甲醇和有机混合溶剂提取棕碳气溶胶光学性质的差异及原因探讨

赵美玲 ，黄汝锦 ，杨 露

1.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

2.中国科学院大学，北京 100049

3.中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心，西安 710061

含碳气溶胶对空气质量和地-气系统辐射平衡有显著影响（Chung et al，2012），主要包括黑碳和有机碳气溶胶两部分。传统观念认为黑碳是含碳气溶胶中唯一吸光组分，有机气溶胶对光只有散射作用。但随着对大气气溶胶研究的深入，发现部分有机气溶胶组分也具有吸光性且这一现象被越来越多的研究所证实（Andreae and Gelencsér，2006；Laskin et al，2015）。Andreae and Gelencsér

（2006）首次将这类吸光性有机气溶胶命名为棕碳（brown carbon，BrC）。棕碳的光学性质与黑碳有很大区别，黑碳的吸光在整个紫外 — 可见光区都较强，而棕碳在紫外 — 可见光区的吸光则具有波长依赖性，即吸光强度随波长的增加而迅速降低（Bond and Bergstrom，2006；Feng et al，2013）。研究结果表明：棕碳对含碳气溶胶的吸光贡献可达19% — 40%（Liu et al，2015；Zhang et al，2017）。

目前关于棕碳的研究主要集中于光学性质、化学组成、来源和形成机制等方面，但由于棕碳组成的复杂性，因此对其各方面的认知还比较局限（Alexander et al，2008；Bahadur et al，2012；Nguyen et al，2012；张璐等，2017；Xie et al，2017；陈前和陈庆彩，2021）。棕碳的环境影响主要体现在对地表太阳辐射平衡的影响，因此关于棕碳光学性质的研究最为广泛。目前棕碳光学性质的测量方法主要包括光声光谱法、光学透射法和溶剂萃取法（Yang et al，2009；Hecobian et al，2010；Zhang et al，2013；Yuan et al，2016）。其中溶剂萃取法较为常用，溶剂萃取法是指用溶剂萃取大气样品然后对萃取液进行后续分析的一种测量方法。溶剂萃取法不仅可以排除黑碳对棕碳光学性质测量的影响（Lack and Langridge，2013），还可以进一步分析棕碳的化学组分。目前常用的萃取溶剂包括水和部分有机溶剂（如乙腈、甲醇、有机混合溶剂等）（Chen and Bond，2010；Lin et al，2017；Liang et al，2020；Yuan et al，2020）。近年来相关工作讨论了不同溶剂对棕碳的萃取效果。如Chen and Bond（2010）对比了乙腈、甲醇、水、正己烷对生物质燃烧所排放棕碳的提取效果，发现乙腈和甲醇相比于水和正己烷能够提取出更多的吸光性物质，两者对有机物的萃取效率分别为92%、98%。而关于甲醇和水对棕碳萃取效果的研究结果表明甲醇对棕碳的提取效率高于水（Chen and Bond，2010；Zhang et al，2013；Cheng et al，2016）。Lin et al（2017）对比了受生物质燃烧影响的大气气溶胶样品在不同溶剂中光学性质的差异，发现与水和乙腈相比，有机混合溶剂（乙腈∶二氯甲烷∶正己烷= 2∶2∶1）所提取样品的吸光强度更高。这些研究结果表明溶剂萃取法中萃取溶剂的选取对棕碳光学性质有很大影响，但是讨论产生这种差异原因的研究还较少。

上述研究所选取的样品是受生物质燃烧源影响的大气样品或者是燃烧实验采集的样品，而关于溶剂对于实际大气样品中棕碳提取效果的研究还比较少。因此，本文对比了传统上认为提取效率较高的混合溶剂（乙腈∶二氯甲烷∶正己烷= 2∶2∶1）和目前常用的提取溶剂甲醇对实际大气样品中棕碳提取效果，并从以下两个方面讨论出现差异的原因：（1）不同溶剂对棕碳提取效率的差异；（2）溶剂效应。为了验证提取效率的差异，本研究对比了混合溶剂和甲醇所提取有机化合物的总量、同一样品用两种溶剂所提取棕碳的吸收光谱以及两种溶剂多次萃取的吸收光谱。而为了验证溶剂效应，本研究测量了目前已知主要的两类吸光性组分（多环芳烃和硝基芳香族化合物）在这两种溶剂中的吸收光谱。

