大气气溶胶中表面活性剂的提取与表征

摘要

本文介绍了针对大气气溶胶中表面活性剂的靶向提取方法，以及测定其在水中的绝对浓度和表面张力曲线（包括临界胶束浓度（CMC））的方法。

摘要

大气气溶胶中存在的表面活性化合物（或称表面活性剂）被认为在地球大气中液态水云的形成过程中发挥着重要作用，这是气象学、水文学及气候系统中的一个核心过程。然而，由于数十年来一直缺乏对这些化合物的特异性提取与表征，目前对其身份、性质、作用机制及来源知之甚少，从而阻碍了对云形成过程及其与地球生态系统潜在关联的全面理解。

本文介绍了近期开发的几种方法：1）从大气气溶胶样品中靶向提取所有表面活性剂；2）测定这些表面活性剂在气溶胶相中的绝对浓度；以及 3）测定其在水中的静态表面张力曲线，包括临界胶束浓度（CMC）。这些方法已通过9种参考表面活性剂进行验证，涵盖阴离子型、阳离子型和非离子型表面活性剂。本文展示了在克罗地亚某沿海地区采集的细颗粒气溶胶（粒径 <1 μm）中所检测到的表面活性剂的实测结果，并讨论了未来可能的改进方向及其他未在此呈现的表征方法。

引言

云在地球大气中、大多数环境与生态系统的水文学以及气候系统中都具有重要作用。然而，关于云的形成机制，某些方面仍未被完全理解，特别是存在于充当凝结核的气溶胶颗粒中的化学物质所起的作用。理论¹预测，气溶胶颗粒中存在的表面活性物质（即表面活性剂）可通过降低表面张力从而降低成核所需的能量，显著促进云滴的形成。但数十年来，这些效应始终难以通过观测证实，目前大气科学界很大一部分人否认表面活性剂在云形成中的作用，所有云物理研究及大气与气候模型也均忽略了这一因素。

目前对气溶胶表面活性剂在云形成过程中作用认识不足的原因之一，是缺乏有效分离和表征这些物质的方法。与来自其他环境的样品不同，大气样品的分析常常面临诸多挑战²，例如样品体积和质量极小（通常在10至100 μg之间）以及化学成分复杂（包含盐类、矿物和大量有机物的混合物）。为克服这些挑战并加深对气溶胶表面活性剂的理解，我们课题组近期开发了一些方法，用于：1）从大气气溶胶样品中特异性提取这些化合物；2）测定其在气溶胶相中的绝对浓度；以及3）测定其在水中的表面张力曲线，包括临界胶束浓度（CMC），即表面活性剂在界面达到饱和并开始在体相中形成胶束时的浓度。本文介绍了这些方法的最新版本。

将进一步讨论可与本文所述方法互补的其他改进方法和表征手段。这些方法的最新应用已表明，此类分析能够通过揭示表面活性剂在云形成中的作用本身³、确定大气气溶胶中表面活性剂的浓度^3,4,5,6及其在云滴形成过程中的作用机制^3,6、证实其生物来源^3,4,7，以及解释传统仪器难以检测到它们的原因^8,9,10，从而加深对表面活性剂在云形成中作用的理解。

方案

1. 按照表1所列准备本实验方案所需的材料

材料	制备/清洗
耗材（塑料注射器、针头、4 mL 小瓶、巴斯德移液管、微量移液器吸头）	无需预处理，直接使用，用后丢弃。
可重复使用的玻璃器皿（烧杯（用于超纯水）；15、30 和 60 mL 带软木塞的瓶子；固相萃取（SPE）用管；磁力搅拌子）	用乙醇清洗（仅用于比色法所用小瓶）。
	依次用自来水、乙醇、自来水和超纯水冲洗。
	将玻璃小瓶以及装有软木塞、磁力搅拌子和 SPE 管的烧杯中注满超纯水，放入超声波清洗仪中处理 15 分钟。
	倒去水，并用超纯水冲洗。
	在室温下空气中自然干燥。
	干燥后，盖紧所有瓶盖，并加盖存放以避免灰尘污染。
	为避免交叉污染，水提取和比色法应使用不同的玻璃器皿。
镊子和剪刀	先用乙醇清洗，再用超纯水冲洗。
	用压缩空气吹干。
玻璃培养皿及皿盖	先用自来水和刷子清洗，再用乙醇清洗。
	依次用自来水和超纯水冲洗。
	在室温下空气中自然干燥。
	干燥后，盖好培养皿并加盖存放，以避免灰尘污染。
SPE 真空装置	先用乙醇清洗，再用超纯水冲洗。
	用压缩空气吹干。
石英比色皿（用于紫外-可见光分析）	先用乙醇清洗，再依次用自来水和超纯水冲洗。
	用压缩空气吹干。

