Name: 提取和表面活性剂的特性，从大气气溶胶 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-21T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 34 s
Description: 学习从大气气溶胶中提取和表征表面活性剂的方法，使用固相萃取和紫外-可见光谱技术测定阴离子、阳离子和非离子表面活性剂的绝对浓度及其表面张力曲线。该方法有助于理解云形成过程。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究由法国国家研究局（ANR-13-IS08-0001）与美国国家科学基金会联合资助的SONATA项目提供经费支持。Christine Baduel由法国国家研究局通过ANR-16-ACHN-0026项目提供经费支持。作者还衷心感谢克罗地亚萨格勒布鲁德热·博什科维奇研究所的Marija Marguš、Ana Cvitešić、Sanja Frka Milosavljević和Irena Ciglenecki，他们在克罗地亚罗戈兹尼察Marina Frapa站点的大气气溶胶采样工作中提供了帮助。

<ol><li>Köhler, H. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1936/TF/tf9363201152#!divAbstract">The nucleus in and the growth of hygroscopic droplets.</a> Trans. Faraday Soc. 32, 1152-1161 (1936).</li>
<li>Noziere, B. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27013716">CLOUDS. Don't forget the surface.</a> Science. 351, 1396-1397 (2016).</li>
<li>Onaizi, S. A., Nasser, M. S., Twaiq, F. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s00396-014-3223-y">Adsorption and thermodynamics of biosurfactant, surfactin, monolayers at the air-buffered liquid interface.</a> Colloid Polym Sci. 292, 1649-1656 (2014).</li>
<li>Ekström, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.biogeosciences.net/7/387/2010/">A possible role of ground-based microorganisms on cloud formation in the atmosphere.</a> Biogeosci. 7, 387-394 (2010).</li>
<li>Baduel, C., Nozière, B., Jaffrezo, J. -L. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/251667128_SummerWinter_Variability_of_the_Surfactants_in_Aerosols_from_Grenoble_France">Summer/winter variability of the surfactants in aerosols from Grenoble, France.</a> Atmos. Environ. 47, Grenoble, France. 413-420 (2012).</li>
<li>Gérard, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anionic%2C+Cationic%2C+and+Nonionic+Surfactants+in+Atmospheric+Aerosols+from+the+Baltic+Coast+at+Ask%C3%B6%2C+Sweden%3A+Implications+for+Cloud+Droplet+Activation%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Anionic, Cationic, and Nonionic Surfactants in Atmospheric Aerosols from the Baltic Coast at Askö, Sweden: Implications for Cloud Droplet Activation.</a> Environ. Sci. Technol. 50, 2974-2982 (2016).</li>
<li>Renard, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.atmos-chem-phys.net/16/12347/2016/">Screening of cloud microorganisms isolated at the Puy de Dôme (France) station for the production of biosurfactants.</a> Atmos Chem Phys. 16, 12347-12358 (2016).</li>
<li>Nozière, B., Baduel, C., Jaffrezo, J. -L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+dynamic+surface+tension+of+atmospheric+aerosol+surfactants+reveals+new+aspects+of+cloud+activation%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Comm%22%5BJournal%5D)">The dynamic surface tension of atmospheric aerosol surfactants reveals new aspects of cloud activation.</a> Nature Comm. 5, 4335(2014).</li>
<li>Ruehl, C. R., Davies, J. F., Wilson, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+interfacial+mechanism+for+cloud+droplet+formation+on+organic+aerosols%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">An interfacial mechanism for cloud droplet formation on organic aerosols.</a> Science. 351, 1447-1450 (2016).</li>
<li>Jimenez, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://science.sciencemag.org/content/326/5959/1525">Evolution of Organic Aerosols in the Atmosphere.</a> Science. 326, 1525-1529 (2009).</li>
<li>Latif, M. T., Brimblecombe, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactants+in+Atmospheric+Aerosols%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Surfactants in Atmospheric Aerosols.</a> Environ. Sci. Technol. 38, 6501-6506 (2004).</li>
<li>Amirov, R. R., Skvortsova, E. A., Saprykova, Z. A. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1023/A:1025158220651">Complexation of Cobalt(II) with Thiocyanate Ions in Aqueous Solutions of Nonionogenic Surfactants.</a> Russ. J. Coord. Chem. 29, 554-558 (2003).</li>
<li>Jaafar, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactants+in+the+sea-surface+microlayer+and+atmospheric+aerosol+around+the+southern+region+of+Peninsular+Malaysia%5BTitle%5D)+AND+%22Mar.+Pollut.+Bull%22%5BJournal%5D)">Surfactants in the sea-surface microlayer and atmospheric aerosol around the southern region of Peninsular Malaysia.</a> Mar. Pollut. Bull. 84, 35-43 (2014).</li>
<li>Mustaffa, N., Latif, M., Ali, M., Khan, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Source+apportionment+of+surfactants+in+marine+aerosols+at+different+locations+along+the+Malacca+Straits%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Pollut+Res%22%5BJournal%5D)">Source apportionment of surfactants in marine aerosols at different locations along the Malacca Straits.</a> Environ Sci Pollut Res. 21, 6590-6602 (2014).</li>
<li>Motomizu, S., Fujiwara, S., Fujiwara, A., Toei, K. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac00240a011">Solvent extraction-spectrophotometric determination of anionic surfactants with ethyl violet.</a> Anal. Chem. 54, 392-397 (1982).</li>