1 材料与方法

1.1 样品的采集

采样地点位于中国科学院地球环境研究所楼顶（34°13′12″ N，109°00′36″ E），距地面约10 m，临近交通主干道，周围主要是住宅区和商业区。选取了2019年2月14 — 15日所采集的三个总悬浮颗粒物（TSP）样品，每次采样时间12 h（08∶00 — 20∶00，20∶00 — 次日08∶00）。采样器为广州昆仑自动化设备有限公司研制的JYBDW型大流量采样器，采样流量为0.3 m3· min-1。样品采集于石英纤维滤膜上（20.3 cm×25.4 cm，Whatman，QM-A），采样前空白滤膜在450℃下灼烧6 h，采集后的样品用干净的铝箔包裹并置于冰箱（-18℃）中待分析。

1.2 吸收光谱及有机碳含量的测量

样品总碳（total carbon，TC）值的测量使用热光法碳分析仪（DRI 2011）的IMPROVE A法。测量溶剂萃取前后TC值的方法为：裁取0.526 cm2的滤膜2份。其中1份直接测量TC值，即为溶剂萃取前的TC值。另1份置于15 mL棕色玻璃瓶中，加入萃取溶剂（混合溶剂或甲醇）5 mL超声萃取30 min，将萃取后的滤膜置于通风橱中自然晾干24 h，晾干后测量得到的TC值，即为溶剂萃取后的TC值。由于萃取前后滤膜上不溶性碳的损失很少，因此萃取前后总碳的差值即为溶剂所萃取有机碳的总量（Subramanian et al，2006；Cheng et al，2012；Cheng et al，2016）

溶剂萃取：取0.526 cm2的滤膜置于15 mL棕色玻璃瓶中，加入萃取溶剂（有机混合溶剂或甲醇）5 mL超声萃取30 min。为了除去萃取液中不可溶物质，萃取液用0.45 μm的PTFE过滤头过滤后再进行光学性质的测量。

溶剂多次萃取实验：第1次溶剂萃取（萃取过程同上）结束后，用氮气将滤膜吹干再加入第2次的萃取溶剂进行萃取，第2次萃取后再用氮气将滤膜吹干，加入第3次的萃取溶剂进行萃取。第1、2次与第3次所用萃取溶液不同，如第1、2次用甲醇则第3次用混合溶剂，反之亦然。这样操作的目的，是为了验证第1、2次萃取完全后，换另一种溶剂是否还能萃取出吸光性有机物。

吸收光谱的测量是用液芯波导毛细管池（LWCC-3100，world precision instrument）相连的紫外 — 可见分光光度计测量（波长范围：250 — 700 nm）样品的萃取液获得，仪器的光程为0.94 m。

1.3 光学性质的计算

根据LWCC-紫外 — 可见分光光度计的数据，可通过公式(1)计算出棕碳的吸收系数Absλ（absorption coefficient，Mm-1）（Hecobian et al，2010）：

式中：A700是在700 nm处的吸光强度，用于基线扣除。V1代表萃取溶剂（混合溶剂或者甲醇）的体积（mL），Va是所萃取样品对应的采样体积（m3），L是光程（0.94 m）。由于吸收系数是以e为底的，因此公式中ln(10)是将紫外 — 可见分光光度计所记录的以10为底的对数数据转化为自然对数数据。

根据样品所测量的OC、EC值及其吸收系数通过公式(2)可计算出样品的质量吸收效率MAE（mass absorption efficient，单位m2· g-1（以碳计））：