表1：本实验方案所用材料与玻璃器皿列表，包括其准备与清洗步骤。

2. 气溶胶样品的处理

注意：此处介绍的提取方法适用于采集在石英纤维滤膜上的大气气溶胶样品，其总重量至少为 8 µg。关于在大气中使用滤膜采集气溶胶样品的方法不在本文中说明，但可在文献中找到大量相关描述，例如参考文献^2,3,4,5,6。仅强调以下步骤。

1. 为每个单独的滤膜编号。
   注意：在整个操作过程中，应使用洁净的镊子操作滤膜，并仅夹持其边缘。
2. 在采样前，将滤膜以及铝箔或玻璃培养皿在 773 K 下烘烤 6 小时，进行预处理。
3. 在受控的温湿度条件下，使用精度不低于 1 µg 的微量天平对滤膜进行预称重，以确定采样前的质量。
4. 在采样期开始时、过程中以及结束时，定期采集空白样品：将一张滤膜放入采样器的滤膜 holder 中，但关闭泵，持续时间与实际采样相同（e.g. 若实际采样持续 24 小时，则空白滤膜应在泵关闭的情况下于采样器中放置 24 小时）。使用与实际样品相同的分析流程对这些空白样品进行分析。
5. 采样后应尽快将滤膜装入容器（背衬铝箔或玻璃培养皿）中，并在 -18 °C（255 K）冷冻保存，直至进行分析。
6. 在称重前，将滤膜置于干燥器中平衡 24 小时。在与预称重相同的受控温度和相对湿度条件下，通过采样后称重（减去采样前质量）确定每个样品的体积（滤膜上收集的气溶胶质量）。

