Luận án tiến sĩ: Đường và polyol trong aerosol - HKUST

Hạt aerosol trong khí quyển ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng không khí. Chúng tác động đến sức khỏe con người và biến đổi khí hậu. Hạt aerosol hữu cơ chiếm phần lớn khối lượng aerosol. Việc hiểu rõ thành phần hóa học của chúng là cần thiết. Các hợp chất đường và polyol là một phần quan trọng của hạt aerosol hữu cơ. Chúng góp phần vào tính chất vật lý và hóa học của aerosol. Nghiên cứu sâu hơn về các hợp chất này cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về môi trường. Các tương tác phức tạp trong khí quyển được làm sáng tỏ.

Đường và polyol là nhóm hợp chất hữu cơ có nhiều trong tự nhiên. Chúng tồn tại dưới dạng monosaccharide, disaccharide và oligosaccharide. Các polyol là dẫn xuất của đường, chứa nhiều nhóm hydroxyl. Trong khí quyển, chúng được tìm thấy trong pha hạt aerosol. Các hợp chất này có nguồn gốc đa dạng. Nguồn gốc bao gồm thực vật, vi sinh vật, và hoạt động của con người. Sự đa dạng này làm cho việc phân loại và xác định nguồn phức tạp. Cần các phương pháp phân tích chuyên biệt để nhận diện chúng.

Một số loại đường và polyol hoạt động như chất chỉ thị sinh học hiệu quả. Chúng giúp xác định nguồn gốc của hạt aerosol hữu cơ. Ví dụ, levoglucosan là chất chỉ thị đốt sinh khối. Các polyol như arabitol và mannitol là chỉ thị cho bào tử nấm. Sucrose và glucose có thể chỉ ra sự hiện diện của phấn hoa. Việc phân tích các chỉ thị này cung cấp thông tin quý giá. Nó giúp đánh giá mức độ ảnh hưởng từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo. Hiểu biết về chất chỉ thị hỗ trợ trong việc kiểm soát ô nhiễm.

Đốt sinh khối là nguồn phát thải đường và polyol quan trọng. Các hoạt động đốt rừng, đốt rơm rạ tạo ra lượng lớn aerosol. Quá trình này giải phóng nhiều loại đường vào khí quyển. Levoglucosan là một sản phẩm chính của quá trình đốt cellulose. Nó được sử dụng rộng rãi làm chất chỉ thị cho đốt sinh khối. Việc theo dõi nồng độ levoglucosan giúp đánh giá mức độ ảnh hưởng. Ảnh hưởng này từ cháy rừng hoặc đốt nông nghiệp. Các loại đường khác như mannosan và galactosan cũng xuất hiện. Chúng là chỉ thị bổ sung cho nguồn gốc đốt sinh khối.

Thực vật và vi sinh vật là nguồn phát thải sinh học chính. Chúng giải phóng các hợp chất đường và polyol vào khí quyển. Lá cây tiết ra đường trên bề mặt. Chúng sau đó bị cuốn vào không khí dưới dạng hạt. Bào tử nấm và phấn hoa chứa nhiều đường và polyol. Chúng là hạt aerosol sinh học sơ cấp (PBAP). Các hợp chất này bao gồm glucose, fructose, và sucrose. Polyol như arabitol và mannitol cũng thường thấy. Đây là các sản phẩm trao đổi chất của nấm và thực vật. Sự hiện diện của chúng giúp xác định nguồn gốc sinh học.

Hạt aerosol sinh học sơ cấp (PBAP) là một phần của tổng aerosol. Chúng bao gồm bào tử nấm, phấn hoa, vi khuẩn, virus, và mảnh vụn thực vật. Các PBAP này chứa lượng lớn đường và polyol. Bào tử nấm đặc biệt giàu arabitol và mannitol. Phấn hoa thường chứa sucrose, glucose và fructose. Việc nghiên cứu PBAP giúp hiểu rõ hơn. Nó làm sáng tỏ sự tương tác giữa sinh quyển và khí quyển. Nồng độ của các hợp chất này thay đổi theo mùa và vị trí địa lý. Điều này phản ánh sự phân bố của các nguồn sinh học.

