粒子污染度

p　　污染城市大气中的纳米微细粒子是怎样从不可胜数的空气分子形成的?最近，这件听起来无异于大海捞针的事情被复旦大学环境科学与工程系教授王琳和他的科研团队做成了。四年筹备，三年半实验与数据分析，两年持续观测，他们首次发现并证实了我国典型城市上海大气中的硫酸-二甲胺-水三元成核现象，揭示了我国典型城市上海大气污染纳米微细粒子形成，也就是所谓大气新粒子形成的化学机制，为我国大气颗粒物污染防治政策的制定提供了新的科学证据。/pp　　在此之前，污染城市大气中的大气新粒子形成事件的化学与物理机制一直是一个未解之谜。对于他们的发现，王琳给出了一个比喻：“这相当于我们从133倍于地球人口数的气体分子中找出了最关键的那2个，一个是硫酸分子，另一个是二甲胺分子，他们碰到一起，就可能发生大气新粒子形成事件了。”7月20日，研究结果以《中国典型超大城市的硫酸-二甲胺大气新粒子形成事件》(“Atmospheric New Particle Formation from Sulfuric Acid and Amines in a Chinese Megacity”)为题发表于国际顶级学术期刊《科学》(Science)。复旦大学环境科学与工程系博士生姚磊、芬兰赫尔辛基大学博士生奥尔加· 加尔马什(Olga Garmash)为共同第一作者，王琳为通讯作者。/pp　　攻坚克难：挑战大气新粒子形成事件的“世界未解之谜”/pp　　大气PM2.5污染是关系国计民生的重要议题。在大众观念中，工厂和汽车的尾气排放是造成PM2.5颗粒物污染的主要原因之一，“这是由人类活动或者自然活动所带来的大气颗粒物直接排放，我们的‘术语’称之为‘一次排放’。”王琳介绍说，除了“一次排放”，在空气当中，时常发生着的，还有颗粒物的“二次形成”。/pp　　相较于“一次排放”，“二次形成”过程较为复杂。其形成过程大致分为两种：第一种过程指空气中的挥发性气体可通过化学反应生成饱和蒸气压较低的反应产物，这类物种会凝降在已有颗粒物的表面上，增加颗粒物的质量浓度 而另一种过程则会大幅增加颗粒物的数量浓度，大气中部分气体分子随机碰撞，通过分子间作用力或化学键而生成分子团簇，分子团簇的进一步生长则形成了纳米微细粒子，也就是大气新粒子，期间发生从气体到凝聚态的相变 这些纳米微细粒子的继续生长，则可以造成大气PM2.5污染。“‘二次形成’让大气中的颗粒物变得更‘重’、更‘多’，我们课题组目前主要关注变‘多’的过程，研究城市空气中的大气新粒子是怎么形成的。”王琳说。/pp　　近年来，相对洁净大气中的大气新粒子形成事件的大气化学机制被逐渐建立。然而，城市大气因其成分的复杂性和多样性，其中的大气新粒子形成事件的特征与洁净大气中的该类事件有着显著区别。在大气新粒子的形成过程中，从小于1纳米的气态前体物分子到1-2纳米左右的分子团簇再到几个纳米的纳米微细粒子，质量和粒径都十分微小，其大气混合比更是在兆分之一以下，这给科研人员开展原位、实时的测量提出了极大的实验挑战。/pp style="text-align: center "　　img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/noimg/d331b5ae-e3db-4a6d-a4d9-06b481330ee8.jpg" title="图1.webp.jpg"//pp style="text-align: center "　　图1.应用硝酸根试剂离子化学电离-飞行时间质谱技术所识别的大气痕量物种的质量亏损图。/pp　　“通过测量3纳米以下颗粒物的浓度来判断大气新粒子形成事件是否发生已经很难了，还要想办法把与这一过程相关的气态前体物和分子团簇的化学组分测出来，再识别其中哪些分子和分子团簇对这一事件有着比较直接相关的贡献。”从测量到识别再到形成机制的推导，每一个步骤的推进都是一次“难上加难”的“拓荒”，因此城市大气中的大气新粒子形成事件的化学与物理机制一直是一个未解之谜，是大气化学研究领域的难点之一。/pp　　利用国际上最新发展的纳米颗粒物粒径放大技术，从2014年3月到2016年2月，王琳团队针对这一难题在上海开展了长达两年的连续大气观测。“我们就在复旦大学邯郸校区第四教学楼的楼顶做(实验)，那里有一个环境系的大气超级观测站。”但这一技术还远远未发展到高度自动化的“黑箱”阶段，只有使用者对仪器有深入了解并积累了丰富的使用经验，才能在一定程度上保障测量数据的准确性和真实性。/pp　　进行大气外场观测、成功捕获信息是研究“攻坚克难”的关键性“播种”环节，要想让种子“生根”“发芽”到最终“结果”，还需要持续不断的“浇灌”。/pp　　“我们做了两年观测，其中在2015-2016年冬季还使用了包括飞行时间质谱在内的更多仪器设备，进行了加强观测，积累下来的数据少说也有几百个G了。”王琳说，数据分析、现象识别和信息甄别也是一项大工程。