3. 从气溶胶样品中提取表面活性剂

1. 水提取
   1. 将滤膜样品浸入超纯水中，在玻璃培养皿中于279 ± 1 K条件下孵育2小时，盖上皿盖，每隔约30分钟将培养皿水平持握并轻轻振荡。
      注意：47 mm 滤膜浸入 7 mL 溶液中，150 mm 滤膜浸入 35 mL 溶液中。使用 120 mm 玻璃培养皿时，需用洁净的剪刀将 150 mm 滤膜剪成四块，再放入培养皿中。
   2. 用3 × 1 mL超纯水清洗针头滤器（0.45 µm PVDF）。
   3. 使用洁净的注射器滤器过滤步骤3.1.1中获得的溶液，并将其转移至已预称重的60 mL玻璃瓶中。用5 mL超纯水冲洗培养皿，将冲洗液通过注射器滤器过滤后加入60 mL玻璃瓶中的溶液中。随后称量盛有溶液的60 mL玻璃瓶，以确定滤过水的体积，并在步骤4.4.5中测定表面活性剂浓度。
2. 固相萃取（SPE）提取
   1. 连接基于硅胶的SPE C18小柱（参见 材料清单 将萃取柱（有关萃取柱的详细信息，请参见相关说明）置于固相萃取真空装置上，该装置本身连接至真空泵。
   2. 用泵以1 mL/min的流速通入6 mL乙腈冲洗小柱，并施加真空。再用6 mL超纯水重复冲洗。停止抽真空，保持水位足够高以确保小柱始终湿润。
   3. 以低于1 mL/min的流速将步骤3.1.3中获得的样品通过固相萃取小柱。
   4. 用1 mL超纯水冲洗小柱以进行清洗，并通过在固相萃取装置上施加更强的真空使小柱干燥。
   5. 以低于1 mL/min的流速，将4 mL乙腈流经色谱柱，洗脱吸附在柱上的表面活性剂组分。
      1. 用氮气流吹干所得的乙腈溶液₂ 获得干燥的表面活性剂提取物，并将干燥提取物重新溶解于60 µL超纯水中。
         注意：本方法获得的 60 µL 提取物可作为母液，用于表面活性剂的多种表征。
3. 提取效率的测定
   注意：为测定第4节中不同类型表面活性剂的绝对浓度，需确定本提取方法对各类表面活性剂的提取效率。为此，需将以下方案应用于参考表面活性剂，例如十二烷基硫酸钠（SDS）、二辛基磺基琥珀酸钠（AOT）、十四烷基苄基二甲基氯化铵（zephiramine）、十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）、(1,1,3,3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇（见材料列表）、聚乙二醇十二醚（见材料列表）、表面活性素（surfactin）、鼠李糖脂（rhamnolipid）或L-α-磷脂酰胆碱。
   1. 加入参考水溶液标准品（10^-9 至 10^-4 将表面活性剂（1 mL超纯水中含若干摩尔）加入洁净的石英滤膜（克重0.85 g/m²）上^-2用微量移液器将相同体积的这些溶液直接加入样品瓶中作为平行样 "初始溶液".
   2. 将置于培养皿中的滤膜在干燥器中干燥24小时，然后根据第3.1–3.2节中的方案用表面活性剂提取滤膜。
   3. 使用第4节中描述的方法，测定初始溶液（第3.3.1步中样品瓶中的参考化合物溶液）和提取后溶液（第3.3.2步所得）中参考化合物的浓度。提取效率通过上述浓度的比值确定。
      注意：通常在本研究中，SDS 和 AOT（阴离子表面活性剂）的效率为 65 ± 10%，Zephiramine 和 CTAC（阳离子表面活性剂）的效率为 20 ± 5%，而 (1,1,3,3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇（见材料列表）、聚乙二醇十二烷基醚（见材料列表）、Surfactin、Rhamnolipid 和 L-α-磷脂酰胆碱（非离子型表面活性剂）的效率为 90 ± 10%。
4. 样品中总表面活性剂组分的提取
   注意：为了验证所提出的提取方法是否去除了分析样品中存在的所有表面活性剂（即 所有能够降低其表面张力的化合物）均可进行以下测试。
   1. 测定第一次萃取（步骤 3.1.3）后已知参考化合物溶液（或样品提取物）的表面张力（见第 5 节），其值应约为 50 mN m^-1.
   2. 测量第二次萃取步骤后剩余溶液的表面张力， 即 在步骤3.2.3中经过SPE柱后收集，该值应接近72.8 ± 1 mN/m^-1，纯水的表面张力值，表明样品中大部分或全部表面活性化合物已被提取去除。

4. 表面活性剂气溶胶相浓度的测定

注意：已选择比色法测定气溶胶相表面活性剂浓度，该方法可提供绝对浓度值，且对环境样品中的表面活性剂具有足够的灵敏度。^11,12,13,14 但由于不同类型表面活性剂需使用不同的试剂，因此必须分别测定阴离子、阳离子和非离子表面活性剂的浓度。为确保准确性，以下实验方案中所有溶液均须使用微量移液器配制，所有反应均须在玻璃小瓶中进行。

