث (ANR-13-IS08-0001) والمؤسسة الوطنية الأمريكية للعلوم. ويتم تمويل كريستين بادويل من قبل الوكالة الفرنسية القومي للبحوث (ANR) من خلال مشروع ANR 16-ACHN-0026. والكتاب كما أشكر بحرارة ماريا مارجوس، آنا Cvitešić، سانيا فركا ميلوسافلجيفيك وإيرينا Ciglenecki، من معهد رودجر بوسكوفيك زغرب، كرواتيا للمساعدة في أخذ العينات الهباء الجوي في مارينا Frapa، Rogoznica، كرواتيا.
Materials
| Quartz filters | Fioroni | for example Ø47mm or Ø150mm, Grammage 85g/m2 | |
| Aluminium foils or glass Petri dishes | backed in oven (773 K, 6h) | ||
| Tweezers, scissors | |||
| Desiccator | |||
| SPE (Solid Phase Extraction) set-up | |||
| SPE vacuum manifold Ac-Elut | Varian | ||
| Pump Laboxat | Knf LAB | ||
| Nitrogen dryer set-up | hand-made | ||
| Compressed Nirogen 4.5 in bottle B50, 200 bar at 15°C | Linde | ||
| Tensiometer | Dataphysics | OCA 15EC | |
| Software | SCA software for OCA version 4-4.1 | ||
| UV-Vis spectrometer | Agilent | 8453 | |
| Stir-plates | |||
| Glassware | |||
| Glass Petri dishes | for the water extraction step | ||
| Beakers | |||
| 15 mL, 30 mL, 60 mL glass bottles with corks | |||
| Tubes for SPE | |||
| Magnetic stirring bars | |||
| Ultrasound bath | for glassware washing | ||
| Micropipettes (0.5 – 5 mL, 0.100 – 1mL, 10 – 100 μL) | Rainin Pipette-Life XLS | ||
| Disposable small equipment | |||
| Syringe filters 0.40μm PVDF | Fisherbrand | ||
| SPE C18 cartridges Strata C18-E cartridges 500 mg / 3 mL | Phenomenex | ||
| Plastic syringes | |||
| Needles | |||
| 4 mL-vials | |||
| Pasteur glass pipettes | |||
| Micropipette tips | |||
| Chemicals | |||
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) ≥ 98.5 % Bioreagent | Sigma- Aldrich | L3771 | |
| Dioctyl sulfosuccinate sodium salt (AOT) ≥ 97% | Sigma- Aldrich | 323586 | |
| Benzyltetradecyldimethylammonium (zephiramine) ≥ 99.0 % anhydrous Fluka | Sigma- Aldrich | 13401 | |
| Cetyltrimethylammonium chloride solution (CTAC) 25 wt % in H2O | Sigma- Aldrich | 292737 | |
| (1,1,3,3-tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol (Triton X114) laboratory grade | Sigma- Aldrich | X114 | |
| Polyethylene glycol dodecyl ether (Brij35) Fluka Bio Chemika | Sigma- Aldrich | 858366 | |
| L-α-phosphatidylcholine from egg yolk type XVI-E lyophilized powder ≥ 99 % | Sigma- Aldrich | P3556 | |
| Surfactin from Bacillus subtilis ≥ 98 % | Sigma- Aldrich | S3523 | |
| R-95Dd rhamnolipid (95 % dirhamnolipid, 5 % monorhamnolipid) | Sigma- Aldrich | L510025 | |
| Ethyl violet cationic triarylmethane dye | Sigma- Aldrich | 228842 | |
| Patent Blue VF dye content 50 % | Sigma-Aldrich | 198218 | |
| Ammonium thiocyanate ≥ 99 % puriss. p.a., ACS reagent | Sigma-Aldrich | 31120 | |
| Cobalt(II) nitrate hexahydrate ≥ 98 % ACS reagent | Sigma-Aldrich | 239267 | |
| Acetic anhydride ≥ 99 % ReagentPlus | Sigma-Aldrich | 320102 | |
| Sodium acetate ≥ 99.0 % anhydrous Reagent Plus | Sigma-Aldrich | S8750 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid 99.4− 100.6 % ACS reagent powder | Sigma-Aldrich | E9884 | |
| Sodium sulfate anhydrous ≥ 99.0 % granulated puriss. p.a. ACS reagent Fluka | Sigma-Aldrich | 71960 | |
| Ethanol puriss. p.a. ACS Reagent reag. Ph. Eur. 96% (v/v) | Sigma-Aldrich | 32294 | |
| Acetonitrile ≥ 99.9 % HiPerSolv CHROMANORM Reag. Ph. Eur. (European Pharmacopoeia Reagent) grade gradient for HPLC | VWR BDH Prolabo | 20060.32 | to be manipulated under hood |
| Chloroform 99 % stable with 0.8−1 % ethanol | Alfa Aesar | L13200-0F | to be manipulated under hood |
| Toluene > 99 % | Chimie Plus | 24053 | to be manipulated under hood |
| Denatured ethanol for washing | |||
| Ultra-Pure water | Ultrapure water system Purelab Classic, Elga |
Riferimenti
- Köhler, H. The nucleus in and the growth of hygroscopic droplets. Trans. Faraday Soc. 32, 1152-1161 (1936).
- Noziere, B. CLOUDS. Don’t forget the surface. Science. 351, 1396-1397 (2016).
- Onaizi, S. A., Nasser, M. S., Twaiq, F. Adsorption and thermodynamics of biosurfactant, surfactin, monolayers at the air-buffered liquid interface. Colloid Polym Sci. 292, 1649-1656 (2014).
