日常什么会产生化学反应？成千上万个化学反应正在发生
日常什么会产生化学反应？成千上万个化学反应正在发生室内空气中挥发性物质和颗粒物的主要来源，图片来源：C&EN[5]常言道，室外的空气都是相似的，而室内的空气却各有各的不同。挥发性有机物无处不在，他们来自厨房的炉子上，窗户的表面，家具的周围，每天使用的各种清洁剂中，更来自你我每个人身上。挥发性有机物间复杂的反应网络，图片来源：Science[2]据统计，大多数人每天90%的时间，都在室内度过[3]，比如待在家里、工作场所、学校乃至一些室内公共空间。我们花了很多精力，用来了解室外空气及其污染，相比而言，对室内空气及其化学反应却知之甚少。来源：Environ. Sci. Technol.[4]
一场疫情，让许多“996”的职场人士，变成了在家办公的“自由职业者”。本以为在家办公逍遥自在，却没躲过家里的“熊孩子们”。
就在我们被工作 and 孩子搞得焦头烂额的时候，成千上万的化学反应，也在我们的屋檐之下，悄然发生。尽管你看不见也摸不着，但它们无时无刻不在进行，影响着我们的健康。
室内活动，来源：Environ. Sci.: Processes Impacts [1]
成千上万个化学反应发生在我们周围，是一种什么样的体验呢？有研究者画了一张图，红点和白点表示我们的房间里，隐藏的各种挥发性有机物（VOCs），蓝线表示化合物之间的化学反应[2]。这些反应的复杂性是惊人的，例如异戊二烯（C5H8）在被氧化成为二氧化碳和水过程中，涉及1928个化学反应和602种有机物。这些化合物有的对人体有害，有的本身无害，但可以通过化学反应，转变成有害的物质。
挥发性有机物间复杂的反应网络，图片来源：Science[2]
据统计，大多数人每天90%的时间，都在室内度过[3]，比如待在家里、工作场所、学校乃至一些室内公共空间。我们花了很多精力，用来了解室外空气及其污染，相比而言，对室内空气及其化学反应却知之甚少。
来源：Environ. Sci. Technol.[4]
来源——四面八方常言道，室外的空气都是相似的，而室内的空气却各有各的不同。挥发性有机物无处不在，他们来自厨房的炉子上，窗户的表面，家具的周围，每天使用的各种清洁剂中，更来自你我每个人身上。
室内空气中挥发性物质和颗粒物的主要来源，图片来源：C&EN[5]
厨房是挥发性有机物情有独钟的聚集地，红烧肉的香，螺蛳粉的臭，食物散发着自己特有的味道。清洁产品也为室内贡献着独特的有机物，比如氯基消毒剂会提高空气中“氯仿”的含量，而各种松木香味的洗洁精都在散发着一种名为“柠檬烯”的有机物。
图片来源：Environ. Sci.: Processes Impacts [6]
烹饪活动更是室内可吸入颗粒物（PM0.1~20）的主要来源。有趣的是，不同的做饭方式带来的颗粒物污染差别明显[6]。烤面包是相对清洁的，只要不把面包烤糊，就几乎不产生可吸入颗粒物；而炒菜带来的室内颗粒增长是最多的，有一种操作叫做炝锅，PM数值轻松升高到三百多，不知你有没有体验过辣椒炝锅那一瞬间的酸爽？
不同烹饪过程产生颗粒物对比，图片来源：Environ. Sci.: Processes Impacts [6]
人类活动，也会大大影响房间中空气的成分。2016年，加州大学伯克利分校的研究者利用教室来进行实验，分别测量有人与无人教室中的气体挥发物，结果发现教室里挥发性有机物主要来自于人体，最丰富的前20种占总量的80%，其中含量最高的是一类名为“甲基硅氧烷（methylsiloxanes）”的物质，超过总量的四分之一，这是护发素、化妆品、乳液和止汗剂中的常见成分[7]。
来自人体挥发的前20种最丰富的有机物，图片来源：Environ. Sci. Technol. [7]
反应——成千上万尽管这些挥发性有机物大多数毒性不大，但释放到空气中后却很棘手，因为它们将参与到成千上万的化学反应之中，被空气中的氧化剂分子所氧化。美国锡拉丘兹大学的研究者，测量了室内主要氧化剂的含量，包括臭氧（O3），氮氧化物（NOx）和气相亚硝酸（HONO）。这些氧化剂主要来自于建筑本身、烹饪过程以及打开门窗与外界空气的交换[8]，其中气相亚硝酸可以由氮氧化物在墙壁、天花板和家具等表面反应产生，是室内反应中最重要的氧化剂。
室内氧化剂分子来源，图片来源：Environ. Sci.: Processes Impacts [8]
HONO易见光分解，其分解产物羟基自由基（OH）是室内化学最常见的反应推手。中国科学院地球化学研究所的研究表明，当阳光照射房间时，OH在室内的峰值为3.1×106 cm-3。它们能诱导室内的有机挥发物转化为高度氧化的有机分子（HOMs）和有机气溶胶（SOA）[9]。不过OH也是一把双刃剑，长时间阳光照射，持续产生的OH，可以迅速将室内的有机物氧化为二氧化碳和水，使室内空气保持清新，这，或许就是人们常说的“阳光的味道”。
羟基自由基来源，图片来源：Environ. Sci.: Processes Impacts [9]
美国的研究者研究了烟草释放的尼古丁，在室内，它们会被HONO氧化，生成亚硝胺，这也是一种一类致癌物[10]。类似的，在一些发展中国家，固体燃料还常用于烹饪和取暖，燃烧产生的致癌性多环芳烃，可以被HONO氧化成致癌性更大的氧化产物，严重影响着人类的健康。
约克大学的研究者在使用漂白粉或洗碗机之后，在室内检测到了氯化氢（HCl）分子。他们采用一种非常灵敏的光谱技术（cavity ring-down spectroscopy，CRDS）进行测量，并分析其来源。即使室内只有微弱的光源，也可以使漂白粉或消毒液分解，产生氯自由基，这种自由基具有强氧化性，可以与挥发性有机物反应，生成氯化氢分子[11]。
更重要的是，挥发性有机物只是所有化学反应的开始。与室外环境不同的是，它们会以气溶胶的形式，沉积在室内家具、摆设以及墙壁和玻璃表面。有研究者利用原子力显微镜结合红外成像（AFM-IR）对玻璃窗表面进行观察，过量的挥发性有机物不但可以沉积在玻璃表面，还会持续不断地向室内空气挥发，有点类似药物研究中的“缓释”效果，长效持久[12]。
来源：J. Mater. Sci. [12]
测试——有一说一室内挥发性有机物种类繁多，寿命可以从几个月到几分钟不等。根据Wisthaler和Weschler的实验，当两个人一起进入一间正常大小的房间时，30分钟内就可以使室内氧化剂的浓度下降一半。与此同时，各种羰基化合物（如丙酮，含有碳氧双键）的浓度迅速增加，人体身上散发的有机物（比如不饱和脂肪酸酯）首当其冲地被氧化剂氧化[13]。