1. 阴离子表面活性剂的比色滴定
   1. 配制 pH = 5 的乙酸盐缓冲液水溶液（0.2 M 乙酸钠溶液与 0.2 M 乙酸溶液按体积比 70/30 混合），体积不少于 n × 200 µL，其中 n 为待分析样品的数量。
   2. 配制至少 n × 100 µL 的 0.1 M EDTA 溶液，其中 n 为待分析样品的数量。
   3. 配制至少 n × 500 µL 的 1 M 硫酸钠水溶液，其中 n 为待分析样品的数量。
   4. 配制乙基紫（C₃₁H₄₂N₃)^11,15,16,17 0.49 g L^-1 在至少 n × 200 µL 的水中，其中 n 为待分析样品的数量。
   5. 若从第3节获得的60 µL样品提取液开始，使用移液器在带盖的60 mL玻璃瓶中用超纯水将其稀释至10 mL。否则，取10 mL样品，使用移液器加入200 µL乙酸盐缓冲液、100 µL EDTA溶液、500 µL硫酸钠溶液和200 µL乙基紫溶液。
   6. 使用微量移液器向溶液中加入2.5 mL甲苯，放入磁力搅拌子，在500 rpm条件下搅拌1小时。
   7. 让水相和有机相静置约10分钟。待两相完全分离后，用巴斯德玻璃吸管移除甲苯相（上相），用于紫外-可见光谱分析（见第4.4节）。
2. 阳离子表面活性剂的比色滴定
   1. 配制 pH = 5 的乙酸盐缓冲液水溶液（0.2 M 乙酸钠溶液与 0.2 M 乙酸溶液按体积比 70/30 混合），总体积不少于 n × 1 mL，其中 n 为待分析样品的数量。
   2. 配制二硫蓝（C₂₇H₃₂N₂O₆S₂)^11,18 2.58 g L^-1 在90:10的水/乙醇混合液中（先用相应体积的水稀释染料，再加入相应体积的乙醇），总体积不少于n × 500 µL，其中n为待分析样品的数量。
   3. 将10 mL样品置于带盖的30 mL玻璃瓶中，使用微量移液器加入1 mL乙酸盐缓冲液和500 µL二硫蓝溶液。
   4. 用移液器加入2.5 mL氯仿，放入磁力搅拌子，在500 rpm条件下搅拌1小时。
   5. 静置约10分钟后，待水相和有机相分层，用注射器移除下层的氯仿，用于进行紫外-可见光谱分析（见第4.4节）。
3. 非离子表面活性剂的比色滴定
   注意：对于非离子型表面活性剂的滴定，无法找到一种能与所有非离子型表面活性剂反应的染料，但硫氰酸钴（Co(NCS)₂选择该方法是因为它能与最广泛的化合物发生反应。^12,19
   1. 通过将 n × 0.62 g 硫氰酸铵与 n × 0.28 g 六水合硝酸钴溶于 n × 1 mL 水中，配制硫氰酸钴溶液 mL 水，其中 n 为待分析样品的数量。
   2. 将3 mL样品置于带盖的15 mL玻璃瓶中，用移液器加入1 mL硫氰酸钴溶液。
   3. 用移液枪加入2 mL氯仿，放入磁力搅拌子，在500 rpm条件下搅拌1小时
   4. 静置约10分钟后，待水相和有机相分层，用注射器移除下层氯仿相，进行紫外-可见吸收光谱分析（见第4.4节）。
4. 紫外-可见光谱法的校准曲线绘制与定量分析
   1. 通过测定一系列已知浓度的参考化合物（如SDS或AOT）溶液在612 nm处的吸光度，建立阴离子表面活性剂的校准曲线（吸光度-浓度曲线）。
      注意：通常应使用12种浓度在0至5 µM之间（包含若干重复）的溶液来建立标准曲线。
      应分别对阴离子化合物（SDS 和 AOT）获得一条独特的校准曲线，其斜率 ε = 0.37 ± 0.02 µM cm^-1 所有阴离子表面活性剂的检测限为 0.054 µM。
   2. 采用类似方法建立阳离子表面活性剂的校准曲线，但在628 nm处测定吸光度，并使用Zephiramine或CTAC等参考化合物。
      注意：斜率应为 ε = 0.35 ± 0.05 μM cm^-1 所有阳离子表面活性剂的检测限为 0.059 µM。
   3. 采用类似方法建立非离子表面活性剂的校准曲线，浓度范围为0至20 µM，在317 nm处测定吸光度，并以聚乙二醇十二醚（见材料列表）作为参考化合物。
   4. 为确定第4.1、4.2和4.3节所得有机溶液中表面活性剂-染料复合物的浓度，取约1.5–2 mL上述溶液置于1 cm石英比色皿中，使用紫外-可见分光光度计分别在612 nm、628 nm和317 nm波长下测定其吸光度。每次测定前，需以有机溶剂作为空白对照（阴离子表面活性剂法使用甲苯，阳离子和非离子表面活性剂法使用氯仿）。
      注意：与阴离子和阳离子表面活性剂不同，使用硫氰酸钴作为染料时，不同的非离子型表面活性剂会得到不同的校准曲线。如本文建议使用聚乙二醇十二醚进行校准时，多数非离子型表面活性剂的浓度会被低估，从而确保测量误差始终具有相同的符号。 即 低估实际浓度。使用聚乙二醇十二醚作为参照时，所得斜率应为 ε = 0.013 ± 0.001 µM^-1 检测限为 0.3 µM。
      注意：根据使用不同非离子表面活性剂所获得的校准曲线斜率差异，以及某些表面活性剂可能完全无法被硫氰酸钴检测到的事实，我们进行了估算⁶ 该方法对非离子型表面活性剂浓度的系统性低估约为2倍，这是总表面活性剂浓度中不确定性的主要来源。
   5. 将阴离子、阳离子和非离子表面活性剂分别测定的浓度相加，计算各样品中的表面活性剂总浓度⁶ 并根据步骤 3.1.3 中获得的提取体积效率以及步骤 3.3 中测定的相应提取效率对每个浓度进行校正。
      注意：这些总浓度的整体不确定性估计为33%，主要源于非离子表面活性剂浓度的不确定性。
   6. 通过将提取物测得的浓度乘以气溶胶样品体积与提取物体积（60 µL）的比值，计算气溶胶样品中表面活性剂的平均浓度。