<li>Yamamoto, K., Motomizu, S. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/1987/an/an9871201405#!divAbstract">Solvent extraction-spectrophotometric determination of anionic surfactants in sea water.</a> Analyst. 112, 1405-1408 (1987).</li>
<li>Schmitt, T. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSchmitt%2C+TM+%22Analysis+of+Surfactants+%28Surfactant+Science%29%22">Analysis of Surfactants (Surfactant Science)</a>. 96, 2nd edn, Marcel Decker, Inc. 421-443 (2001).</li>
<li>Hummel, D. O. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHummel%2C+DO+%22Handbook+of+Surfactant+Analysis%3A+Chemical%2C+Physico-chemical+and+Physical+Methods%22">Handbook of Surfactant Analysis: Chemical, Physico-chemical and Physical Methods</a>. , Wiley. 203(2000).</li>
<li>Method to measure surfactant in fluid. US patent. , (2013).</li>
<li>Bzdek, B. R., Power, R. M., Simpson, S. H., Reid, J. P., Royall, C. P. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/sc/c5sc03184b#!divAbstract">Precise, contactless measurements of the surface tension of picolitre aerosol droplets.</a> Chem Sci. 7, 274-285 (2016).</li>
<li>Desai, J. D., Banat, I. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+production+of+surfactants+and+their+commercial+potential%5BTitle%5D)+AND+%22Microbiol.+Mol.+Biol.+R%22%5BJournal%5D)">Microbial production of surfactants and their commercial potential.</a> Microbiol. Mol. Biol. R. 61, 47-64 (1997).</li>
<li>Christofi, N., Ivshina, I. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+surfactants+and+their+use+in+field+studies+of+soil+remediation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Microbial surfactants and their use in field studies of soil remediation.</a> J. Appl. Microbiol. 93, 915-929 (2002).</li>
<li>Facchini, M. C., Mircea, M., Fuzzi, S., Charlson, R. J. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v401/n6750/abs/401257a0.html">Cloud albedo enhancement by surface-active organic solutes in growing droplets.</a> Nature. 401, 257-259 (1999).</li>
<li>Mircea, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.atmos-chem-phys.net/5/3111/2005/">Importance of the organic aerosol fraction for modeling aerosol hygroscopic growth and activation: a case study in the Amazon Basin.</a> Atmos. Chem. Phys. 5, 3111-3126 (2005).</li>
<li>Varga, B., Kiss, G., Ganszky, I., Gelencsér, A., Krivácsy, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolation+of+water-soluble+organic+matter+from+atmospheric+aerosol%5BTitle%5D)+AND+%22Talanta%22%5BJournal%5D)">Isolation of water-soluble organic matter from atmospheric aerosol.</a> Talanta. 55, 561-572 (2001).</li>
<li>Kiss, G., Tombácz, E., Hansson, H. -C. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s10874-005-5079-5">Surface Tension Effects of Humic-Like Substances in the Aqueous Extract of Tropospheric Fine Aerosol.</a> J Atmos Chem. 50, 279-294 (2005).</li>
<li>Salma, I., Ocskay, R., Varga, I., Maenhaut, W. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2005JD007015/abstract">Surface tension of atmospheric humic-like substances in connection with relaxation, dilution, and solution pH.</a> J. Geophys. Res. 111, D23205(2006).</li>
<li>Taraniuk, I., Graber, E. R., Kostinski, A., Rudich, Y. <a target="_blank" href="http://www.phy.mtu.edu/~kostinsk/hulis_grl.pdf">Surfactant properties of atmospheric and model humic-like substances (HULIS).</a> Geophys. Res. Lett. 34, L16807(2007).</li>
<li>Morris, H. S., Grassian, V. H., Tivanski, A. V. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/sc/2015/c4sc03716b#!divAbstract">Humidity-dependent surface tension measurements of individual inorganic and organic submicrometre liquid particles.</a> Chemical Science. 6, 3242-3247 (2015).</li>
<li>Roslan, R. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactants+in+the+sea-surface+microlayer+and+their+contribution+to+atmospheric+aerosols+around+coastal+areas+of+the+Malaysian+peninsula%5BTitle%5D)+AND+%22Mar.+Pollut.+Bull%22%5BJournal%5D)">Surfactants in the sea-surface microlayer and their contribution to atmospheric aerosols around coastal areas of the Malaysian peninsula.</a> Mar. Pollut. Bull. 60, 1584-1590 (2010).</li>
<li>Orlović-Leko, P., Kozarac, Z., Ćosović, B., Strmečki, S., Plavšić, M. <a target="_blank" href="http://link.springer.com/article/10.1007/s10874-011-9189-y">Characterization of atmospheric surfactants in the bulk precipitation by electrochemical tools.</a> J Atmos Chem. 66, 11-26 (2010).</li>
<li>Frka, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.tellusb.net/index.php/tellusb/article/view/18490">Surface-active substances in atmospheric aerosol: an electrochemical approach.</a> Tellus B. 64, 12(2012).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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 &#60;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， &#34;类腐殖质物质&#34; （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。

