近日，广东工业大学环境健康与污染控制研究院、环境科学与工程学院安太成教授团队在大气气溶胶中含氮有机物的生成机理研究方面取得最新研究进展，相关成果发表于环境与大气科学领域主流期刊Atmospheric Chemistry and Physics (2024, 24:155-166)上。论文的第一作者为博士后邱钧霆，通讯作者为安太成教授。在这项研究中，团队人员主要利用烟雾箱反应装置，通过代表性的BVOC和臭氧的化学反应，发现了原位生成含有次级臭氧化物(Secondary ozonides，SOZ)的细颗粒物，并通过选择不同种类的有机胺加入到反应体系中，研究了不同结构的有机胺与形成的SOZ的反应机理。研究结果表明甲胺和乙胺能和颗粒物中的SOZ发生进一步的化学反应，可以显著改变颗粒物的化学成分。本研究提出了一个新的气溶胶中含氮有机物的潜在的大气化学反应生成途径，可以为深入理解含氮有机物的来源与及其形成二次有机气溶胶的机理等方面提供新的观点。
论文网址 https://doi.org/10.5194/acp-24-155-2024
大气气溶胶中的含氮有机物对气溶胶的光学性质、毒性等方面均有非常重要的影响。而含氮有机物的来源及其形成二次有机气溶胶的反应活性有待进一步的阐明。有机胺参与的光化学反应是气溶胶中含氮有机物的重要来源，其反应类型包括酸碱中和成核、与羰基化合物反应以及与铵盐的反应等。有机胺还能与OH自由基、臭氧等大气中的氧化剂直接发生反应。次级臭氧化物(Secondary ozonides，SOZ)是有机气溶胶的重要组成部分，主要来源于臭氧与烯烃的化学转化反应，经由Criegee中间体相关的反应途径形成。SOZ具有一定的氧化性质，因此它们可能与大气中的有机胺可以进行进一步的反应，从而可以形成含氮有机物。因此，作者选用了两种重要的萜类化合物石竹烯(β-caryophyllene，β-C)和蛇麻烯(α-humulene ，α-H)为代表，在烟雾箱内首先研究了它们与臭氧反应生成含有SOZ的颗粒物，然后再在体系中加入了甲胺、乙胺、二甲胺和氨气等，考察了有机胺的加入对该体系形成颗粒物化学成分的变化。最后作者还采用同位素标记法，根据其反应机理推测了生成物中含有的官能团和可能的化学结构。该研究工作首次发现并提出了SOZ与有机胺的反应能够贡献含氮有机物的生成这一现象，可以为理解大气气溶胶中含氮有机物的来源和二次有机气溶胶形成机制提供全新的视点，可以为后续评估气溶胶健康和气候效应方面的工作提供指示意义。
图文摘要
英文摘要
Nitrogen (N)-containing compounds have a significant impact on the optical and toxicological properties of aerosols. 1,2,4-Trioxolanes, known as secondary ozonides (SOZs), i.e., key products from the ozonolysisof biogenic terpenoids, are readily taken up into atmospheric aerosols and act as oxidants, potentially interacting with amines in the atmosphere. In the present work, we carefully investigated the component of the particles produced by the ozonolysis of β-caryophyllene (β-C) in the presence of ethylamine (EA), methylamine (MA), dimethylamine (DMA), or ammonia. The mass spectrometric results show that SOZ is the dominant product from the ozonolysis of β-C. It readily reacts with EA and MA but has inert reactivities toward DMA and ammonia. Similar experimental results were achieved with α-humulene (α-H), an isomer of β-C, was used in place of β-C. Additionally, D2O and H182O solvents were used for the characterization of products. The results revealed an intriguing phenomenon where the products from β-C SOZ and α-H SOZ reacting with the same amine (EA or MA) possessed different functional groups, despite the fact that they are isomerized species with identical chemical structure (1,2,4-trioxolane). This indicates that the chemical conformation of SOZs has a strong influence on how they react with amines. For the first time, SOZs derived from β-C and α-H reacting with amines are reported in this study; this may represent a hitherto unrecognized source of N-containing compound production in atmospheric aerosols.
项目资助：本研究得到国家自然科学基金(42020104001、42107118和 42177354)、广东省本土创新科研团队(2017BT01Z032)和中国博士后基金(2021M700881)的大力支持。