5. 测定表面活性剂在水中的绝对表面张力曲线

1. 悬滴张力法测量表面张力
   注意：对于气溶胶样品，建议采用悬滴法进行表面张力测量，因为该方法所需样品体积最小（有关张力计的详细信息，请参见材料清单）。尽管测量所用液滴直径在1.4至2.4 mm之间，但实验表明，测得的表面张力与含有相同表面活性剂浓度的微米级液滴的表面张力一致。^10,20 测量过程中温度必须保持恒定，波动范围至少控制在±3 K以内，且应持续监测液滴体积，以排除蒸发效应的影响。每次测量前需让液滴充分平衡（表面张力值不再变化），且每项测量应重复3至5次。
   1. 启动张力计的相机和软件（参考材料清单中的型号）。按照下文步骤5.1.2–5.1.5的协议，通过测量超纯水液滴的表面张力对张力计进行校准。
   2. 取一支1 mL注射器，安装直径为Ø 0.30 mm的针头（用于σ <45 mN m^-1）或直径为Ø 0.51 mm的针头（用于σ >45 mN m^-1），吸入步骤3.2.6中获得的表面活性剂溶液，并将其安装到张力计上，确保针尖位于相机视野内。
   3. 推动活塞，在针尖处形成一个直径为1至3 mm的液滴。
   4. 使用软件在液滴下落前拍摄其图像或视频。
   5. 运行软件的分析功能，将液滴形状拟合至杨-拉普拉斯方程，从而获得表面张力值。如前所述，应对同一液滴重复多次该操作，直至表面张力值不再变化，以确保表面活性剂在液滴中达到平衡。
      注意：此类表面张力测量的总体不确定度通常为±(0.3–1.0) mN m^-1。
2. 完整表面张力曲线与临界胶束浓度（CMC）测定
   1. 按照5.1节的协议，测量步骤3.2.6中获得的初始提取液的表面张力。
   2. 按照第4节的协议，测定同一样品提取液中的总表面活性剂浓度。该浓度与表面张力将作为曲线的起始点。
   3. 为绘制曲线其余部分，使用微量移液器加入超纯水，将提取液稀释一倍。测量稀释后溶液的表面张力。
   4. 重复步骤5.2.2，直至溶液的表面张力达到（或接近）纯水的表面张力（72.8 ± 1 mN m^-1）。各稀释溶液的表面张力值及其稀释倍数将构成表面张力曲线上的数据点。
   5. 通过将提取液中的浓度乘以提取液体积与样品体积之比，计算初始气溶胶样品中表面活性剂的平均浓度。
      注意：由于气溶胶样品体积通常小于60 µL的提取液体积，因此气溶胶中表面活性剂浓度通常高于提取液浓度，即曲线x轴上的最远点。
   6. 绘制表面张力曲线（图2）。首先标出对应于气溶胶条件的第一个点（x轴 = 步骤5.2.5确定的气溶胶样品中表面活性剂浓度；y轴 = 步骤5.2.1在60 µL提取液中测得的最低表面张力）。然后标出对应于步骤5.2.1中60 µL提取液的第二个点（x轴 = 60 µL提取液中的表面活性剂浓度；y轴 = 在60 µL提取液中测得的最低表面张力）。接着标出对应于步骤5.2.2中稀释后气溶胶提取液的第三个点（x轴 = 120 µL稀释提取液中的表面活性剂浓度 = 60 µL提取液浓度除以2；y轴 = 在120 µL提取液中测得的最低表面张力），依此类推，直至最后一个测得的表面张力值（步骤5.2.3）。
   7. 建立表面张力曲线后，通过确定曲线中陡峭斜率段与最低表面张力平台之间的交点，图解法确定CMC（见图2）。
      注意：仅当提取液中表面活性剂浓度显著高于CMC（即位于曲线上陡变区域之上）时，才能准确测定CMC值和最低表面张力。若该浓度低于CMC，则无法准确确定CMC的具体数值，此时提取液的表面张力仅能提供样品表面张力的上限估计值。