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。

<table><tbody><tr><td>石英滤膜</td><td>Fioroni</td><td></td><td>例如 &amp;Oslash; 47 mm 或 &amp;Oslash; 150 mm，克重 85 g/m&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>铝箔或玻璃培养皿</td><td></td><td></td><td>在烘箱中烘烤（773 K，6&amp;nbsp;h）</td></tr><tr><td>镊子、剪刀</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>干燥器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;固相萃取（SPE）装置&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>SPE 真空 manifold Ac-Elut</td><td>Varian&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>泵 Laboxat</td><td>Knf LAB</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;氮气吹干装置&lt;/strong&gt;（自制）</td></tr><tr><td>压缩氮气 4.5，B50 气瓶，15 &amp;deg;C 下 200 bar</td><td>Linde</td><td></td><td></td></tr><tr><td>张力计</td><td>Dataphysics</td><td>OCA 15EC</td><td></td></tr><tr><td>张力计软件</td><td></td><td>SCA 软件，OCA 版本 4-4.1</td><td></td></tr><tr><td>紫外-可见分光光度计</td><td>Agilent</td><td>8453</td><td></td></tr><tr><td>磁力搅拌器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;玻璃器皿&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>玻璃培养皿</td><td></td><td></td><td>用于水提取步骤</td></tr><tr><td>烧杯</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>15 mL、30 mL、60 mL 带软木塞的玻璃瓶</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPE 用试管</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>磁力搅拌子</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗浴</td><td></td><td></td><td>用于玻璃器皿清洗</td></tr><tr><td>微量移液器（0.5 - 5&amp;nbsp;mL，0.100 - 1&amp;nbsp;mL，10 - 100 &amp;mu;L）</td><td>Rainin Pipette-Life XLS</td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;一次性小型设备&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>0.45 &amp;mu;m PVDF 注射式滤器</td><td>Fisherbrand</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPE C18 柱 Strata C18-E 柱，500 mg / 3 mL&amp;nbsp;</td><td>Phenomenex</td><td></td><td></td></tr><tr><td>塑料注射器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>针头</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>4 mL 小瓶</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>巴斯德玻璃移液管</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>微量移液器吸头</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;strong&gt;化学品&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>十二烷基硫酸钠（SDS）&amp;ge; 98.5%，生物试剂</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>L3771</td><td></td></tr><tr><td>二辛基磺基琥珀酸钠盐（AOT）&amp;ge; 97%</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>323586</td><td></td></tr><tr><td>苯基十四烷基二甲基氯化铵（Zephiramine）&amp;nbsp;&amp;ge; 99.0%，无水，Fluka</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>13401</td><td></td></tr><tr><td>十六烷基三甲基氯化铵溶液（CTAC），25 wt% 水溶液（H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O）</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>292737</td><td></td></tr><tr><td>(1,1,3,3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇（Triton X114），实验室级</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>X114</td><td></td></tr><tr><td>聚乙二醇十二醚（Brij35），Fluka Bio Chemika</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>858366</td><td></td></tr><tr><td>卵黄来源 L-&amp;alpha;-磷脂酰胆碱，类型 XVI-E，冻干粉末 &amp;ge;&amp;nbsp;99%</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>P3556</td><td></td></tr><tr><td>枯草芽孢杆菌来源表面活性素 &amp;ge; 98%</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>S3523</td><td></td></tr><tr><td>R-95Dd 鼠李糖脂（95% 双鼠李糖脂，5% 单鼠李糖脂）</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>L510025</td><td></td></tr><tr><td>阳离子三芳基甲烷染料乙基紫</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>228842</td><td></td></tr><tr><td>专利蓝 VF 染料含量 50%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>198218</td><td></td></tr><tr><td>硫氰酸铵 &amp;ge; 99%，超纯 p.a.，ACS 试剂</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>31120</td><td></td></tr><tr><td>硝酸钴(II)六水合物 &amp;ge; 98%，ACS 试剂</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>239267</td><td></td></tr><tr><td>乙酸酐 &amp;ge; 99%，ReagentPlus</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320102</td><td></td></tr><tr><td>乙酸钠 &amp;ge; 99.0%，无水，Reagent Plus</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S8750</td><td></td></tr><tr><td>乙二胺四乙酸，99.4&amp;minus; 100.6%，ACS 试剂粉末</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>E9884</td><td></td></tr><tr><td>无水硫酸钠 &amp;ge; 99.0%，颗粒状，超纯 p.a.，ACS 试剂，Fluka</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>71960</td><td></td></tr><tr><td>乙醇，超纯 p.a.，ACS 试剂，Ph. Eur. 96% (v/v)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>32294</td><td></td></tr><tr><td>乙腈 &amp;ge; 99.9%，HiPerSolv CHROMANORM，Reag. Ph. Eur.（欧洲药典试剂），HPLC 梯度级</td><td>VWR BDH Prolabo</td><td>20060.32</td><td>需在通风橱中操作</td></tr><tr><td>氯仿 99%，含 0.8&amp;minus;1% 乙醇以稳定</td><td>Alfa Aesar</td><td>L13200-0F</td><td>需在通风橱中操作</td></tr><tr><td>甲苯 &gt; 99%</td><td>Chimie Plus</td><td>24053</td><td>需在通风橱中操作</td></tr><tr><td>用于清洗的变性乙醇</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>超纯水</td><td>Elga Purelab Classic 超纯水系统</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