从2016年3月到2017年7月，他们和来自芬兰赫尔辛基大学的合作者一起，花了一年半的时间，才完成了对收集来的海量数据的系统整理和深入分析。/pp　　功夫不负有心人，三年半的时间，王琳团队终于收获累累硕果：他们测得了上海城市大气中1-700 纳米区间大气颗粒物的粒径分布浓度，获得了大气新粒子的形成速率和成长速率 并应用大气常压界面-飞行时间质谱和硝酸根试剂离子化学电离-飞行时间质谱技术，测量了大气新粒子形成事件期间大气中性和带电分子团簇的化学组分。/pp　　研究结果表明在我国典型城市上海大气新粒子的形成过程中，一个气体硫酸分子和一个二甲胺分子随机碰撞，通过氢键形成稳定的分子簇，分子簇通过与其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺团簇的碰撞继续生长 一定尺寸以后，其他物种(例如极低挥发性有机化合物)开始加入这个过程，并最终形成大气新粒子。/pp　　研究中还观测到了世界各地大气外场观测中最高的硫酸二聚体质谱信号，并识别了多个关键硫酸-二甲胺分子团簇，所得的上海大气中新粒子形成速率与实验室中硫酸-二甲胺-水三元成核模拟实验所得的新粒子形成速率具有一致性。这是首次在外场观测中发现并证实硫酸-二甲胺-水三元成核机制可以用于解释我国典型城市大气中的大气新粒子形成事件。/pp style="text-align: center "　　img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201807/noimg/fb72a874-82a6-4501-aedb-5e1a5ec581db.jpg" title="图2.webp.jpg"//pp style="text-align: center "　　图2. 外场观测所测得的大气新粒子形成速率与实验室模拟的对比。/pp　　七年磨剑：坚守孕育大气污染防治的新希望/pp　　据介绍，这一研究由复旦大学环境科学与工程系上海市大气颗粒物污染防治重点实验室、复旦大学大气科学研究院教授王琳团队与芬兰赫尔辛基大学教授马库· 库马拉(Markku Kulmala)团队、南京信息工程大学、上海市环境监测中心、上海市气象局、上海市环境科学研究院、美国飞行器公司(Aerodyne)合作完成。研究成果有望解释高污染城市大气中的大气新粒子形成事件，从而为我国的大气颗粒物污染尤其是大气颗粒物的二次形成提供潜在的防治措施，也有助于更好地理解我国的雾霾污染和更大尺度上的全球气候变化。/pp　　“对我们的研究来说，环境相关性是至关重要的，自然环境中不可控的因素太多了，往往需要很长时间只能做一件事情。”从2014年3月项目正式启动，到2017年7月成果初显，王琳和他的团队一个项目做了三年半，实际上，这个项目花的时间远不止这么多。/pp　　“我在美国做博士后的时候已经开始开展相关的课题了，那时候也预感到仪器设备的发展可能在近期会有一次突破，所以一直在等待机会。”2011年1月，王琳作为第一批“青年千人”扎根复旦，但在回复旦以前，他就开始为了这个项目四处忙碌。联系厂家、购置仪器、熟悉仪器的性能、熟练相关操作等准备工作并不简单，王琳说，相较于直接花在做实验上的时间，前期准备时间更长。/pp　　在复旦的前七年时间里，王琳把一大半的精力都投在了这个项目上，但前几年的研究几乎看不到任何回报，很少有直接可见的文章产出。“我心里着急的很，但幸好复旦的科研环境还是比较宽松的，系里的前辈也都很支持我做这件事情，没有人掰着手指头数我发了几篇文章，催着我一定要出成果。”王琳很感激这种理解和支持：国家青年千人计划的启动资金资助、国家自然科学基金委的连续滚动支持、上海市各方同仁的通力合作、依托复旦大学而建的上海市大气颗粒物污染防治重点实验室五十多位同事共同打造的研究平台，让他做成了这件“拖得很久”又“很难做”的事情。/pp　　“我们做环境研究的，讲究做出来的科研成果在真实环境中有应用，是在真正的环境中发生的过程，而不是一个只会在实验室中发生的科学实验。”这也是王琳及其团队坚持在成分复杂多样的城市大气中开展此项研究的原因。“我们的研究成果和每个人的日常生活息息相关。”/pp　　王琳认为，在中国典型的城市环境中，除了加强对污染物一次排放的监测和管理，对污染物的二次形成也应予以同样程度的关注和重视。得益于此项研究中提出的化学机制，参与大气新粒子形成过程中的关键化学物种将得到更有针对性的控制，从而有望有效地降低空气中颗粒物的数量浓度，减轻我国的大气颗粒物污染。另外，从更大的维度来看，将这一机制运用于全球气候模式中，能够更好地模拟全球大气颗粒物乃至云凝结核的数目，更好地理解整个地球的气候变化趋势。/pp　　谈及项目之后的发展，王琳说：“我们的研究还有很多值得进一步探索的地方，这个项目之后还会继续。”他希望，在现有的硫酸-二甲胺-水三元成核化学机制框架下，能进一步明确我国城市大气新粒子形成事件中的前体物主控因素，理解城市大气新粒子形成事件与雾霾形成的关系，从而助力国家推出更有针对性的污染防控措施。/p