结果

注意：在应用于大气样品之前，本节介绍的所有方案均已使用9种参考表面活性剂进行测试，所得表面张力曲线、最低表面张力及临界胶束浓度（CMC）与文献报道值高度一致。^21,22

1. 浓度

2015年2月，在克罗地亚罗戈兹尼察沿海地区，使用石英纤维滤膜采集了细小气溶胶（直径<1 μm，即“PM1”）样品。这些样品的处理和提取方法分别如本文第2节和第3节所述。根据第4节所述方法，测定了气溶胶样品体积中阴离子、阳离子和非离子表面活性剂的浓度，以及总表面活性剂浓度 C_surf,p（M）。结果如图1所示，表明在所测得的表面活性剂中，阴离子和非离子表面活性剂占主导地位。

2. 样品的表面张力及提取出的表面活性剂的表面张力曲线

结合第5节所述的表面张力测量与浓度测量，得到了相同样品的绝对表面张力曲线，如图2所示。这些曲线反映了气溶胶样品中表面活性剂的浓度及其表面张力（“σ_min”），并可用于图解法确定临界胶束浓度（CMC）值（图2）。

图1： 在克罗地亚罗戈兹尼察采集的细颗粒气溶胶（PM1）中的表面活性剂浓度。 使用比色法测定2015年2月在克罗地亚沿海地区罗戈兹尼察采集的细颗粒（<1 μm）大气气溶胶中阴离子型（蓝色）、阳离子型（红色）和非离子型表面活性剂（绿色）的浓度，以及气溶胶相中总表面活性剂浓度（各表面活性剂浓度之和），C_surf,p（M）。结果明确显示阴离子型和非离子型表面活性剂占主导地位。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2：克罗地亚罗戈兹尼察气溶胶中表面活性剂的典型表面张力曲线及临界胶束浓度（CMC）。 通过结合表面张力和浓度测量结果，得到2015年2月3日样品中表面活性剂的绝对表面张力曲线。黑色圆点表示表面活性剂提取物测得的表面张力。曲线末端的橙色圆点表示气溶胶样品中计算得到的浓度（步骤4.4.6），及其表面张力“σ_min”。图中展示了CMC的图解确定方法。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

在该方案中，所有关键步骤均已详细说明。这些步骤包括使用滤膜收集气溶胶、从滤膜中提取表面活性剂（采用双重提取法：先进行水相提取，再进行固相萃取），以及对提取物进行分析（表面张力和浓度测定）。

在整个方法中，通过在空白滤膜上应用提取和分析方法进行质量控制（偏差 <5 mN m^-1 与超纯水相比，检测限以下的表面张力和吸光度（针对比色法），2）通过测定提取效率及其不确定性，包括重现性/重复性、在给定浓度范围内表面活性剂的提取百分比，3）通过考察比色法中可能的干扰物质 即 通过验证该方法仅能检测目标类型的表面活性剂（阴离子型、阳离子型和非离子型），而对其他类型无响应，具体操作详见参考文献^4,6通过参考文献中详述的方法，检测气溶胶提取物中的潜在干扰物（无机盐、小分子酸）对比色法的影响⁶.

