雾霾颗粒物含有大量过渡金属和有机物，这些化学组分参与氧化还原循环及芬顿反应，是导致颗粒物产生环境持久性自由基(EPFRs)的主要方式。过渡金属的含量、沉积位点、化学形态是影响EPFR产生的关键因素。铁是雾霾颗粒物的主要过渡金属，参与颗粒物的氧化还原循环与芬顿反应，促进环境持久性自由基的生成，进而诱导氧化应激及不良健康效应。为了阐明雾霾颗粒物诱导自由基形成的机制，关键是获取颗粒物中关键元素的含量、结构、组分等物理因素与其化学行为。如何表征微米颗粒内部深度的化学成分和元素化学形态是单颗粒分析所面临的挑战。而X射线能量高、能量可调、可穿透较厚的样品，非常适合微米尺度颗粒物的组分、空间结构与化学形态的原位表征。 

针对PM2.5等微米级颗粒物的分析挑战，中国科学院高能物理研究所与国家纳米科学中心的赵宇亮院士、陈春英研究员、王黎明研究员联合团队与国家同步辐射实验室关勇博士合作，利用冷冻X射线透射成像（TXM，NSRL BL07W）和发展的创新数据分析方法，获得了雾霾单颗粒的铁元素特异、三维分布信息。由于样品含有多种有机组分，铁、碳、氧元素含量高，软X射线成像容易导致辐射损伤。为了解决这一难题，研究中采用冷冻成像，显著减少X射线对样品辐射损伤，定量地获得铁元素的空间分布信息，观察到铁主要以聚集体形式存在、分布于颗粒近表面250 nm的区域。 

该研究解析雾霾单颗粒的结构化学信息，包括多种元素组成、关键元素空间分布，为揭示大气颗粒物铁元素状态、含量及其空间分布导致自由基产生及其诱导健康效应构效关系提供了重要科学依据。同步辐射分析的元素特异、高分辨、化学形态灵敏的特点，非常适合于表征颗粒物的结构与原位化学性质，在雾霾颗粒物的源解析、成核与老化、非均相催化过程、颗粒物金属溶出等方面也具有广阔的应用前景。相关研究成果发表国际期刊《Analytical Chemistry》[92(1): 975-982 (2020)]上，第一作者为丁洁博士和关勇博士。 

图1. 雾霾单颗粒的铁元素空间分布成像。(a)首先获得二价、三价铁的X射线吸收谱，获得吸收边前(702 eV)、吸收边（708 eV,710 eV）对应的能量。在吸收边（710 eV附近）与吸收边前的不同能量处，铁元素对X射线吸收系数存在差异。通过X射线透射显微成像（TXM），分别在吸收边、吸收边前的两个能量对颗粒物透射成像，并通过吸收强度相减获得吸收衬度信息。（b，c）随着样品台的旋转，实现颗粒物在不同角度的形貌成像、铁元素衬度成像，将多个角度的形貌成像与铁元素成像进行三维重构，最终获得单颗粒形貌与铁元素空间分布信息（蓝色为颗粒物本身、红色为铁元素）。(d) 基于三维成像，可以观察到不同二维截面的铁元素分布信息。 

成果链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.9b03913