- Ekström, S., et al. A possible role of ground-based microorganisms on cloud formation in the atmosphere. Biogeosci. 7, 387-394 (2010).
- Baduel, C., Nozière, B., Jaffrezo, J. -. L. Summer/winter variability of the surfactants in aerosols from Grenoble, France. Atmos. Environ. 47, 413-420 (2012).
- Gérard, V., et al. Anionic, Cationic, and Nonionic Surfactants in Atmospheric Aerosols from the Baltic Coast at Askö, Sweden: Implications for Cloud Droplet Activation. Environ. Sci. Technol. 50, 2974-2982 (2016).
- Renard, P., et al. Screening of cloud microorganisms isolated at the Puy de Dôme (France) station for the production of biosurfactants. Atmos Chem Phys. 16, 12347-12358 (2016).
- Nozière, B., Baduel, C., Jaffrezo, J. -. L. The dynamic surface tension of atmospheric aerosol surfactants reveals new aspects of cloud activation. Nature Comm. 5, 4335 (2014).
- Ruehl, C. R., Davies, J. F., Wilson, K. R. An interfacial mechanism for cloud droplet formation on organic aerosols. Science. 351, 1447-1450 (2016).
- Jimenez, J. L., et al. Evolution of Organic Aerosols in the Atmosphere. Science. 326, 1525-1529 (2009).
- Latif, M. T., Brimblecombe, P. Surfactants in Atmospheric Aerosols. Environ. Sci. Technol. 38, 6501-6506 (2004).
- Amirov, R. R., Skvortsova, E. A., Saprykova, Z. A. Complexation of Cobalt(II) with Thiocyanate Ions in Aqueous Solutions of Nonionogenic Surfactants. Russ. J. Coord. Chem. 29, 554-558 (2003).
- Jaafar, S. A., et al. Surfactants in the sea-surface microlayer and atmospheric aerosol around the southern region of Peninsular Malaysia. Mar. Pollut. Bull. 84, 35-43 (2014).
- Mustaffa, N., Latif, M., Ali, M., Khan, M. Source apportionment of surfactants in marine aerosols at different locations along the Malacca Straits. Environ Sci Pollut Res. 21, 6590-6602 (2014).
- Motomizu, S., Fujiwara, S., Fujiwara, A., Toei, K. Solvent extraction-spectrophotometric determination of anionic surfactants with ethyl violet. Anal. Chem. 54, 392-397 (1982).
- Yamamoto, K., Motomizu, S. Solvent extraction-spectrophotometric determination of anionic surfactants in sea water. Analyst. 112, 1405-1408 (1987).
- Schmitt, T. M. . Analysis of Surfactants (Surfactant Science). 96, 421-443 (2001).
- Hummel, D. O. . Handbook of Surfactant Analysis: Chemical, Physico-chemical and Physical Methods. , 203 (2000).
- Pacheco e Silva, V., al, e. Method to measure surfactant in fluid. US patent. , (2013).
- Bzdek, B. R., Power, R. M., Simpson, S. H., Reid, J. P., Royall, C. P. Precise, contactless measurements of the surface tension of picolitre aerosol droplets. Chem Sci. 7, 274-285 (2016).
- Desai, J. D., Banat, I. M. Microbial production of surfactants and their commercial potential. Microbiol. Mol. Biol. R. 61, 47-64 (1997).
- Christofi, N., Ivshina, I. B. Microbial surfactants and their use in field studies of soil remediation. J. Appl. Microbiol. 93, 915-929 (2002).
- Facchini, M. C., Mircea, M., Fuzzi, S., Charlson, R. J. Cloud albedo enhancement by surface-active organic solutes in growing droplets. Nature. 401, 257-259 (1999).
- Mircea, M., et al. Importance of the organic aerosol fraction for modeling aerosol hygroscopic growth and activation: a case study in the Amazon Basin. Atmos. Chem. Phys. 5, 3111-3126 (2005).
- Varga, B., Kiss, G., Ganszky, I., Gelencsér, A., Krivácsy, Z. Isolation of water-soluble organic matter from atmospheric aerosol. Talanta. 55, 561-572 (2001).
- Kiss, G., Tombácz, E., Hansson, H. -. C. Surface Tension Effects of Humic-Like Substances in the Aqueous Extract of Tropospheric Fine Aerosol. J Atmos Chem. 50, 279-294 (2005).
- Salma, I., Ocskay, R., Varga, I., Maenhaut, W. Surface tension of atmospheric humic-like substances in connection with relaxation, dilution, and solution pH. J. Geophys. Res. 111, D23205 (2006).
- Taraniuk, I., Graber, E. R., Kostinski, A., Rudich, Y. Surfactant properties of atmospheric and model humic-like substances (HULIS). Geophys. Res. Lett. 34, L16807 (2007).
- Morris, H. S., Grassian, V. H., Tivanski, A. V. Humidity-dependent surface tension measurements of individual inorganic and organic submicrometre liquid particles. Chemical Science. 6, 3242-3247 (2015).
- Roslan, R. N., et al. Surfactants in the sea-surface microlayer and their contribution to atmospheric aerosols around coastal areas of the Malaysian peninsula. Mar. Pollut. Bull. 60, 1584-1590 (2010).
- Orlović-Leko, P., Kozarac, Z., Ćosović, B., Strmečki, S., Plavšić, M. Characterization of atmospheric surfactants in the bulk precipitation by electrochemical tools. J Atmos Chem. 66, 11-26 (2010).
- Frka, S., et al. Surface-active substances in atmospheric aerosol: an electrochemical approach. Tellus B. 64, 12 (2012).
