Quantum Chemical Studies on Tropospheric Nucleation Mechanisms Involving Sulfuric Acid

Nucleation is the first step of the process by which gas molecules in the atmosphere condense to form liquid or solid particles. Despite the importance of atmospheric new-particle formation for both climate and health-related issues, little information exists on its precise molecular-level mechanisms. In this thesis, potential nucleation mechanisms involving sulfuric acid together with either water and ammonia or reactive biogenic molecules are studied using quantum chemical methods. Quantum chemistry calculations are based on the numerical solution of Schrödinger's equation for a system of atoms and electrons subject to various sets of approximations, the precise details of which give rise to a large number of model chemistries. A comparison of several different model chemistries indicates that the computational method must be chosen with care if accurate results for sulfuric acid - water - ammonia clusters are desired. Specifically, binding energies are incorrectly predicted by some popular density functionals, and vibrational anharmonicity must be accounted for if quantitatively reliable formation free energies are desired. The calculations reported in this thesis show that a combination of different high-level energy corrections and advanced thermochemical analysis can quantitatively replicate experimental results concerning the hydration of sulfuric acid. The role of ammonia in sulfuric acid - water nucleation was revealed by a series of calculations on molecular clusters of increasing size with respect to all three co-ordinates; sulfuric acid, water and ammonia. As indicated by experimental measurements, ammonia significantly assists the growth of clusters in the sulfuric acid - co-ordinate. The calculations presented in this thesis predict that in atmospheric conditions, this effect becomes important as the number of acid molecules increases from two to three. On the other hand, small molecular clusters are unlikely to contain more than one ammonia molecule per sulfuric acid. This implies that the average NH3:H2SO4 mole ratio of small molecular clusters in atmospheric conditions is likely to be between 1:3 and 1:1. Calculations on charged clusters confirm the experimental result that the HSO4- ion is much more strongly hydrated than neutral sulfuric acid. Preliminary calculations on HSO4- NH3 clusters indicate that ammonia is likely to play at most a minor role in ion-induced nucleation in the sulfuric acid - water system. Calculations of thermodynamic and kinetic parameters for the reaction of stabilized Criegee Intermediates with sulfuric acid demonstrate that quantum chemistry is a powerful tool for investigating chemically complicated nucleation mechanisms. The calculations indicate that if the biogenic Criegee Intermediates have sufficiently long lifetimes in atmospheric conditions, the studied reaction may be an important source of nucleation precursors.

Bentsodiatsepiinien ja amfetamiinijohdannaisten seulonta virtsasta mikropilarisähkösumutusmassaspektrometrian avulla

Väärinkäytettyjen aineiden seulontaan käytetyn menetelmän tulee olla herkkä, selektiivinen, yksinkertainen, nopea ja toistettava. Työn tavoitteena oli kehittää yksinkertainen, mutta herkkä, esikäsittelymenetelmä bentsodiatsepiinien ja amfetamiinijohdannaisten kvalitatiiviseen seulomiseen virtsasta mikropilarisähkösumutussirun (μPESI) avulla, mikä tarjoaisi vaihtoehdon seulonnassa käytetyille immunologisille menetelmille, joiden herkkyys ja selektiivisyys ovat puutteellisia. Tavoitteena oli samalla tarkastella mikropilarisähkösumutussirun toimivuutta biologisten näytteiden analyysissa. Esikäsittely optimoitiin erikseen bentsodiatsepiineille ja amfetamiinijohdannaisille. Käytettyjä esikäsittelymenetelmiä olivat neste-nesteuutto, kiinteäfaasiuutto Oasis HLB-patruunalla ja ZipTip®-pipetinkärjellä sekä laimennus ja suodatus ilman uuttoa. Mittausten perusteella keskityttiin optimoimaan ZipTip®-uuttoa. Optimoinnissa tutkittavia yhdisteitä spiikattiin 0-virtsaan niiden ennaltamääritetyn raja-arvon verran, bentsodiatsepiineja 200 ng/ml ja amfetamiinijohdannaisia 300 ng/ml. Bentsodiatsepiinien kohdalla optimoitiin kutakin uuton vaihetta ja optimoinnin tuloksena näytteen pH säädettiin arvoon 5, faasi kunnostettiin asetonitriililla, tasapainotettiin ja pestiin veden (pH 5) ja asetonitriilin (10 % v/v) seoksella ja eluoitiin asetonitriilin, muurahaishapon ja veden (95:1:4 v/v/v) seoksella. Amfetamiinijohdannaisten uutossa optimoitiin näytteen ja liuottimien pH-arvoja ja tuloksena näytteen pH säädettiin arvoon 10, faasi kunnostettiin veden ja ammoniumvetykarbonaatin(pH 10, 1:1 v/v) seoksella, tasapainotettiin ja pestiin asetonitriilin ja veden (1:5 v/v) seoksella ja eluoitiin metanolilla. Optimoituja uuttoja testattiin Yhtyneet Medix Laboratorioista toimitetuilla autenttisilla virtsanäytteillä ja saatuja tuloksia verrattiin kvantitatiivisen GC/MS-analyysin tuloksiin. Bentsodiatsepiininäytteet hydrolysoitiin ennen uuttoa herkkyyden parantamiseksi. Autenttiset näytteet analysoitiin Q-TOF-laitteella Viikissä. Lisäksi hydrolysoidut bentsodiatsepiininäytteet mitattiin Yhtyneet Medix Laboratorioiden TOF-laitteella. Kehitetty menetelmä vaatii tulosten perusteella lisää optimointia toimiakseen. Ongelmana oli etenkin toistoissa ilmennyt tulosten hajonta. Manuaalista näytteensyöttöä tulisi kehittää toistettavammaksi. Autenttisten bentsodiatsepiininäytteiden analyysissa ongelmana olivat virheelliset negatiiviset tulokset ja amfetamiinijohdannaisten analyysissa virheelliset positiiviset tulokset. Virheellisiä negatiivisia tuloksia selittää menetelmän herkkyyden puute ja virheellisiä positiivisia tuloksia mittalaitteen, sirujen tai liuottimien likaantuminen.