挥发性有机物（VOCs）是大气污染过程的关键前体物，已成为主要治理对象之一。VOCs排放到大气中，在自由基等活性物种的作用下快速氧化，生成复杂的气态含氧有机分子，对大气二次颗粒物生成和臭氧污染有着重要贡献。大气中存在多级、各类有机物氧化反应过程，导致所生成的大气有机分子物种复杂、识别困难。近日，清华大学环境学院大气污染与控制教研所蒋靖坤研究组在大气在线高分辨质谱监测领域取得新进展，研究揭示了城市大气有机分子特征及变化规律。
研究组使用两种化学电离高分辨质谱技术，在北京城市大气环境开展长期观测，测量了有机前体物、初级氧化产物和多级氧化产物，拓宽了可识别的大气含氧有机分子的物种及质量范围，揭示了其分子特征、浓度和季节变化规律，增加了对大气有机分子的形成与演变过程的认识。
图1.基于Vocus-PTR-TOF的北京大气有机前体物及其初始氧化产物测量结果
针对有机前体物及其初级氧化产物，研究组使用聚焦质子转移飞行时间质谱仪（Vocus-PTR-TOF）进行测量。与传统质子转移质谱仪相比，该质谱仪凭借增强的灵敏度和质量分辨率，可检测和解析出更多的物种。在m/z 50-200的质量范围中共识别出512个有机分子，其中44%的物种处于亚ppt水平，38%的物种含有3-8个氧。这些新解析出的含氧分子多为中等/半挥发性有机物，其中多是苯、甲苯等人为源有机前体物和单萜、萜烯等天然源有机前体物的初级氧化产物，对大气含氧有机分子浓度、羟基自由基反应性以及二次颗粒物生成有着不可忽视的贡献。
图2.基于CI-Orbitrap的北京大气OOMs测量结果
有机前体物及初始氧化产物在大气中被氧化成具有更高分子量和更多种类的高氧化态含氧有机分子（OOMs）。研究组搭建了一台以硝酸根离子及其团簇为试剂离子的在线化学电离静电场轨道阱质谱仪（CI-Orbitrap），对北京城市大气环境中的OOMs进行长期测量。在m/z 200-600的质量范围内共识别出2403个OOMs，揭示了OOMs清晰的同系物特征和加氧特征，反映了大气中丰富复杂的氧化过程。经前体物溯源分析，发现北京大气中的OOMs主要来自于芳香烃和脂肪族等人为源有机前体物的氧化。此外，还识别了新粒子生成相关的OOMs二聚体，以及OOMs形成过程的有机自由基等重要中间体。之前受限于测量技术，这些物种在已有的城市大气研究中鲜有报道。
研究成果以“北京城市大气中有机气体的分子和季节特征：基于聚焦质子转移飞行时间质谱仪的观测分析”（Molecular and seasonal characteristics of organic vapors in urban Beijing: insights from Vocus-PTR measurements）和“利用在线超高分辨率质谱仪解析北京城市大气中的含氧有机分子”（Resolving Atmospheric Oxygenated Organic Molecules in Urban Beijing Using Online Ultrahigh-Resolution Chemical Ionization Mass Spectrometry）为题，分别发表于《大气化学与物理》（Atmospheric Chemistry and Physics）和《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology）。
论文的第一作者分别为环境学院博士毕业生安肇锦（现为哈佛大学博士后）和环境学院2020级博士生袁艺，通讯作者为环境学院教授蒋靖坤。论文合作单位包括北京化工大学、复旦大学、武汉大学、南京大学、大连理工大学、河南师范大学、赫尔辛基大学、哈佛大学和美国Aerodyne公司。研究得到国家自然科学基金、三星全球研究项目的支持。
论文链接：
http://doi.org/10.5194/acp-24-13793-2024
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c04214
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