尽管氧化的最终产生多为二氧化碳和水，但是整个反应过程难以捕捉和监控。如何准确地设计实验，收集室内气体，研究其中的化学反应，并确保数据的可靠性，这的确给研究者造成了不小的困扰。
分别测试人体呼吸和皮肤释放的化学物质，来源：C&EN[5]
2018年，科罗拉多州立大学Delphine K.Farmer教授和科罗拉多大学Marina E.Vance教授联合提出了HOMEChem的概念，即室内微生物及环境化学（House Observations of Microbial and Environmental Chemistry），利用大气化学的研究手段，对室内空气及其化学反应进行分析，希望可以形成一个数据库，该项目得到了斯隆基金会（Sloan Foundation）100万美元的资金支持[14]。
来源：Environ. Sci.: Processes Impacts [13]
“不过，这些的研究还刚刚开始”，他们说，“人类的室内活动、建筑物本身的分子挥发和透过性、光照和氧化剂影响、沉积在家具和玻璃表面的气溶胶颗粒，每一个分支都有许多工作要做”[14]。随着对室内化学的深入研究，我们生活周围空间中的化学反应，以及它们对人类健康的影响，可以越来越充分地被人们了解。
室内化学，来源：Science[15]
原来在我们周围，家里、教室或者办公室，每天都暗藏着这么多“玄机”。就在你看这篇文章的时候，又有成千上万个化学反应在你身边发生了哦。
参考文献：
[1] Abbatt J. P. D. et al. The atmospheric chemistry of indoor environments. Environ. Sci.: Processes Impacts 2020 22 25-48.
[2] Lewis A. C. The changing face of urban air pollution. Science 2018 359 744-745.
[3] Klepeis N. E. et al. The National Human Activity Pattern Survey (NHAPS): a resource for assessing exposure to environmental pollutants. J Expo. Anal. Env. Epid. 2011 11 231-252.
[4] Weschler C. J. et al. Indoor Chemistry. Environ. Sci. Technol. 2018 52 2419-2428.
[5] Arnaud C. H. What’s in the air in our homes? C&EN 2019 97 34-40.
[6] Farmer D. K. et al. Overview of HOMEChem: House Observations of Microbial and Environmental Chemistry. Environ. Sci.: Processes Impacts 2019 21 1280-1300.
[7] Tang X. et al. Volatile Organic Compound Emissions from Humans Indoors. Environ. Sci. Technol. 2016 50 12686-12694.
[8] Zhou S. et al. Role of location season occupant activity and chemistry in indoor ozone and nitrogen oxide mixing ratios. Environ. Sci.: Processes Impacts 2019 21 1374-1383.
[9] Liu J. et al. Assessing indoor gas phase oxidation capacity through real-time measurements of HONO and NOx in Guangzhou China. Environ. Sci.: Processes Impacts 2019 21 1393-1402
[10] Sleiman M. Formation of carcinogens indoors by surface-mediated reactions of nicotine with nitrous acid leading to potential thirdhand smoke hazards. PNAS 2010 107 6576-6581.
[11] Dawe K. E. R. et al. Formation and Emission of Hydrogen Chloride in Indoor Air. Indoor Air 2019 29 70-78.
[12] Lee D. H. et al. FTIR spectral characterization of thin film coatings of oleic acid on glasses: I. Coatings on glasses from ethyl alcohol. J. Mater. Sci. 1999 34 139-146.
[13] Wisthaler A. et al. Reactions of ozone with human skin lipids: Sources of carbonyls dicarbonyls and hydroxycarbonyls in indoor air. PNAS 2010 107 6568-6575.
[14] Farmer D. K. et al. Indoor air: sources chemistry and health effects. Environ. Sci.: Processes Impacts 2019 21 1227-1228.
[15] Gligorovski S. Abbatt J. P. D. An indoor chemical cocktail. Science 2018 359 632-633.
