我所利用大连相干光源揭示β蒎烯和柠檬烯光氧化形成二次有机气溶胶新机制

近日，我所分子反应动力学国家重点实验室团簇光谱与动力学研究组（2506组）江凌研究员和李刚副研究员团队采用自主研制的基于大连相干光源（极紫外自由电子激光）的气溶胶质谱实验方法，研究了单萜烯的两种同分异构体β-蒎烯和柠檬烯与NOx的光氧化反应过程，揭示了二次有机气溶胶（SOA）的形成机制。

雾霾对人类健康和交通安全等造成了严重危害，雾霾的防控与治理已成为亟待解决的重要问题之一。SOA是PM2.5污染的主要驱动因素，识别SOA的污染前体物并深入研究SOA的形成机制非常重要。精确测量气溶胶的化学组成及动态变化对理解雾霾的形成和生长机理具有指导意义。

针对上述挑战，江凌团队近年来在相关实验技术发展上取得进展，自主研发了基于大连相干光源的气溶胶质谱实验方法，可实现SOA化学组分的高选择性、高灵敏探测及研究（Phys. Chem. Chem. Phys.，2022），并揭示了异戊二烯氧化形成SOA的新机制（Atmos. Environ.，2024；J. Environ. Sci.，2025）。

SOA由大气中的挥发性有机化合物（VOC）氧化形成，是大气颗粒物的主要组成部分，严重影响了大气气候、人类健康和交通安全。单萜烯是全球生物源SOA的重要“贡献者”。植物释放的β-蒎烯和柠檬烯是全球单萜烯的主要来源，它们在SOA的形成中作为前体具有关键作用。然而，β-蒎烯和柠檬烯作为单萜烯的同分异构体，NOx对它们的光氧化反应影响差异性机理不明。

在本工作中，江凌和李刚团队利用上述实验方法，研究了NOx对β-蒎烯、柠檬烯的光氧化产生SOA的影响规律。研究发现，对于β-蒎烯与NOx的光氧化反应，随着NO初始浓度的增加，颗粒质量浓度呈单调抑制趋势，而随着NO2初始浓度的增加，颗粒质量浓度呈单调增强的趋势；对于柠檬烯与NOx的光氧化反应，NO初始浓度的增加对颗粒质量浓度的抑制呈单调趋势，而NO2初始浓度的增加对颗粒质量浓度的抑制呈抛物线趋势。基于极紫外自由电子激光的气溶胶质谱分析，结合量子化学理论计算，团队分别推断了β-蒎烯和柠檬烯光氧化产物的分子结构和形成途径，揭示了不同单萜烯前体形成的SOA产物的多样性和差异性机制。这些研究结果为理解单萜烯光氧化形成SOA的过程同时提供了宏观和微观的信息，为理解大气雾霾中二次有机气溶胶的形成提供了科学依据。

相关研究成果以“Comparative studies of the NOx impacts on the photooxidation mechanisms of isomeric monoterpenes of β-pinene and limonene”为题，发表在《环境科学学报》（The Journal of Environmental Sciences）上。上述成果的第一作者是我所2506组博士研究生赵英岐。上述工作得到国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”科学中心项目、科技创新2030重大项目、我所大连相干光源专项基金等项目的资助。（文/图 赵英岐）

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jes.2024.08.007