大气气溶胶中表面活性剂的提取与表征

Extraction and Characterization of Surfactants from Atmospheric Aerosols

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 &#60;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。

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）与文献报道结果高度一致。21,22
1. 浓度
细小气溶胶（&lt;1 μm 直径小于1微米（即“PM1”）的样品于2015年2月在克罗地亚罗戈兹尼察沿海站点使用石英纤维滤膜采集。这些样品的处理和提取方法分别如本文第2和第3节所述。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冲浪，p （M）按照第4节进行测量，结果如下所示 图1并证明在所测定的表面活性剂中，阴离子型和非离子型表面活性剂占主导地位。
2. 样品的表面张力及提取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的表面活性剂浓度及其表面张力（“σmin”），并可通过图形法确定临界胶束浓度（CMC）值（图2）。
<img alt="柱状图显示2015年2月2日和2015年3月2日表面活性剂浓度（Csurfp），单位为 mM。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55622/55622fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
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月在克罗地亚罗戈兹尼察沿海站点采集的细颗粒（&lt;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（各类型表面活性剂浓度之和），Csurf,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。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55622/55622fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="表面张力与表面活性剂浓度关系图，显示临界胶束浓度（CMC）。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55622/55622fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
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），及其对应的表面张力“σmin”。图中展示了CMC的图解确定方法。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55622/55622fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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。

