我所利用大連相干光源揭示β蒎烯和檸檬烯光氧化形成二次有機氣溶膠新機制

近日，我所分子反應動力學國家重點實驗室團簇光譜與動力學研究組（2506組）江凌研究員和李剛副研究員團隊采用自主研制的基于大連相干光源（極紫外自由電子激光）的氣溶膠質譜實驗方法，研究了單萜烯的兩種同分異構體β-蒎烯和檸檬烯與NOx的光氧化反應過程，揭示了二次有機氣溶膠（SOA）的形成機制。

霧霾對人類健康和交通安全等造成了嚴重危害，霧霾的防控與治理已成為亟待解決的重要問題之一。SOA是PM2.5污染的主要驅動因素，識別SOA的污染前體物并深入研究SOA的形成機制非常重要。精確測量氣溶膠的化學組成及動態變化對理解霧霾的形成和生長機理具有指導意義。

針對上述挑戰，江凌團隊近年來在相關實驗技術發展上取得進展，自主研發了基于大連相干光源的氣溶膠質譜實驗方法，可實現SOA化學組分的高選擇性、高靈敏探測及研究（Phys. Chem. Chem. Phys.，2022），并揭示了異戊二烯氧化形成SOA的新機制（Atmos. Environ.，2024；J. Environ. Sci.，2025）。

SOA由大氣中的揮發性有機化合物（VOC）氧化形成，是大氣顆粒物的主要組成部分，嚴重影響了大氣氣候、人類健康和交通安全。單萜烯是全球生物源SOA的重要“貢獻者”。植物釋放的β-蒎烯和檸檬烯是全球單萜烯的主要來源，它們在SOA的形成中作為前體具有關鍵作用。然而，β-蒎烯和檸檬烯作為單萜烯的同分異構體，NOx對它們的光氧化反應影響差異性機理不明。

在本工作中，江凌和李剛團隊利用上述實驗方法，研究了NOx對β-蒎烯、檸檬烯的光氧化產生SOA的影響規律。研究發現，對于β-蒎烯與NOx的光氧化反應，隨著NO初始濃度的增加，顆粒質量濃度呈單調抑制趨勢，而隨著NO2初始濃度的增加，顆粒質量濃度呈單調增強的趨勢；對于檸檬烯與NOx的光氧化反應，NO初始濃度的增加對顆粒質量濃度的抑制呈單調趨勢，而NO2初始濃度的增加對顆粒質量濃度的抑制呈拋物線趨勢。基于極紫外自由電子激光的氣溶膠質譜分析，結合量子化學理論計算，團隊分別推斷了β-蒎烯和檸檬烯光氧化產物的分子結構和形成途徑，揭示了不同單萜烯前體形成的SOA產物的多樣性和差異性機制。這些研究結果為理解單萜烯光氧化形成SOA的過程同時提供了宏觀和微觀的信息，為理解大氣霧霾中二次有機氣溶膠的形成提供了科學依據。

相關研究成果以“Comparative studies of the NOx impacts on the photooxidation mechanisms of isomeric monoterpenes of β-pinene and limonene”為題，發表在《環境科學學報》（The Journal of Environmental Sciences）上。上述成果的第一作者是我所2506組博士研究生趙英岐。上述工作得到國家自然科學基金委“動態化學前沿研究”科學中心項目、科技創新2030重大項目、我所大連相干光源專項基金等項目的資助。（文/圖?趙英岐）

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jes.2024.08.007