Monosaccharide là các đơn vị đường cơ bản. Chúng bao gồm glucose, fructose và galactose. Trong aerosol môi trường, glucose và fructose thường được phát hiện. Chúng có thể có nguồn gốc từ thực vật, vi sinh vật hoặc đốt sinh khối. Disaccharide là các phân tử gồm hai monosaccharide liên kết. Sucrose (đường mía) là một disaccharide phổ biến. Nó được tìm thấy trong phấn hoa và dịch cây. Trehalose, một disaccharide khác, là chất chỉ thị cho nấm. Sự hiện diện của các loại đường này cung cấp thông tin về nguồn phát thải. Nó còn cho biết về quá trình hóa học trong khí quyển.

Oligosaccharide là các chuỗi ngắn gồm ba đến chín đơn vị monosaccharide. Chúng ít phổ biến hơn monosaccharide và disaccharide trong aerosol. Tuy nhiên, sự hiện diện của chúng vẫn quan trọng. Oligosaccharide có thể xuất phát từ sự phân hủy không hoàn toàn của polysaccharide. Chúng cũng có thể là sản phẩm của các quá trình sinh học. Việc xác định oligosaccharide giúp hiểu rõ hơn. Nó làm rõ quá trình phân hủy và chuyển hóa hợp chất hữu cơ trong khí quyển. Nồng độ của chúng thường thấp. Điều này đòi hỏi các phương pháp phân tích nhạy cảm.

Bào tử nấm và phấn hoa là các thành phần sinh học chính của aerosol. Chúng đóng góp đáng kể vào lượng đường và polyol trong khí quyển. Bào tử nấm chứa nhiều polyol như arabitol và mannitol. Chúng cũng chứa trehalose. Phấn hoa chứa nhiều loại đường, bao gồm sucrose, glucose và fructose. Nồng độ của bào tử nấm và phấn hoa có tính mùa vụ cao. Điều này ảnh hưởng đến nồng độ đường và polyol trong không khí. Nghiên cứu sự phân bố của chúng hỗ trợ trong dự báo chất lượng không khí. Nó cũng giúp hiểu rõ tác động sinh học của aerosol.

Việc thu thập mẫu aerosol là bước đầu tiên. Mẫu thường được thu trên các bộ lọc sợi thạch anh hoặc Teflon. Sau đó, các hợp chất đường và polyol cần được chiết xuất. Quá trình chiết xuất thường sử dụng nước siêu tinh khiết. Siêu âm hoặc khuấy cơ học được áp dụng để tăng hiệu quả. Sau chiết xuất, mẫu thường được lọc để loại bỏ các hạt không tan. Các bước tiền xử lý như cô đặc và dẫn xuất hóa có thể cần thiết. Điều này nhằm tăng độ nhạy và tương thích với phương pháp phân tích. Dẫn xuất hóa chuyển đường thành các hợp chất bay hơi hơn.

Sắc ký khí (GC) và sắc ký lỏng (LC) là hai kỹ thuật chính. Chúng được sử dụng để phân tích đường và polyol cá thể. Sắc ký khí đòi hỏi các hợp chất phải bay hơi. Do đó, đường và polyol cần được dẫn xuất hóa trước khi phân tích GC. Kỹ thuật GC-MS (khối phổ) cung cấp khả năng nhận dạng và định lượng cao. Sắc ký lỏng (LC) có thể phân tích trực tiếp các hợp chất phân cực. LC-MS (khối phổ) hoặc LC-PAD (phát hiện điện hóa xung) là các detector phổ biến. Các phương pháp này cho phép định lượng chính xác từng loại đường và polyol.

Bên cạnh việc phân tích các hợp chất cá thể, tổng hàm lượng carbohydrate cũng quan trọng. Tổng hàm lượng carbohydrate hòa tan trong nước (WSMC) là một chỉ số. Nó phản ánh tổng lượng đường và polyol trong mẫu aerosol. Các phương pháp quang phổ như phương pháp antrone-sulfuric acid thường được sử dụng. Phương pháp này cung cấp một đánh giá nhanh chóng. Nó cho biết về lượng tổng các hợp chất đường trong hạt aerosol hữu cơ. Kết quả này bổ sung cho việc phân tích các hợp chất cá thể. Nó giúp hiểu rõ hơn về thành phần chung của aerosol.