大气中黑碳颗粒表面的光化学反应：活性氧物种生成及氧化潜势

Black carbon (BC) is an important component of fine particles and plays important roles in climate change, environmental and health effects. BC absorbs solar light, which induces surface photochemical reactions and changes the chemical component and oxidative potential of BC. At present, the photochemical reactions on the surface of atmospheric BC particles have not been well studied. This project plans to detect the reactive oxygen species (ROS) generation and Dithiothreitol (DTT) oxidative potential of BC as exposed to simulated solar light. Combined with information obtained from surface modification and surface characterization, we are able to reveal the transfer pathes of photogenerated charges and ROS generation mechanism, and establish the systematical links among surface functional groups, ROS and DTT oxidative potential. This study is helpful for deeply understanding of the atmospheric photochemical behaviors of BC, and is supportive for more accurate assessing of the environmental and health effects of BC particles.

黑碳（BC）是大气细颗粒物的组分之一，在气候变化、环境和健康效应中发挥重要作用。BC具有吸光特性，可诱导光化学反应，改变自身化学组分和氧化潜势，目前有关大气中BC颗粒表面的光化学反应研究还非常匮乏。本项目拟开展BC颗粒在模拟太阳光下的光照实验，测定其表面活性氧物种（ROS）生成以及二硫苏糖醇（DTT）氧化潜势；并结合表面功能基团修饰和物化特性表征，揭示光生电荷转移路径和ROS形成机制，建立BC表面功能基团、ROS和DTT氧化潜势之间的相互关联。本研究有助于深入理解黑碳颗粒的大气光化学行为，为更好地评估其环境和健康效应提供依据。

大气黑碳颗粒具有显著的环境和健康效应，研究其在大气环境中的老化过程和效应具有重要的科学和现实意义。本项目采用烟雾箱和流动管对黑碳颗粒进行了可见光照老化模拟，采用电子自旋共振波谱和化学探针法测定了光生电子、空穴及活性氧物种，并对光照前后颗粒物的表面功能基团、表面缺陷、持久性自由基、氧化潜势和细胞毒性等进行了系统分析。主要研究结果有：（1）不同燃料燃烧产生的黑碳颗粒的碳核部分都具有“还原的氧化石墨烯”的微观结构特征，而不是以往研究认为的类石墨烯或石墨的特征，由此使黑碳颗粒具有可见光下的光催化性质；（2）在仅有可见光照和氧气存在下，黑碳颗粒受光激发产生电子-空穴对，再通过电子转移途径产生多种活性氧物种如超氧阴离子和羟基自由基。黑碳的碳核和表面有机物发挥不同的作用，光照下内部的碳核可以产生活性氧物种，氧化表面活泼的多环芳烃，使其含量降低，同时表面羰基和羧基等含氧基团、持久性自由基含量增加。含氧产物和自由基的生成促使可见光照后黑碳颗粒的氧化潜势显著增强。细胞毒性实验发现可见光照老化后黑碳颗粒中可提取有机物能诱导细胞产生更多活性氧物种，细胞死亡率也有增加的趋势；（3）不同类型碳质颗粒产生光致活性物种能力与其碳核含量正相关，黑碳颗粒氧化潜势增加值与其产生光生活性氧物种的能力正相关。本项目着眼于黑碳颗粒在太阳辐射下的光化学作用，获得了黑碳颗粒微观结构的新认知，发现了可见光照下黑碳颗粒从内而外的光催化自氧化机制，阐明了黑碳颗粒的光催化特性和活性氧物种在这种自氧化过程中的重要性，剖析了黑碳颗粒的结构和组成特性对其光生活性物种生成和氧化潜势的作用。研究结果有力促进了对于黑碳颗粒的大气光化学老化行为和健康效应的理解，也为黑碳颗粒的排放控制策略等提供了支撑。