式中：M（μg · m-3）是溶于混合溶剂或者甲醇的有机碳浓度（OSOC或MSOC），此值用溶剂萃取前后OC的差值表示（Chen and Bond，2010）。

AAE（Ångström absorption exponent）是表征提取溶剂中发色团的波长依赖性的数值，其值可根据公式(3)求出：

式中：k是与发色团浓度相关的常数项，本文中AAE值的计算是通过300 — 500 nm log Absλ与logλ的线性回归求得。

2 结果与讨论

2.1 混合溶剂和甲醇提取样品的光学性质差异

混合溶剂和甲醇提取样品的吸收光谱如图1所示。从图1a中可以看出在300 — 600 nm两者的吸收系数均随着波长的增加而迅速减小，在紫外 — 可见光区有明显的波长依赖性，这与目前棕碳光学性质的研究结果一致（Hecobian et al，2010；Lack et al，2012；Yan et al，2018）。在300 — 600 nm，甲醇所提取样品的吸收系数均值是混合溶剂的1.8倍左右（1.8 ± 0.1）。在365 nm处，混合溶剂和甲醇提取样品的吸收系数分别为(7.6 ± 4.5) Mm-1、(14.6 ± 9.5) Mm-1。其中甲醇所提取样品在365 nm处吸收系数与国内其他城市的冬季数值相比较低，如北京冬季甲醇提取的棕碳吸收系 数 为(26.6 ± 18.8) Mm-1（Cheng et al，2016），西安为(34.4 ± 18.4) Mm-1（Yuan et al，2020），广州为23.5 Mm-1（Li et al，2019），榆林为(27.5 ± 12.0) Mm-1（Lei et al，2018）。在250 — 300 nm甲醇提取的棕碳吸收系数出现了峰值，而混合溶剂的吸收系数随波长的降低仍在增加。出现这种谱图差异的原因可能是两种溶剂提取出的吸光性有机物质的组成不同。根据相似相溶原理，萃取溶剂的极性与其所萃取目标物的极性相近。由于甲醇和混合溶剂的极性范围不同，因此两种溶剂所萃取的目标物质的极性也不同。混合溶剂极性范围更广，可能提取出一些甲醇无法提取的在短波长处有强吸光的有机化合物。

混合溶剂和甲醇提取棕碳的AAE值分别为5.5 ± 0.3、5.7 ± 0.3（表1）。甲醇所提取棕碳的AAE值低于北京（7.1）（Cheng et al，2016）、三峡地区（9.0）（Peng et al，2020），但远高于喜马拉雅（3.8）这样人为污染相对较少的地区（Kirillova et al，2016）。AAE值表征了棕碳吸收系数随波长变化的快慢，可以反映棕碳组分以及来源。如Yuan et al（2020）对比了郊区、农村以及城市地区棕碳的AAE值，发现大部分城市地区棕碳的AAE值低于郊区及农村地区，并认为可能是城市地区人为排放源导致此种差异的产生。除此之外，同一地区的AAE值表现出了明显的季节性差异，这是由于在不同季节棕碳的来源以及生成过程不同（Li et al，2020；Yuan et al，2020；Luo et al，2021）。因此本研究认为西安相较于北京、三峡以及喜马拉雅地区AAE值差别较大，是由于这些地区棕碳排放源及生成过程存在差异。

表1 甲醇和混合溶剂提取的棕碳在365 nm处的吸收系数（Abs）、质量吸收效率（MAE）、吸收埃指数（AAE）值及提取效率Tab. 1 The Abs365, MAE365 and AAE of methanol and organic mixed solvent-soluble BrC and the extraction efficiency of OC by methanol and organic mixed solvent

如图1b所示，甲醇和有机混合溶剂所萃取棕碳质量吸收系数曲线在280 nm处出现交点，甲醇所萃取棕碳质量吸收效率在280 — 600 nm明显高于混合溶剂（倍数为1.2 ± 0.1），而在250 — 280 nm混合溶剂明显高于甲醇（倍数为1.4 ± 0.5）。两者在365 nm处质量吸收效率分别为(0.7 ± 0.4) m2· g-1、(0.9 ± 0.5) m2· g-1。根据图1吸收系数以及质量吸收效率随波长的变化，不难看出混合溶剂所萃取的棕碳与甲醇相比其吸光能力在短波长更强（250 — 280 nm），在长波长处较弱。出现此现象的原因可能是混合溶剂所提取的棕碳类物质在短波长处的吸光较强。已有研究表明：特定波段的吸光可以反映棕碳化学性质，这样表征的主要依据是棕碳类物质的吸光与其所含官能团密切相关（Turro et al，2012）。如腐殖质类物质（humic like substances，HULIS）是棕碳的主要吸光性组分之一（Bahadur et al，2012；Chung et al，2012），其在270 — 280 nm的吸光可以表征腐殖质类物质的芳香性（Traina et al，1990；Chin et al，1994）。而富里酸在250 — 300 nm所表现出的吸光特性主要是由于其所含C C 和 C O 的π→π* 电子跃迁（Chin et al，1994；Peuravuori and Pihlaja，1997）。再如咪唑这类含氮杂环的吸光性物质主要的吸收波长在280 nm 左右（Nozière et al，2009；Kampf et al，2012；Teich et al，2016）。因此本研究认为，混合溶剂和甲醇所提取的棕碳类物质在化学组成上存在差异。