存在于大气气溶胶中的表面活性化合物或表面活性剂，预计在液态水云的形成过程中发挥重要作用……

本实验的总体目标是从大气气溶胶等环境样品中提取所有表面活性剂，并测定其浓度和表面张力曲线。该方法能够回答有关各类生物体中表面活性剂浓度及其表面张力行为的关键问题。该技术的优势，特别是提取步骤，在于能够从复杂的基质中分离出表面活性剂，以便进行表征。该技术的影响延伸至对大气中云形成过程的全面理解，因为表面活性剂有望促进大气气溶胶向云滴的转化。该方法可为大气气溶胶中表面活性剂的行为提供深入见解，也可应用于土壤样品或微生物培养等体系。因此，开发该方法的初衷源于大气样品中缺乏针对表面活性剂的选择性提取手段。迄今为止，仅使用了水提取法。首先，将预先制备好的滤膜样品浸入超纯水中，在6°C条件下于密闭的玻璃培养皿中静置两小时。每隔三十分钟，将培养皿水平持握并轻轻振荡。从冰箱中取出样品后，使用洁净的注射器滤器过滤，将滤液加入已预称重的60毫升玻璃瓶中。随后，用5毫升超纯水冲洗培养皿。然后用注射器滤器过滤水样，并将其加入60毫升玻璃瓶中的溶液内。称量含有溶液的玻璃瓶，以确定过滤水的体积和表面活性剂浓度。进行固相萃取时，将基于硅胶的C18 SPE小柱连接至与泵相连的SPE真空 manifold 上。用6 mL乙腈冲洗小柱，并通过调节真空泵的真空度将流速设置为1 mL/min。然后用6 mL超纯水冲洗固相萃取小柱，随后停止抽气，使液面保持在小柱填料上方。接下来，以低于1 mL/min的流速将过滤后的样品通过固相萃取小柱。然后用一毫升超纯水冲洗小柱以进行清洗。通过在固相萃取装置上施加更强的真空使小柱干燥。在小柱下方放置收集器以收集样品提取液。以每分钟低于1毫升的流速，将4毫升乙腈流经色谱柱，洗脱吸附在柱上的表面活性剂组分。将收集的洗脱液转移至4毫升小瓶中。将乙腈溶液在温和的氮气流下吹干，直至获得干燥的提取物，通常需要约1小时。然后将提取物重新溶解于60 µL超纯水中。将60 µL提取液加入10 mL纯水中后，向瓶中依次加入200 µL乙酸盐缓冲液、100 µL EDTA溶液、500 µL硫酸钠溶液以及200 µL乙基紫溶液，每次加入后均需摇动溶液。接着，向溶液中加入2.5 mL甲苯和一根磁力搅拌子。以500 RPM转速搅拌溶液一小时。停止搅拌后，静置使两相分离，用巴斯德玻璃移液管移除上层甲苯相，并转移至4毫升避光小瓶中，用于紫外-可见光谱分析。为建立阴离子表面活性剂的校准曲线，配制12份水中浓度范围为0至5微摩尔的二辛基磺基琥珀酸钠盐（AOT）溶液，并对每份溶液执行上述步骤。将12种经处理的AOT溶液每种取1.5至2毫升，加入1厘米光程的紫外-可见分光光度计石英比色皿中。然后使用紫外-可见分光光度计在612纳米处测定其吸光度。为了获得阴离子表面活性剂的校准曲线，将每种AOT溶液测得的吸光度对其浓度作图。为测定大气样品中阴离子表面活性剂的绝对浓度，需在612纳米波长下测量提取的甲苯溶液的吸光度。接着，将阴离子组分测得的吸光度值代入阴离子表面活性剂的标准曲线中，以确定气溶胶样品中阴离子表面活性剂的浓度。然后，通过加和阴离子、阳离子和非离子组分所测得的浓度，计算气溶胶样品中表面活性剂的总浓度。启动张力计相机及软件。将一个带有直径为0.30毫米针头的注射器装满待测溶液，并将其置于张力计的支架上。目视检查针尖是否位于相机视野范围内。接下来，推动活塞形成直径在1至3毫米之间的液滴。使用软件在液滴下落前拍摄其图像或视频。然后运行软件的分析功能，将液滴形状拟合到杨-拉普拉斯方程，从而获得表面张力值。为了绘制曲线的其余部分，通过加入超纯水将提取物稀释两倍，并使用稀释后的溶液重复表面张力测量。2015年2月在克罗地亚Rocosnietza沿海站点采集的细颗粒气溶胶中表面活性剂浓度显示了阴离子、阳离子和非离子表面活性剂的分布情况。将表面张力测量结果与浓度测量结果结合，得到了本图所示样品中表面活性剂的绝对表面张力曲线。这些曲线表示气溶胶样品中的表面活性剂浓度、这些样品的表面张力以及表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）。一旦掌握，若操作得当，每批样品可在10小时内完成该技术。在进行此操作时，重要的是不要使用肥皂清洗玻璃器皿，并应制备空白样品，以使浓度和表面张力相匹配。按照操作步骤，可对表面活性剂提取物（如灌肠液或ACMS）进行分析，以尝试阐明表面活性剂的化学结构。该方法的建立使得能够将临界胶束浓度（CMC）下的表面活性剂浓度与环境参数进行比较，从而有助于判断其在环境中的来源或其在云形成过程中的作用。观看本视频后，您应能够充分理解如何从大气气溶胶等环境样品中提取表面活性剂，并测定其浓度及表面张力曲线。请务必注意，使用乙腈和甲苯等溶剂具有极高的危险性。在进行本实验操作时，必须采取相应的预防措施，例如在通风橱中操作，并穿戴个人防护装备。

