????揮發(fā)性是有機氣溶膠的一個關鍵性質，它決定了氣溶膠分子在大氣中的停留時間，從而可評估其對氣候和空氣質量的影響。因此，準確預測揮發(fā)性對于理解氣溶膠的環(huán)境效應至關重要，同時也充滿挑戰(zhàn)。揭示揮發(fā)性的內在化學驅動因素有助于提高預測模型的準確性。研究氣相和顆粒相中有機氣溶膠分子組成的差異，可以有效識別影響揮發(fā)性的內在化學因素。
近期，中國科學院廣州地球化學研究所FT-ICR MS儀器工程師蔣彬與趙時真副研究員等合作，對我國6個主要城市大氣的氣相和顆粒相樣品的分子組成差異進行深入分析。研究揭示了決定和預測有機氣溶膠揮發(fā)性的內在化學參數，包括分子量，等效雙鍵當量（DBE），碳和氧質量百分比及氧碳比，同時發(fā)現(xiàn)，DBE與揮發(fā)性呈顯著負相關性。將DBE作為新的變量納入已有模型可以顯著改進模型的準確性，尤其對于幾乎沒有或沒有雜原子（0-2）的化合物，如烴類（CH）。研究結果進一步闡明了DBE、碳、氮、氧和硫原子對氣溶膠中有機分子揮發(fā)性的貢獻，從而能更好地預測環(huán)境空氣中不同揮發(fā)性有機化合物的相態(tài)分布。該研究取得的主要進展包括:
（1）整合研究了6個主要城市大氣的氣相和顆粒相的分子（29600個分子式）組成，并將其分為三類，包括僅在氣相中檢測到（PUF only）、在氣相和顆粒樣品中都檢測到（PUF&PAR），以及僅在顆粒樣品中檢測（PAR only）到的化合物。研究結果顯示：隨著揮發(fā)性的降低，木質素/富含羧基的脂環(huán)分子（CRAM）分子的比例從PUF_only組的38%下降到PAR_only組的27%（圖1a）。相反，脂質和不飽和烴的比例增加，脂質的比例從PUF_only組的13%增加到PAR_only組的40%，不飽和烴的比例從PUF_only組的4%增加到PAR_only組的20%（圖1a）；顆粒相的平均分子量、碳質量百分比和DBE高于氣相，而平均O/C比值和氧質量百分比低于氣相（圖1b）。
（2）發(fā)現(xiàn)DBE與揮發(fā)性呈顯著負相關性，并將DBE作為新的變量納入先前模型來改進有機氣溶膠揮發(fā)性的預測模型（圖2）。模型結果顯示：新模型會顯著改進有機氣溶膠揮發(fā)性預測的準確性，尤其對于幾乎沒有或沒有雜原子（0-2）的化合物（圖3），如烴類（CH）。
????（3）利用新模型，進一步剖析了城市大氣氣相和顆粒相中不同揮發(fā)性化合物的分布狀況（圖4）。
圖1.僅在PUF中檢測到（PUF only）、在PUF和顆粒樣品中都檢測到（PUF&PAR），以及僅在顆粒樣品中檢測（PAR only）到的化合物分子組成差異。（a）組分分布（Van Krevelen圖）。（b）關鍵的平均分子參數。
圖2. 預測氣溶膠揮發(fā)性的新模型。
圖3. 新舊模型不同雜原子數量的化合物的C0預測值對比
圖4. 城市大氣氣相和顆粒相分子不同揮發(fā)性化合物的分布
本研究揭示了氣溶膠揮發(fā)性的內在化學驅動因素，并建立了新模型以提高預測準確性。這些結果有助于更準確地預測氣溶膠的環(huán)境行為，從而有助于我們更全面地理解氣溶膠對氣候系統(tǒng)及人類健康的影響機制。該研究成果近期發(fā)表于國際期刊《Journal of Geophysical Research: Atmosphere》上，得到了國家自然科學基金，中國科學院青年創(chuàng)新促進會，以及中國科學院廣州地球化學研究所“涂光熾優(yōu)秀青年學者”計劃項目的資助。
論文信息：Jiang,Bin（蔣彬）;Zhao,Shizhen（趙時真）;Chen,Wei（陳衛(wèi)）;Tian,Lele?（田樂樂）;Hu,Weiwei（胡偉偉）;Li,Jun（李軍）;Zhang,Gan（張干）. Intrinsic Chemical Drivers of Organic Aerosol Volatility: From Experimental Insights to Model Predictions. Journal of geophysical research-atmospheres,2024,129(21):e2024JD041286. DOI: 10.1029/2024JD041286
論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024JD041286
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