民进中央建议尽快制定细粒子污染物监测标准　　改进大气环境质量评价体系　　在正在召开的全国政协十一届四次会议上，民进中央提出提案建议，希望借鉴国际上空气质量监测评价的一些通行做法，对我国现行的空气质量标准和评价(API指数)体系进行修改完善。　　大量研究表明，当前我国的大气污染结构已由过去的煤烟型污染转变为煤烟型和汽车尾气复合型污染，具体表现为二氧化硫、二氧化氮、挥发性有机物(VOC)、可吸入颗粒物(PM10)和细粒子(PM2.5)等多种污染物都以高浓度同时存在的污染状况。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，肉眼无法看见，是导致黑肺和灰霾天的主要凶手。　　早在上世纪90年代，中国就已有地方对PM2.5进行监测。数据显示，当时在广州等地的监测结果显示，4城市的PM2.5年均值为46~160微克/立方米，是美国标准值的3~10倍。进入2000年后，这一状况更为恶劣。环保部2009年撰写的《国家污染物环境健康风险名录》中显示：根据中国部分城市地区大气PM2.5近10余年的监测发现，北京等大城市PM2.5的质量浓度已经超过了100微克/立方米，是美国标准值的6倍。　　民进中央认为，大量研究结果显示，灰霾天气的根本原因是由细粒子(PM2.5)污染造成的。城市空气质量等级通过可吸入颗粒物、二氧化硫和二氧化氮三项指标计算得到的空气污染指数来确定。由于计算API指数采用的大气颗粒物指标是PM10，并未将PM2.5纳入API指数中，这就难免有“灰霾常常有，空气照样优”的现象出现。　　民进中央同时指出，由于我国的大气污染状况已由过去的煤烟型污染转变为煤烟、汽车尾气等复合污染，在主要控制煤烟型污染的背景下建立的环境空气质量标准及评价(API指数)体系，已很难真实反映出当前我国的大气环境质量状况及其对人体健康和生态等方面的影响。　　据了解，在15年一次的《环境空气质量标准》修订中，环保部在征求各方意见后只对此设立了参考限值，并未纳入强制性限制。目前这一指标的监测并没有在国内全面进行，也没有公开相关数据。对此，民进中央建议，尽快制定PM2.5的空气质量标准，开展PM2.5常规监测 将PM2.5纳入空气质量评价(API指数)体系，以便更好地向社会公众反映我国当前的空气质量和灰霾天气 将地面大气臭氧纳入环境空气质量评价(API指数)体系 在控制煤烟型污染的同时加强机动车尾气的管理，适时调整提高我国现行《环境空气质量标准》中二氧化氮和大气臭氧的标准限值。

病毒的感染研究通常是在大量细胞实验中进行的，一般要将许多培养细胞同时暴露于病毒中，这就使得研究单个病毒侵入事件和研究病毒在单个细胞之间的感染传播十分困难。多功能单细胞显微操作FluidFM技术通过温和的、微通道和力反馈控制的探针，将单个病毒粒子突破性的沉积在选定的单个细胞上，从而实现前所未有的控制，在单个病毒粒子--单个细胞水平上研究病毒感染。FluidFM技术可以帮助阐明关于毒性、病毒复制或宿主免疫应答的基本问题，从而促进新型抗病毒药物和疫苗的开发。放置单个病毒粒子单个病毒粒子可以被放置在您选择的细胞上的确切位置注入单个病毒粒子直接将单个病毒粒子注入特定细胞的细胞质或细胞核中测量生物量的变化测量细胞硬度的变化和单细胞力谱对感染细胞进行分离、提取和分析分离被感染的细胞，或进行单细胞活细胞提取，进而进行测序、质谱等分析观察和监测通过集成的成像系统和追踪软件对细胞进行长时间连续监测 FluidFM技术如何提升您的病毒学实验？ 1. 在病毒感染方面获得全新的视角FluidFM技术为病毒学研究引入了新的实验可能性，允许在贴壁细胞培养中控制病毒粒子与您所选择的细胞进行的相互作用。这为我们提供了全新的视角：细胞进入和感染机制方面；细胞反应、病毒协同性和病毒生命周期阶段；增殖，扩散率和细胞间感染方面FluidFM操作病毒的工作原理 2. 量化宿主防御和病毒协同性通过在细胞上放置一定数量的病毒粒子，宿主细胞对病毒的防御就可以被量化。因此，可以研究感染概率、宿主防御的局限性以及病毒粒子之间的合作关系。1个病毒粒子通过FluidFM微管的空心悬臂准备放置。图片由苏黎世联邦理工学院P. Stiefel提供。4个病毒粒子沉积在一个选定的单细胞上。图片由苏黎世联邦理工学院P. Stiefel提供。 3. 监测病毒在细胞间传播FluidFM技术一体机集成了CO2和温度控制的活细胞模块，同时也集成了成像模块。这保证了受感染细胞的细胞培养环境，并与软件支持的自动追踪功能一起，允许长时间观察受感染或操纵受感染细胞。这使得我们可以详细了解病毒感染是如何从宿主细胞传播到邻近细胞乃至传播到其他培养细胞的。 4. 