extraction-characterization-surfactants-from-atmospheric

Research

科研

JoVE Journal

Environment

环境

提取和表面活性剂的特性，从大气气溶胶

磷脂脂肪酸可提供有关土壤微生物群落结构的信息。本文介绍了从土壤样品中提取磷脂的单相氯仿混合物提取方法、利用固相萃取柱对提取的脂质进行分离纯化的方法，以及通过甲醇解反应生成脂肪酸甲酯，随后采用毛细管气相色谱法对脂肪酸甲酯进行分析。...

土壤中微生物磷脂脂肪酸的提取与分析

本文介绍了一种方法，该方法在提高通量的同时，平衡了操作难度与准确性，可用于从微生物细胞膜中提取脂质，进而对大量样本研究中的总脂质以及指示性脂质的相对丰度进行表征，以确定土壤微生物群落结构。...

一种适用于大量样本实验中表征土壤微生物的脂质提取与分析方法

本文介绍了流动管式反应器的操作流程及相关数据采集方法。展示了实验设置、数据记录以及生成粒径分布和颗粒物质量信息的方案，这些信息可提供有关有机气溶胶化学和物理特性的有用数据。...

流动管反应器中有机颗粒物的生成与测量

一种通过乳液体系中的自由基聚合制备中空聚合物微粒与微胶囊的方案，该乳液体系由苯乙烯、全氟-n辛烷和水性十二烷基硫酸钠（SDS）溶液的实验方法如下。...

通过由碳氢与氟化碳油组成的 Janus 液滴的自由基聚合制备中空聚苯乙烯微粒与微胶囊

了解环境颗粒物的生物组成对于研究其对人类健康和疾病传播的重要影响具有重要意义。本文采用三种生物气溶胶采样方法及对空气微生物的生物学分析，以更深入地探究不同环境条件下空气微生物群落的特征。...

不同环境条件下生物气溶胶的组成与分布分析

我们提出一种研究在环戊烷中浸没的水滴界面处，非离子型表面活性剂存在条件下水合物形成的实验方案。该方案包括构建一个低成本、可编程的温度调节器，并将温度控制系统与可视化技术及内部压力测量相结合。...

使用低成本集成模块化帕尔帖装置研究表面活性剂对油水界面水合物结晶的影响

本方案描述了使用Entech样品前处理平台，通过真空辅助吸附萃取法从生物样品中提取挥发性有机化合物，并结合气相色谱-质谱联用技术进行检测及数据分析的方法。同时，本方案还介绍了生物样品的培养以及稳定同位素探针技术的应用。...

利用真空辅助吸附萃取法捕获人源样本中主动产生的微生物挥发性有机化合物

我们阐述了筛选和鉴定产生物表面活性剂微生物的方法，以及对生物表面活性剂进行色谱表征和化学鉴定的方法，并评估该生物表面活性剂的工业应用潜力。 在提高剩余油采收率方面的应用也一并介绍。...

利用生物表面活性剂组合进行提高采油率

本文介绍了一种用于设计和构建与小型气候可控风洞相连的土壤槽的方案，以研究大气强迫对蒸发作用的影响。该土壤槽和风洞均配备了传感器技术，可对环境条件进行连续的原位（in...

探究大气强迫对蒸发的影响：大气边界层与浅层地下环境的实验整合

本文提供了一种通过实时PCR定量沿海沉积物中细菌16S rRNA基因及其转录本的实验方案。该方法包括DNA和RNA的共提取、无DNA污染的RNA制备，以及通过反转录定量PCR（RT-q-PCR）对16S...

从沿海沉积物中同步提取DNA和RNA以及通过实时PCR定量16S rRNA基因与转录本

学习从大气气溶胶中提取和表征表面活性剂的方法，使用固相萃取和紫外-可见光谱技术测定阴离子、阳离子和非离子表面活性剂的绝对浓度及其表面张力曲线。该方法有助于理解云形成过程。

大气气溶胶中表面活性剂的提取与表征

探索更多视频