据我们所知，本文介绍的大气样品中表面活性剂的提取方法目前是大气化学领域选择性最强的方法。特别是，该方法比过去用于研究这些化合物的简单水提取法具有高得多的选择性。^11,23,24 第二步提取至关重要，因为已有研究表明，该步骤可去除气溶胶样品中浓度较高的离子组分（如无机盐和小分子有机酸），这些组分会干扰浓度测定。⁶ 该提取方法还被证实能够完全去除样品表面及体相中所含的全部表面活性剂。因此，所得提取物浓度足够高，可实现对这些化合物的准确定性与定量表征。

然而，除了表面活性剂之外，还可能从大气气溶胶中提取出其他非极性或弱极性化合物。例如， "类腐殖质物质" （HULIS），通常采用类似方法提取²⁵ 并且根据采样区域的不同，这些化合物可能存在于提取物中。与我们样品中鉴定出的表面活性剂相比，这些化合物的表面活性较弱。^26,27,28 因此不应显著影响所测得的表面张力或临界胶束浓度（CMC）。然而，它们属于多元酸，可能会干扰阴离子浓度的测定。未来，需进一步研究它们对表面活性剂浓度测定的贡献（即 是否与用于滴定阴离子表面活性剂的染料乙基紫发生反应，需要加以确定。如果其干扰显著，则可在提取方法中增加额外步骤，以消除所有在紫外-可见光区或通过荧光具有活性的化合物，其中包括HULIS，但不包括表面活性剂。

迄今为止，除本文所述方法外，尚无其他可用于测量气溶胶表面张力及气溶胶表面活性剂表面张力曲线的方法。建议采用悬滴法进行此类测量，因为这是唯一一种所需样品体积与大气样品量相匹配的方法。目前正在发展一些光学技术，可直接在微米级颗粒上测量表面张力，且无需提取过程^10,20,29。目前这些技术仅适用于实验室制备的颗粒，但未来或许有可能应用于大气颗粒。

本研究中用于测定表面活性剂浓度的比色法此前已应用于大气气溶胶样品^11,13,14,30，但仅限于水提取物，而未用于如本方法中的双次提取样品。这是一个重要区别，因为如上所述，第二次提取步骤可去除无机盐和小分子有机酸等会干扰浓度测定的化合物⁶。

一种最初为海水和较大体积水样开发的电化学技术，也已被用于测定大气气溶胶中表面活性剂的浓度。^31,32 该方法属于相对测定法，即所得表面活性剂浓度依赖于所选择的参比化合物，并假设所有表面活性剂的检测灵敏度相同。当使用四辛基苯酚聚氧乙烯醚作为参比物质时，该技术的检出限为 0.02 mg L^-1，即 0.03 μM，与比色法测定阴离子和阳离子表面活性剂时约 0.05 μM 的检出限相当。但由于比色法在测定非离子型及总表面活性剂浓度时存在不确定性，因此比较这两种方法（交叉校准）将具有重要意义。

所介绍的方法中有一些方面可以进一步改进。

若能使用一种不同于硫氰酸钴的染料来检测所有非离子型表面活性剂，并且具有相同的灵敏度，将非常有用，并可减少当前浓度测量中的主要不确定性来源。

阳离子表面活性剂的提取效率目前估计为20%，仍可进一步提高，因为这些化合物在大气样品中通常处于检测限水平。例如，可通过使用特定的固相萃取柱来实现这一目标。

提取和滴定条件可进一步优化。例如，可同时使用三种不同的固相萃取（SPE）装置，每种装置针对一类表面活性剂进行优化，从而提高提取效率并提升方法的质量（降低污染风险）。还可确定SPE小柱中吸附剂的最佳密度，以匹配待分析样品的质量。滴定反应的条件（如pH值、添加剂）也可进一步优化，以进一步提高浓度测定的灵敏度。 即 降低检测限。

