环境学院王亚韡教授工作室利用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪，通过室内模拟和野外采样相结合，解析了美拉德化学在大气二次棕碳形成中的作用及其对大气气溶胶化学多样性的潜在贡献。相关成果最近以“Unexpected molecular diversity of brown carbon formed by Maillard-like reactions in aqueous aerosols”为题，在线发表于Chemical Science（Chem. Sci., 2022, DOI: 10.1039/D2SC02857C）。

美拉德反应又称为"非酶棕色化反应"，是法国化学家L.C.Maillard在1912年提出的。该反应是食品化学中极其经典的反应，日常生活中的很多美食，比如烤肉、烤面包、炸薯条、红烧肉等，都有美拉德反应的功劳。最近的研究表明，这一反应不止能够缔造餐桌上的美味，还能够生成大气中的棕色气溶胶（棕色碳）。大气中普遍存在的胺类物质和羰基化合物是美拉德反应的重要前驱体，但由于美拉德反应过程及其复杂，学界对美拉德化学在大气二次棕碳形成过程中的作用和机制的认识十分有限。具有超高质量分辨的傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）在解析复杂有机混合物方面的优势，为解析大气美拉德化学反应产物的分子组成提供了新的机遇。

图1 二次棕碳（BrC）光学性质和化学组成的解析

工作室通过实验室模拟了一系列羰基和胺基化合物之间的美拉德反应，综合利用多种光谱技术以及¹H NMR和FT-ICR MS表征了不同前体物生成产物的吸光特性、官能团结构和分子组成，发现二次棕碳产物吸光特性和分子组成均受前驱体影响。二羰基化合物比单羰基化合物反应产物吸光能力更强，有机胺比无机氨反应产物的吸光能力更强。综合多种产物的光谱及分子特征以及FT-ICR MS/MS分析，表明氮杂环结构是美拉德反应产物中的主要吸光成分。总体上，通过简单前体物模拟共检测到14000多个分子式，显示出美拉德反应产物的分子多样性，而羰基前体物对其分子多样性的贡献更为重要。同时，也在真实大气PM_2.5样品中检测到了模拟反应中35%~64%的分子产物，表明美拉德化学对大气有机气溶胶分子组成多样性具有重要潜在贡献。该研究首次解析了美拉德反应生成二次棕碳的分子多样性，为深入认识大气二次有机气溶胶的生成及其化学多样性成因机制提供了新思路。

该论文的第一作者为博士后唐珊珊，通讯作者为王亚韡教授和中科院生态环境中心吕继涛副研究员。该研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D2SC02857C