Authors:	Wang, Kai
Title:	Chemical characterization of organic aerosol from Chinese cities using high resolution mass spectrometry
Online publication date:	12-Dec-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	Atmospheric aerosols are strongly related to air quality, global climate and human health. They influence the Earth’s radiative balance directly by scatting and absorbing solar radiation and indirectly by nucleating cloud droplets. Aerosol particles can also have adverse effects to the human respiratory and cardiovascular systems. Within the last decades, China has experienced severe and persistent haze pollution with the fine particulate matter (PM) reaching unprecedentedly high levels across many cities, which is influencing the regional air quality and million people’s health. Hence, understanding the chemical composition and sources of the PM during the haze events is essential for assessing the effects of polluted aerosols. The aim of this work is to characterize the chemical composition of organic aerosol (OA) samples collected from different Chinese cities during the haze events in January 2014 based on ultrahigh resolution mass spectrometry (UHRMS) and to present a comprehensive overview of OA in Chinese urban regions. The first part of this study was the development of an analytical method to analyze the aerosol samples with diameters of PM ≤ 2.5 μm (PM2.5) collected in a Chinese city (Beijing) and a central European city (Mainz, Germany). In combination with ultrahigh performance liquid chromatography (UHPLC), the UHRMS-Orbitrap technique coupled with electrospray ionization (ESI) was able to identify thousands of organic compounds at the molecular level. The comparison of the chemical composition of OA in Beijing and Mainz showed that OA in Beijing was more unsaturated and contained more aromatics than OA in Mainz, indicating that combustion emission (e.g., automotive exhaust emission) played a more important role in Beijing OA. The second part of this study focused on the identification and comparison of chemical components in OA collected from three representative Chinese cities using again the UHPLC-Orbitrap MS method. The three Chinese cities Changchun (CC), Shanghai (SH) and Guangzhou (GZ) locate, respectively, in the northeast, central east and southeast regions of China. The results showed that the major organic compounds with high concentrations in all cities had similar chemical composition and were dominant by aromatics, while OA in SH and GZ showed a higher similarity. Compared to the OA in SH and GZ, OA in CC obviously experienced less oxidation processes and contained more polycyclic aromatics, which were probably generated from the coal burning for the residential heating in winter in northeast China. Finally, an important organic species named organosulfates (OSs) in OA samples from Beijing and Mainz were characterized using the UHPLC-Orbitrap MS method. By summarizing the elemental composition information of OSs generated in previous OSs chamber simulation experiments, a diagram for the prediction of OSs precursors was created. Based on this OSs precursor diagram, OSs in Mainz OA is suggested to be mainly derived from isoprene or other small molecules with carbon atom number less than five, while OSs in Beijing OA was generated from both isoprene and anthropogenic precursors (e.g., long chain alkanes and aromatics). In conclusion, the UHPLC-Orbitrap MS method developed in this work has been proved to be effective to identify the complex chemical composition in OA. This thesis offers a comprehensive overview about the molecular composition of OA in different Chinese cities, which helps to better understand their chemical characteristics and sources as well as provide the chemical database for haze control strategies in China. Atmosphärische Aerosole üben einen großen Einfluss auf die Luftqualität, das Klima und die Gesundheit des Menschen aus. Dabei können sie die Sonnenstrahlung direkt streuen oder absorbieren, oder indirekt als Nukleationskeime für Wolkentröpfchen zu einem erhöhten Reflektionsverhalten von Wolken beitragen. Darüber hinaus können sie negative Auswirkungen auf das menschliche Atmungs- und Herz-Kreislauf-System haben. In den letzten Jahrzehnten kam es in China zu schweren und andauernden Luftverschmutzungsperioden, wobei die Feinstaubpartikel (PM) in vielen Städten ein beispiellos hohes Niveau erreichten und damit die regionale Luftqualität und die Gesundheit von Millionen von Menschen beeinflusste. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit die chemische Zusammensetzung und die Quellen der Aerosolpartikel während der Verschmutzungsperioden besser zu verstehen. Das Ziel dieser Arbeit lag daher in einer Charakterisierung der chemischen Zusammensetzung von organischen Aerosolpartikeln (OA), und zwar konkret für Luftproben, die während Verschmutzungsperioden im Januar 2014 in verschiedenen chinesischen Städten gesammelt wurden. Dazu wurde die ultrahochauflösende Massenspektrometrie (UHRMS) eingesetzt. Der erste Teil dieser Studie beschäftigte sich mit der Entwicklung einer analytischen Methode zur Analyse von Aerosolproben mit Partikeldurchmessern kleiner als 2,5 μm (PM2,5) und der Gegenüberstellung der Resultate aus Proben, die in einer chinesischen Stadt (Peking) und einer mitteleuropäischen Stadt (Mainz, Deutschland), gesammelt wurden. In Kombination mit der Ultrahochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (UHPLC) und der Elektrospray-Ionisierung (ESI) ist die UHRMS (Orbitrap-MS) in der Lage Tausende organische Verbindungen auf molekularer Ebene zu identifizieren. Vergleicht man die chemische Zusammensetzung von OA in Peking und Mainz, wurde im Rahmen dieser Arbeit beobachtet, dass OA in Peking ungesättigter ist und deutlich mehr aromatische Verbindungen enthält als OA in Mainz, ein deutlicher Hinweis auf höhere Beiträge aus Verbrennungsprozessen (z. B. Autoabgasemissionen) in der chinesischen Megacity. Ein weiterer Schwerpunkt der vorgelegten Studie bestand in der Identifizierung und dem Vergleich von OA, die in drei repräsentativen chinesischen Städten beprobt wurden. Dabei kam die im ersten Teil der Arbeit entwickelte UHPLC-Orbitrap-MS-Methode zum Einsatz. Die drei chinesischen Städte Changchun (CC), Shanghai (SH) und Guangzhou (GZ) befinden sich jeweils in den nordöstlichen, zentralen und südöstlichen Regionen Chinas. Die Ergebnisse zeigen, dass die wichtigsten organischen Verbindungen mit hohen Konzentrationen in allen Städten eine ähnliche chemische Charakteristik zeigen und aromatische Verbindungen dominieren, während OA in SH und GZ generell eine recht hohe Ähnlichkeit aufweisen. Im Vergleich zu OA in SH und GZ, zeigt sich OA in CC weniger hoch oxidiert und höher konzentriert bzgl. polyzyklischen aromatischen Verbindungen, wahrscheinlich hervorgerufen durch höhere Beiträge aus der Kohleverbrennung im Winter in Nordost-China. Schließlich wurde eine wichtige atmosphärische Substanzgruppe (Organosulfate (OSs)) in OA-Proben aus Peking und Mainz mit der UHPLC-Orbitrap MS-Methode analysiert und charakterisiert. Gemäß den Ergebnissen zur chemischen Zusammensetzung aus existierenden Simulationskammerexperimenten wurde ein Diagramm zur Vorhersage der OSs-Vorläufer erstellt. Basierend auf diesem Vorläuferdiagramm wird im Rahmen dieser Arbeit vorgeschlagen, dass OSs in Mainz hauptsächlich aus Isopren oder anderen kleinen Moleküken mit einer Kohlenstoffatomzahl von weniger als fünf gebildet werden, während OSs in Beijing sowohl aus Isopren als auch aus anthropogenen Vorläufern (z. B. langkettige Alkane sowie Aromaten) erzeugt werden. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit entwickelte UHPLC-Orbitrap-MS-Methode zur Analyse der komplexen chemischen Zusammensetzung von OA geeignet ist. Die vorgelegte Arbeit bietet einen umfassenden Überblick über OAs in verschiedenen chinesischen Städten und ermöglicht ein besseres Verständnis ihrer chemischen Eigenschaften und der zugrundeliegenden Quellen.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3582
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000032140
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VIII, 237 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen