本文根據北海道大學成果發佈編譯而成
日本北海道大學研究生院工學研究院的關川太郎副教授和理學研究院的武次徹也教授，與丹小麥哥本哈根大學理學部的Oliver Schalk博士等人組成的國際研究團隊，利用極紫外飛秒光脈衝光源，對大氣污染質PM2.5的構成分子之一鄰-硝基苯酚受到光照後解離生成亞硝酸的程序進行了即時觀測，發現光照約400飛秒後開始分解。
亞硝酸被認爲是大氣中出現光化學煙霧的光化學氧化劑的生成誘因之一，亞硝酸的來源備受關注。另一方面，硝基苯酚類物質會隨着化石燃料的燃燒被釋放到大氣中，以PM2.5等大氣微粒狀物的形式存在。此次研究發現，陽光照射鄰-硝基苯酚是產生亞硝酸的直接原因之一（圖1）。
圖1：從硝基苯酚中解離的亞硝酸與光化學煙霧的關係。在大氣中受到陽光照射發生解離。
研究團隊利用自主開發的極紫外飛秒光脈衝光源，全球首次實施了對亞硝酸的形成程序的觀測，證明該光源具有高度的實用性。另外，透過將測量結果與高精度的量子化學計算結果進行比較，還確定了鄰-硝基苯酚生成亞硝酸的光分解機制。
【研究方法】
研究團隊利用泵作用-探針法捕捉了化學反應的進行程序，就是透過泵作用光開始化學反應，透過有一定時間延滯的探測光來觀測變化。檢測亞硝酸需要使用短波長的探測光，因此很難進行觀測。此次，研究團隊把利用高次諧波成分自主開發的極紫外飛秒光脈衝光源應用到了光電子能譜中（圖2）。
圖2：極紫外飛秒光脈衝光源與光電子能譜裝置
【研究成果】
研究團隊利用以上方法，首次成功地對亞硝酸進行了即時觀測。透過將測量的光電子光譜與高精度的量子化學計算結果進行比較，確定了分子的狀態。進行光激發後，光電子光譜時刻發生變化。觀察發現，表示亞硝酸的訊號在進行光激發374飛秒後出現，並以433飛秒的時間常數逐漸強化（圖3），也就是說，從374飛秒開始解離。
圖3：a）光電子光譜、b）光譜變化。在游離能量（橫軸）爲10~11eV左右時，經過0.5皮秒（1皮秒=1000飛秒）的時間延滯（縱軸）後（綠色框内），訊號強化，表示生成了亞硝酸。
以往的研究僅觀測到了光照射後的狀態，亞硝酸的生成程序只是靠推測。此次研究發現，從照射光到生成亞硝酸要經過幾種狀態，光照射引起的分子形狀變形對這種化學反應程序至關重要（圖4）。另外還發現，鄰-硝基苯酚受到陽光照射是生成亞硝酸的直接因素之一。
圖4：鄰-硝基苯酚（o-NP）受到光照射後（向正上方移動），在改變結構的同時生成亞硝酸（HONO）的程序（右下方）。隨着吸收光，原來是平面的分子發生變形，HONO隨着時間的推移而解離。
論文資訊
題目：Real-Time Probing of an Atmospheric Photochemical Reaction by Ultrafast Extreme Ultraviolet Pulses: Nitrous Acid Release from o-Nitrophenol
期刊：Journal of Physical Chemistry Letters
DOI：10.1021/acs.jpclett.0c03297
日語發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