图1 混合溶剂和甲醇提取样品的吸收系数（a）和质量吸收效率（b）谱图Fig. 1 Absorption spectrum (a) and MAE (b) for samples extracted by organic mixed solvent and methanol

2.2 混合溶剂和甲醇提取有机物质的差异性

从上文的结果中，发现混合溶剂和甲醇提取棕碳的光学性质有很大差异，本研究认为原因是两种溶剂所提取的目标物质在化学组成上存在差异。

为了进一步验证这个结论，本研究对比了两种溶剂提取有机物质总量。即通过对比溶剂萃取前后滤膜上TC的差值来计算两种溶剂对有机物质的提取效率（Subramanian et al，2006；

Chen and Bond，2010；Cheng et al，2012；Cheng et al，2016）。结果如表1所示，甲醇提取的有机物总量比混合溶剂高出20%左右，其中溶剂萃取 前 样品TC的 均 值为(26.8 ± 11.9) μg · cm-2，甲醇和混合溶剂萃取后样品TC的均值分别为(9.8 ± 4.1) μg · cm-2，(15.15 ± 6.4) μg · cm-2。混合溶剂的极性范围比甲醇广，因此传统观点认为混合溶剂能萃取出更多的有机物。但此次结果表明：对于大气样品，甲醇相较于混合溶剂能够萃取出更多的有机物。而棕碳是一类吸光性有机物，因此相较于混合溶剂，甲醇对棕碳的萃取效率可能更高。

目前已有研究对比了不同溶剂对棕碳的提取效率。Chen and Bond（2010）对比了乙腈、甲醇、正己烷、水这四种溶剂对一次排放生成棕碳的提取效果。从对有机物质的提取总量角度来看，四种溶剂提取效果的优劣顺序为乙腈≈甲醇＞水＞正己烷。乙腈和甲醇所提取棕碳的质量吸收系数相近且明显高于水和正己烷，因此该研究认为甲醇和乙腈相比于其他两种溶剂对棕碳的提取效果更好。而Lin et al（2017）则用水，乙腈，有机混合溶剂（乙腈∶二氯甲烷∶正己烷= 2∶2∶1）萃取了实际大气样品，对比了这三种溶剂对棕碳的提取效果。由于大气样品靠近生物质燃烧源，因此在对比其吸光强度时考虑了生物质燃烧这个因素。在生物质燃烧前、中、后期，乙腈和有机混合溶剂所萃取棕碳的吸光强度相当且强于水。对于生物质燃烧刚结束时的大气样品，有机混合溶剂所萃取棕碳的吸光强度高于乙腈。

从上述研究中不难看出乙腈、甲醇以及有机混合溶剂（乙腈∶二氯甲烷∶正己烷= 2∶2∶1）对棕碳萃取效果相比于目前其他常用溶剂较好。但目前还未有研究对比混合溶剂和甲醇对棕碳的萃取效果。本文2.1节虽然从棕碳的吸光强度以及所萃取有机物质量的角度对比了两种溶剂的萃取效果，但为了进一步探究及验证两种溶剂所萃取棕碳光学差异性的原因，本研究设计了溶剂多次萃取实验。即针对同一样品，先用溶剂1（混合溶剂或者甲醇）萃取两次，再用溶剂2（即与溶剂1不同的溶剂 —— 甲醇或混合溶剂）进行第三次萃取。三次萃取的吸收光谱如图2所示，图3为将三次萃取吸光强度加和的结果。

图2 三个样品的吸光谱图Fig. 2 Spectra of absorbance for three samples

图3 三次萃取吸光强度加和的吸收光谱Fig. 3 The spectra of absorbance for the sum of three time extraction

通过图2a、图2c、图2e可以看出，经过两次甲醇萃取后的样品再用混合溶剂进行第3次萃取仍然可以萃取出吸光性有机物且吸光强度与第2次相当。在最大吸收波长处（270 nm），第1、2、3次吸光占其加和的百分比分别为：69.5% ± 4.2%、9.0% ± 2.5%、21.6% ± 2.0%，在365 nm 处分别为：76.2% ± 7.7%、10.1% ± 3.9%、13.8% ± 3.9%。通过图2b、图2d、图2f可以发现，用混合溶剂萃取两次后的样品再用甲醇萃取仍然能萃取出吸光性有机物质。在最大吸收波长处（250 nm），第1、2、3次吸光占其总和的百分比分别为：65.6% ± 6.1%、19.0% ± 4.4%、15.5% ± 7.5%，在365 nm 处分别为：48.4% ± 1.7%、9.8% ± 2.9%、41.9% ± 1.7%。通过以上对比可以发现，对于实际大气样品在经过两次甲醇或混合溶剂萃取后，第3次用另一种溶剂仍然能够萃取出吸光性有机物，但所萃取物质主要吸光波长区间不同。混合溶剂第3次萃取出的物质主要吸光区间在250 — 300 nm，而甲醇在250 — 600 nm的吸光均较强。这与2.1节所得出两种溶剂萃取棕碳光学性质出现差异性的原因是两者萃取目标物质的化学组成不同这一推论相吻合。

而通过对比图2a — 2f可以看出，甲醇第一次萃取棕碳的吸光强度明显高于混合溶剂。而对比两种溶剂第3次的萃取效果，甲醇萃取棕碳的吸光强度仍然明显高于混合溶剂。出现这种结果可能的原因主要有两种：（1）甲醇能够萃取出混合溶剂无法萃出的强吸光性有机化合物。（2）甲醇的溶剂效应使剩余化学物质吸光性增强。

而为了验证甲醇和混合溶剂所萃取棕碳类物质的差异，本研究将三次萃取所测得的吸光强度加和进行对比，结果如图3所示。从图3c中可以看出，萃取顺序为甲醇（甲）-甲醇（甲）-混合溶剂（混）和混合溶剂（混）-混合溶剂（混）-甲醇（甲）的三次吸光强度加和有明显差异，这说明甲醇和混合溶剂所萃取的目标化合物确有差异。再结合图2得出的结论，无论是甲醇还是混合溶剂第3次萃取的吸光强度明显比第1次萃取的吸光强度小，这说明甲醇和混合溶剂所萃取的棕碳有一部分化学物质是相同的。即甲醇和混合溶剂所萃取的吸光性化学物质既有重合又有不同。

2.3 溶剂对发色团吸收光谱的影响

根据上文所得结论，混合溶剂和甲醇所萃取棕碳的吸收光谱出现差异性的原因可能有两种。第一种：两种溶剂所萃取的吸光性有机化合物不同。第二种：两种溶剂的溶剂效应所导致吸收谱图的差异性。第一种原因在上文中已进行验证，为了验证第二种原因，本研究测量了目前已知的两类发色团分在混合溶剂和甲醇中的吸收光谱，以此讨论溶剂效应对棕碳吸收光谱的影响。

图4为溶于混合溶剂和甲醇的硝基芳香族化合物的质量吸收效率谱图。从图4中可以看出，4-甲基-3硝基苯酚和4-硝基苯酚在两种溶剂中的吸收谱图基本一致。而对于4-硝基儿茶酚、3,4-二硝基苯酚这两种物质，溶剂由甲醇更换为混合溶剂时其在短波长处吸光增强，长波长处吸光强度减弱。对于3-硝基水杨酸和5-硝基水杨酸，当溶剂由甲醇变换为混合溶剂，两者吸收光谱出现明显的红移。综上，本研究发现溶剂效应确实对硝基芳香族化合物的吸收谱图有影响，而这种影响对不同种的硝基芳香族化合物不同，有些是特定波段的吸收强度增强，有些则是吸收光谱的红移或蓝移，而有些几乎无影响。

图4 溶于混合溶剂（红线）和甲醇（黑线）的硝基芳香族化合物质量吸收效率Fig. 4 The mass absorption efficient of nitrated polycyclic aromatic compounds dissolved in organic mixed solvent (red line) and methanol (black line)

图5为溶于混合溶剂和溶于甲醇的多环芳烃质量吸收效率谱图。通过图5可以发现两种溶剂对这六种多环芳烃类物质的吸收谱图影响较小，当溶剂由甲醇换为混合溶剂时，菲、蒽、1,2,5,6-二苯并萘这三种物质在短波长（250 — 300 nm）的吸光增强，长波长的吸光无变化。对比图4、图5可以发现，两种溶剂的转换对于弱极性物质（如本文的多环芳烃类物质）的吸收谱图影响较小，而对于部分极性物质（如硝基芳香族化合物）则有显著的影响。Reichardt（2003）曾就溶剂对有机物质吸收谱图的影响展开了讨论，认为有机物质在不同溶剂中吸收谱图会发生变化的原因是物质在溶剂中存在形态发生了变化。溶剂极性的改变可使极性较强的物质发生如分子内电荷转移等反应，从而改变其基态和激发态的偶极矩进而影响其吸收光谱。由于只有当基态分子和激发态分子有明显电荷分布或偶极矩差异时，其吸收光谱才会发生明显变化。因此多环芳烃这类弱极性物质的吸收谱图对溶剂依赖性很小。近年研究关于硝基芳香族化合物光学性质的研究也表明在不同pH环境下其吸光强弱也会有明显的变化（Phillips et al，2017；Teich et al，2017），这也能够说明硝基酚类物质存在形态的变化会对其吸收谱图产生影响。如Teich et al（2017）发现，较高pH会导致硝基芳香族化合物的羟基和羧基发生脱质子化反应，进而导致其最大吸收波长红移，在370 nm处摩尔消光系数增强。由于大气气溶胶的环境更偏向于酸性环境，因此从这个角度来说硝基芳香族化合物在大气中存在的形态更偏向于中性形态（Scheinhardt et al，2013）。但Hinrichs et al（2016）的研究结果却表明：硝基酚类物质能以脱质子形态（碱性环境下的存在形态）吸附于颗粒物表面。因此，对于硝基酚在实际大气中以何种形态存在仍然需要更进一步的研究。

图5 溶于混合溶剂（红线）和甲醇（黑线）的多环芳烃质量吸收效率对比Fig. 5 The mass absorption efficient of nitrated polycyclic aromatic hydrocarbons dissolved in organic mixed solvent (red line) and methanol (black line)

综上所述，溶剂的变化会导致硝基芳香族化合物的存在形态改变，进而导致其吸收谱图发生变化。因此本研究认为混合溶剂以及甲醇所萃取棕碳吸收谱图出现差异性的原因之一是部分棕碳物质在两种溶剂中存在形式不同。

3 结论

本研究主要讨论了混合溶剂和甲醇所萃取棕碳吸收光谱的差异性以及主要原因，得出如下结论：

（1）甲醇所萃取棕碳的吸收系数明显高于混合溶剂。而对于质量吸收效率，在280 — 600 nm甲醇所萃取的棕碳明显高于混合溶剂，而在250 — 280 nm混合溶剂所萃取的棕碳明显高于甲醇。

（2）甲醇所萃取有机化合物的总量比混合溶剂高出20%，说明甲醇所萃取棕碳吸收光谱强于混合溶剂萃取的棕碳的原因之一可能是甲醇能够提出更多的有机物。

（3）用混合溶剂和甲醇多次萃取同一样品，结果表明甲醇和混合溶剂所萃取的棕碳类物质的化学组成有相同也有不同部分，这也是甲醇和混合溶剂所萃取棕碳吸收光谱出现差异的原因之一。

（4）对比硝基芳香族类化合物和多环芳烃类化合物在混合溶剂和甲醇中的吸收光谱，发现两种溶剂的变换对于硝基芳香族这类极性化合物的吸收光谱有很大影响，而对于极性较弱的多环芳烃类物质吸收光谱的影响很小。主要原因是极性物质在不同溶剂中其存在形式不同。因此本研究认为部分棕碳类物质在不同溶剂中存在形式不同也是两种溶剂所萃取棕碳吸收光谱不同的原因之一。