可在提取方案中增加其他测试或步骤，以排除可能被提取出的非表面活性物质。例如，可通过光学技术（紫外-可见光谱或荧光光谱）检测样品中是否存在HULIS。

进一步的改进虽然不能提升分析本身的质量，但可为大气表面活性剂提供更多相关信息，例如将本方法应用于不同粒径组分（即 气溶胶的亚群组，而非此处所展示的全部采集颗粒。此外，还可对提取物进行其他类型的分析，例如液相色谱-高分辨质谱（LC/HR MS）、串联质谱（tandem MS）或核磁共振（NMR），以确定表面活性剂的化学结构；或进行紫外-可见吸收光谱（UV-Vis absorbance）、荧光光谱或旋光测定，以指示提取物中是否存在高度共轭或手性化合物。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
石英滤膜	Fioroni		例如 Ø 47 mm 或 Ø 150 mm，克重 85 g/m2
铝箔或玻璃培养皿			在烘箱中烘烤（773 K，6 h）
镊子、剪刀
干燥器
固相萃取（SPE）装置
SPE 真空 manifold Ac-Elut	Varian
泵 Laboxat	Knf LAB
氮气吹干装置（自制）
压缩氮气 4.5，B50 气瓶，15 °C 下 200 bar	Linde
张力计	Dataphysics	OCA 15EC
张力计软件		SCA 软件，OCA 版本 4-4.1
紫外-可见分光光度计	Agilent	8453
磁力搅拌器
玻璃器皿
玻璃培养皿			用于水提取步骤
烧杯
15 mL、30 mL、60 mL 带软木塞的玻璃瓶
SPE 用试管
磁力搅拌子
超声波清洗浴			用于玻璃器皿清洗
微量移液器（0.5 - 5 mL，0.100 - 1 mL，10 - 100 μL）	Rainin Pipette-Life XLS
一次性小型设备
0.45 μm PVDF 注射式滤器	Fisherbrand
SPE C18 柱 Strata C18-E 柱，500 mg / 3 mL	Phenomenex
塑料注射器
针头
4 mL 小瓶
巴斯德玻璃移液管
微量移液器吸头
化学品
十二烷基硫酸钠（SDS）≥ 98.5%，生物试剂	Sigma- Aldrich	L3771
二辛基磺基琥珀酸钠盐（AOT）≥ 97%	Sigma- Aldrich	323586
苯基十四烷基二甲基氯化铵（Zephiramine） ≥ 99.0%，无水，Fluka	Sigma- Aldrich	13401
十六烷基三甲基氯化铵溶液（CTAC），25 wt% 水溶液（H2O）	Sigma- Aldrich	292737
(1,1,3,3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇（Triton X114），实验室级	Sigma- Aldrich	X114
聚乙二醇十二醚（Brij35），Fluka Bio Chemika	Sigma- Aldrich	858366
卵黄来源 L-α-磷脂酰胆碱，类型 XVI-E，冻干粉末 ≥ 99%	Sigma- Aldrich	P3556
枯草芽孢杆菌来源表面活性素 ≥ 98%	Sigma- Aldrich	S3523
R-95Dd 鼠李糖脂（95% 双鼠李糖脂，5% 单鼠李糖脂）	Sigma- Aldrich	L510025
阳离子三芳基甲烷染料乙基紫	Sigma- Aldrich	228842
专利蓝 VF 染料含量 50%	Sigma-Aldrich	198218
硫氰酸铵 ≥ 99%，超纯 p.a.，ACS 试剂	Sigma-Aldrich	31120
硝酸钴(II)六水合物 ≥ 98%，ACS 试剂	Sigma-Aldrich	239267
乙酸酐 ≥ 99%，ReagentPlus	Sigma-Aldrich	320102
乙酸钠 ≥ 99.0%，无水，Reagent Plus	Sigma-Aldrich	S8750
乙二胺四乙酸，99.4− 100.6%，ACS 试剂粉末	Sigma-Aldrich	E9884
无水硫酸钠 ≥ 99.0%，颗粒状，超纯 p.a.，ACS 试剂，Fluka	Sigma-Aldrich	71960
乙醇，超纯 p.a.，ACS 试剂，Ph. Eur. 96% (v/v)	Sigma-Aldrich	32294
乙腈 ≥ 99.9%，HiPerSolv CHROMANORM，Reag. Ph. Eur.（欧洲药典试剂），HPLC 梯度级	VWR BDH Prolabo	20060.32	需在通风橱中操作
氯仿 99%，含 0.8−1% 乙醇以稳定	Alfa Aesar	L13200-0F	需在通风橱中操作
甲苯 > 99%	Chimie Plus	24053	需在通风橱中操作
用于清洗的变性乙醇
超纯水	Elga Purelab Classic 超纯水系统