将单个受感染细胞导入正常培养基，或将单个正常细胞导入处理培养基轻柔地从贴壁或悬浮培养中取出单个细胞，以高的精度定位地将其放入另一个孔板中，这样的操作可以充分保证细胞的活力。使得将单个感染细胞引入健康培养基后的进一步研究成为可能。同样的方法也可以用于将健康细胞、耐药细胞或药物处理后的细胞放置于受感染的培养基中。分离单个细胞 5. 单细胞活细胞的提取，以便进一步分析FluidFM技术可以根据形态学或荧光标记从培养物中分离出单个细胞。在保持完全存活的情况下，这些感兴趣的细胞可以在新的培养皿中扩增，或进行进一步的蛋白质组学或转录组学分析。甚至可以进行单细胞活细胞检测，如Live-Seq、TOF等。 6. 从感染的单细胞中获得单细胞力谱FluidFM探针集成了力学反馈功能，允许定量的机械相互作用，可达pN别的力学分辨率。测量由单个细胞感染引起的生物物理变化，如硬度的变化，粘附力的变化，甚至质量的变化。因此，FluidFM可以将病毒在宿主细胞上引起的形态变化与机械变化联系起来。单个细胞从完全贴壁、融合的培养状态中被拽离出来，并记录单细胞力谱。视频由德国Würzburg大学医药与牙医科学院A. Sancho和J. Groll提供参考文献：[1]. Koehler, M., Petitjean, S.J.L., Yang, J., Aravamudhan, P., Somoulay, X., Lo Giudice, C., Poncin, M.A., Dumitru, A.C., Dermody, T.S. & Alsteens, D. Reovirus directly enganges integrin to recruit clathrin for entry into host cells. (2021) Nature communications, 12, 2149.[2]. J. Yang, J. Park, M. Koehler, J. Simpson, D. Luque, J.M. Rodriguez & D. Alsteens. Rotavirus Binding to Cell Surface Receptors Directly recruiting a-integrin. (2021). Advanced Nanobiomed Research.[3]. Guillaume-Gentil, O., Rey, T., Kiefer, P., Ibáñez, A. J., Steinhoff, R., Brönnimann, R., Dorwling-Carter, L., Zambelli, T., Zenobi, R., & Vorholt, J. A. (2017). Single-Cell Mass Spectrometry of Metabolites Extracted from Live Cells by Fluidic Force Microscopy. Analytical Chemistry, acs.analchem.7b00367.[4]. Guillaume-Gentil, O., Grindberg, R. V., Kooger, R., DorwlingCarter, L., Martinez, V., Ossola, D., Pilhofer, M., Zambelli, T., & Vorholt, J. A. (2016). Tunable Single-Cell Extraction for Molecular Analyses. Cell, 166(2), 506–516.[5]. Guillaume-Gentil, O., Zambelli, T., & Vorholt, J. A. (2014). Isolation of single mammalian cells from adherent cultures by fluidic force microscopy. Lab on a Chip, 14(2), 402–414.[6]. Guillaume-Gentil, O., Potthoff, E., Ossola, D., Dörig, P., Zambelli, T., & Vorholt, J. A. (2013). Force-controlled fluidic injection into single cell nuclei. Small, 9(11), 1904–1907.[7]. P. Stiefel, F.I. Schmidt, P. Dörig, P. Behr, T. Zambelli, J. A. Vorholt, and J. Mercer. Cooperative Vaccinia Infection Demonstrated at the Single-Cell Level Using FluidFM. Nano Letters, 2012.