有機氣膠之水合結構及表面特性

空氣污染及其當中有害之氣膠細懸浮微粒已成為當前威脅人類生命健康最重要的環境因子，其中尤以氣動力學直徑(aerodynamic diameter)在2.5微米以下之PM2.5 (particulate matters ≦2.5 μm) 對人類健康的危害最大。世界衛生組織(WHO) 於 2018年5月公布的空氣污染報告指出，全球超過九成人口正在呼吸高濃度的污染物質，每年約有700萬人因暴露在懸浮微粒空污中而喪命，佔全球死亡率1/8，其中又以亞洲空氣污染情形最為嚴重。 除了目前已知空污及PM2.5可能造成呼吸道及肺部疾病、心血管疾病、神經退化性疾病、癌症等多種重大疾病外，聯合國兒童基金會（UNICEF）於2017年12月發表之「空氣危害（Danger in the air）」報告更明確指出空污是本世紀威脅孩童健康的致命殺手。然而，PM2.5 實為用以區分懸浮顆粒尺寸大小的量度標準。目前一般最常見量測PM2.5的方法為PM2.5之質量濃度。然而，單從質量濃度吾人並無法得知PM2.5的來源、化學成份、生長機轉以及相關的物理、化學、生物等特性。從微觀的分子層級下，來自不同汙染來源及生長機制之PM2.5，卻可能由於具備不同化學成份或結構，而對環境、對大氣環境、對氣候乃至對人體健康造成截然不同的影響。為了能夠深入掌握各種懸浮微粒的物化特性，並從而找出解決或預防之對策，亟需吾人對於不同化學成分PM2.5的基礎物化特性、生成轉化機制及其與他種物質(如臭氧)之反應動力學特性有更深入的了解及掌握。

        有鑑於此，我們利用氣膠光電子能譜探討了在環境及大氣中相當重要的一類次級有機氣膠 (secondary organic aerosols, SOA) 的來源,苯酚及其衍生物作為重點探討對象。苯酚及其衍生物可能經由生產製造苯酚或利用苯酚為原料的工業中排放，亦可能是經由苯與環境中的OH自由基反應生成。由於同時具有親水性的 –OH官能基團以及具疏水性的芳香環，苯酚類化合物為典型的兩性(amphiphilic)有機化合物。探討苯酚類水溶液氣膠的價電子能級結構及水合特性將可望幫助吾人對於兩性有機氣膠如何從分子層級影響雲霧形成的機制及苯酚氧化還原特性有更微觀深入的了解，進而研擬出可有效控管苯酚相關工業排放之策略。

        透過氣膠真空紫外光光電子光譜，我們探討了一系列奈米級兩性有機水溶液氣膠(amphiphilic organic aqueous nanoaerosols) 在不同酸鹼、電性狀態及結構特徵下的價電子能級結構特性。我們發現苯酚並未完全溶入水溶液氣膠中，而是呈現部分水合(partial solvation)的型態，僅具親水性的–OH基團沉入水溶液氣膠的氣-液介面。從苯酚水溶液氣膠的光電子光譜實驗中，我們發現在水溶液氣膠狀態下，即使在高度鹼性的環境下，部分苯酚依然維持在電中性狀態並未完全去質子化，顯示含有兩性有機溶質的水溶液氣膠之獨特介面特性。

        為了解 -OH官能基的數目及相對位置對苯酚類衍生物之價電子能級結構的影響，我們接續探討了二羥基苯的三種異構物，包括鄰-, 間-, 對-二羥基苯在水溶液氣膠狀態下的電子結構，並與其氣態作比較。透過此工作，我們發現當: (1) 水合程度愈強時, (2) 去質子化程度愈高時, (3) pH愈高時以及 (4) –OH基團數目愈多時，將導致苯酚類衍生物更容易將其最外層的電子游離。一旦苯酚及苯酚類衍生物變得更加容易游離時，這也同時意謂了苯酚氧化(phenol oxidation)將更容易發生，且其所涉及的氧化還原反應的途徑及速率亦會隨之改變，倘若經由呼吸進入到人體內，亦可能與體內一些重要的生物分子以不同的反應途徑改變體內原有之氧化還原平衡。

苯酚氧化(phenol oxidation) 是其形成次級有機氣膠的重要過程。本研究工作透過苯酚類水溶液氣膠光電子能譜的探究，幫助我們更加深入認識了影響到苯酚類化合物之氧化性的關鍵因子，包括酸鹼度、質子及去質化程度、官能基數目以及水合程度等。本工作對於未來如何制定策略控管與苯酚相關之生產製造工業之排放，並降低其排放對環境所造成之汙染提供新的參考依據。