一、成果简介
活性氧（ROS）是污染物降解、化工合成、细胞代谢等过程的关键驱动力，其分布直接控制化学反应速率。定量解析ROS的微观分布是预测和调控反应速率的前提和基础，也是领域的难题。近日，浙江大学环境与资源学院褚驰恒课题组通过开发荧光原位成像平台和多肽探针分子，并构建界面单线态氧（1O2）分布-反应-扩散动力学方程，揭示了有机质光化学反应生成的1O2在纳米界面的非均相分布规律，定量描述了其从界面向体相扩散过程中的衰减与浓度变化，使精准解析与调控1O2的界面反应速率成为可能。
二、引言
活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）在元素循环、污染控制、生命过程及催化合成等领域中发挥着关键作用，是驱动多类氧化反应的核心活性物种。其中，单线态氧（1O2）作为一种高选择性的ROS，广泛参与污染物自然降解、生物分子氧化及物质催化转化等过程。值得注意的是，大量1O2反应往往发生在各种环境界面上，如土-水界面、气溶胶界面等，这些界面往往是1O2生成与反应的主要场所，其空间分布直接决定反应速率与作用范围，从而对相关反应的预测与调控产生重要影响。
然而，现有研究多停留在界面1O2“增强效应”的定性描述层面，对于1O2在纳米尺度上的分布特征、衰减行为及其实际影响范围仍缺乏可预测的定量方程/模型，这已成为制约多介质体系中ROS反应预测与过程调控的关键瓶颈。自然界中，1O2主要来源于土壤与水体有机质的光敏化与能量传递过程，为此本研究基于有机质光生1O2，结合原位荧光成像与分布-反应-扩散理论分析，建立了1O2在纳米界面的非均相分布定量方程，实现了对1O2空间分布及其作用范围的定量预测，为评估界面主导的1O2氧化反应提供了重要理论基础。
三、研究成果
1.原位观测界面1O2富集过程
利用共聚焦荧光成像技术，实现了界面1O2空间分布的原位可视化，直接证明1O2在界面发生显著富集，而非均匀分布。进一步研究不同来源有机碳（DOM、BC、HULIS）发现，1O2在界面的富集具有普适性，界面浓度可达到体相的数倍以上，表明界面是1O2生成的关键“热点区域”。
图1. 微液滴中1O2的生成与空间分布的原位观测
2.基于有机质自发荧光揭示其界面富集现象
由于1O2主要来源于有机质的光敏反应，其生成位置与有机质分布高度耦合，从而在界面区域形成高反应活性“热点”。该工作从分子分布角度建立了“界面有机质—1O2生成—空间非均匀性”之间的内在联系，阐明了界面活性氧形成的关键控制因素。
图2. 有机质在界面的富集行为
3.构建1O2界面分布的定量方程
为实现对1O2空间分布的定量刻画，本研究构建了耦合气相-界面-液相的三相反应-扩散模型，并推导得到1O2在界面附近的浓度分布解析方程，实现了对其空间分布的定量描述。结果表明，1O2在水相中仅在约200 nm范围内迅速衰减，而在气相中可扩散至微米尺度，呈现显著的尺度依赖性。该定量方程填补了界面活性氧研究中“缺乏空间定量描述”的空白，为界面反应范围和贡献的精确评估提供了理论基础。
图3. 1O2纳米界面分布的反应-扩散定量模型
4.利用多肽分子揭示界面1O2非均相分布对反应动力学的影响
通过设计具有不同界面亲和性的多肽分子探针，研究发现界面富集的多肽分子与1O2发生空间共定位，其反应速率显著高于体相多肽分子，而在扩散受限减弱的体系中该差异消失。该结果表明，1O2驱动的反应不仅取决于分子本征反应活性，还受到其空间分布位置的强烈调控。该发现提出了“界面选择性反应”的新机制，为理解多相体系中反应选择性提供了新的视角。
图4. 界面1O2驱动的选择性反应
四、小结
本研究围绕1O2的界面行为，系统揭示了其在纳米尺度上的非均相分布特征，并首次建立了相应的反应-扩散定量方程，实现了从“界面现象观测”到“空间定量描述”的重要跨越。同时，研究揭示了活性氧空间分布与反应行为的内在联系，强调了界面微异质性对准确预测多相系统中氧化还原活性化合物的环境命运至关重要。该研究为理解界面主导的ROS转化过程提供了重要理论基础。
【作者简介】
密少平：博士二年级学生，现就读于土壤污染防治与安全全国重点实验室、浙江大学环境与资源学院、浙江大学基础交叉研究院。目前以第一作者在PNAS和ES&T letters发表2篇论文。