挥发性是有机气溶胶的一个关键性质，它决定了气溶胶分子在大气中的停留时间，从而可评估其对气候和空气质量的影响。因此，准确预测挥发性对于理解气溶胶的环境效应至关重要，同时也充满挑战。揭示挥发性的内在化学驱动因素有助于提高预测模型的准确性。研究气相和颗粒相中有机气溶胶分子组成的差异，可以有效识别影响挥发性的内在化学因素。
近期，中国科学院广州地球化学研究所FT-ICR MS仪器工程师蒋彬与赵时真副研究员等合作，对我国6个主要城市大气的气相和颗粒相样品的分子组成差异进行深入分析。研究揭示了决定和预测有机气溶胶挥发性的内在化学参数，包括分子量，等效双键当量（DBE），碳和氧质量百分比及氧碳比，同时发现，DBE与挥发性呈显著负相关性。将DBE作为新的变量纳入已有模型可以显著改进模型的准确性，尤其对于几乎没有或没有杂原子（0-2）的化合物，如烃类（CH）。研究结果进一步阐明了DBE、碳、氮、氧和硫原子对气溶胶中有机分子挥发性的贡献，从而能更好地预测环境空气中不同挥发性有机化合物的相态分布。该研究取得的主要进展包括:
（1）整合研究了6个主要城市大气的气相和颗粒相的分子（29600个分子式）组成，并将其分为三类，包括仅在气相中检测到（PUF only）、在气相和颗粒样品中都检测到（PUF&PAR），以及仅在颗粒样品中检测（PAR only）到的化合物。研究结果显示：随着挥发性的降低，木质素/富含羧基的脂环分子（CRAM）分子的比例从PUF_only组的38%下降到PAR_only组的27%（图1a）。相反，脂质和不饱和烃的比例增加，脂质的比例从PUF_only组的13%增加到PAR_only组的40%，不饱和烃的比例从PUF_only组的4%增加到PAR_only组的20%（图1a）；颗粒相的平均分子量、碳质量百分比和DBE高于气相，而平均O/C比值和氧质量百分比低于气相（图1b）。
（2）发现DBE与挥发性呈显著负相关性，并将DBE作为新的变量纳入先前模型来改进有机气溶胶挥发性的预测模型（图2）。模型结果显示：新模型会显著改进有机气溶胶挥发性预测的准确性，尤其对于几乎没有或没有杂原子（0-2）的化合物（图3），如烃类（CH）。
（3）利用新模型，进一步剖析了城市大气气相和颗粒相中不同挥发性化合物的分布状况（图4）。
图1.仅在PUF中检测到（PUF only）、在PUF和颗粒样品中都检测到（PUF&PAR），以及仅在颗粒样品中检测（PAR only）到的化合物分子组成差异。（a）组分分布（Van Krevelen图）。（b）关键的平均分子参数。
图2. 预测气溶胶挥发性的新模型。
图3. 新旧模型不同杂原子数量的化合物的C0预测值对比
图4. 城市大气气相和颗粒相分子不同挥发性化合物的分布
本研究揭示了气溶胶挥发性的内在化学驱动因素，并建立了新模型以提高预测准确性。这些结果有助于更准确地预测气溶胶的环境行为，从而有助于我们更全面地理解气溶胶对气候系统及人类健康的影响机制。该研究成果近期发表于国际期刊《Journal of Geophysical Research: Atmosphere》上，得到了国家自然科学基金，中国科学院青年创新促进会，以及中国科学院广州地球化学研究所“涂光炽优秀青年学者”计划项目的资助。
论文信息：Jiang,Bin（蒋彬）;Zhao,Shizhen（赵时真）;Chen,Wei（陈卫）;Tian,Lele （田乐乐）;Hu,Weiwei（胡伟伟）;Li,Jun（李军）;Zhang,Gan（张干）. 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
论文链接：https://doi.org/10.1029/2024JD041286
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