Organosulfates of isoprene, α-pinene, and β-pinene have recently been identified in both laboratory-generated and ambient secondary organic aerosol (SOA). In this study, the mechanism and ubiquity of organosulfate formation in biogenic SOA is investigated by a comprehensive series of laboratory photooxidation (i.e., OH-initiated oxidation) and nighttime oxidation (i.e., NO3-initiated oxidation under dark conditions) experiments using nine monoterpenes (α-pinene, β-pinene, d-limonene, l-limonene, α-terpinene, γ-terpinene, terpinolene, Δ3-carene, and β-phellandrene) and three monoterpenes (α-pinene, d-limonene, and l-limonene), respectively. Organosulfates were characterized using liquid chromatographic techniques coupled to electrospray ionization combined with both linear ion trap and high-resolution time-of-flight mass spectrometry. Organosulfates are formed only when monoterpenes are oxidized in the presence of acidified sulfate seed aerosol, a result consistent with prior work. Archived laboratory-generated isoprene SOA and ambient filter samples collected from the southeastern U.S. were reexamined for organosulfates. By comparing the tandem mass spectrometric and accurate mass measurements collected for both the laboratory-generated and ambient aerosol, previously uncharacterized ambient organic aerosol components are found to be organosulfates of isoprene, α-pinene, β-pinene, and limonene-like monoterpenes (e.g., myrcene), demonstrating the ubiquity of organosulfate formation in ambient SOA. Several of the organosulfates of isoprene and of the monoterpenes characterized in this study are ambient tracer compounds for the occurrence of biogenic SOA formation under acidic conditions. Furthermore, the nighttime oxidation experiments conducted under highly acidic conditions reveal a viable mechanism for the formation of previously identified nitrooxy organosulfates found in ambient nighttime aerosol samples. We estimate that the organosulfate contribution to the total organic mass fraction of ambient aerosol collected from K-puszta, Hungary, a field site with a similar organosulfate composition as that found in the present study for the southeastern U.S., can be as high as 30%.

Recent work has shown that particle-phase reactions contribute to the formation of secondary organic aerosol (SOA), with enhancements of SOA yields in the presence of acidic seed aerosol. In this study, the chemical composition of SOA from the photooxidations of α-pinene and isoprene, in the presence or absence of sulfate seed aerosol, is investigated through a series of controlled chamber experiments in two separate laboratories. By using electrospray ionization−mass spectrometry, sulfate esters in SOA produced in laboratory photooxidation experiments are identified for the first time. Sulfate esters are found to account for a larger fraction of the SOA mass when the acidity of seed aerosol is increased, a result consistent with aerosol acidity increasing SOA formation. Many of the isoprene and α-pinene sulfate esters identified in these chamber experiments are also found in ambient aerosol collected at several locations in the southeastern U.S. It is likely that this pathway is important for other biogenic terpenes, and may be important in the formation of humic-like substances (HULIS) in ambient aerosol.

An organic tracer-based method containing laboratory and field study components was used to estimate the secondary organic aerosol (SOA) contributions of biogenic and anthropogenic hydrocarbons to ambient organic carbon (OC) concentrations in PM2.5 during 2003 in Research Triangle Park, NC. In the laboratory, smog chamber experiments were conducted where isoprene, α-pinene, β-caryophyllene, and toluene were individually irradiated in the presence of NOX. In each experiment, SOA was collected and analyzed for potential tracer compounds, whose concentrations were used to calculate a mass fraction of tracer compounds for each hydrocarbon. In the field, 33 PM2.5 samples were collected and analyzed for (1) tracer compounds observed in the laboratory irradiations, (2) levoglucosan, a biomass burning tracer, and (3) total OC. For each of the four hydrocarbons, the SOA contributions to ambient OC concentrations were estimated using the tracer concentrations and the laboratory-derived mass fractions. The estimates show SOA formation from isoprene, α-pinene, β-caryophyllene, and toluene contributed significantly to the ambient OC concentrations. The relative contributions were highly seasonal with biomass burning in the winter accounting for more than 50% of the OC concentrations, while SOA contributions remained low. However, during the 6-month period between May and October, SOA from the precursor hydrocarbons contributed more than 40% of the measured OC concentration. Although the tracer-based method is subject to considerable uncertainty due to the simplification of replacing the complex set of chemical reactions responsible for SOA with a laboratory-derived single-valued mass fraction, the results suggest this approach can be used to identify major sources of SOA which can assist in the development of air quality models.

The effect of particle-phase acidity on secondary organic aerosol (SOA) formation from isoprene is investigated in a laboratory chamber study, in which the acidity of the inorganic seed aerosol was controlled systematically. The observed enhancement in SOA mass concentration is closely correlated to increasing aerosol acidity (R2 = 0.979). Direct chemical evidence for acid-catalyzed particle-phase reactions was obtained from the SOA chemical analyses. Aerosol mass concentrations for the 2-methyltetrols, as well as the newly identified sulfate esters, both of which serve as tracers for isoprene SOA in ambient aerosols, increased significantly with enhanced aerosol acidity. Aerosol acidities, as measured in nmol of H+ m-3, employed in the present study are in the same range as those observed in tropospheric aerosol collected from the eastern U.S.

Recent observations in ambient PM2.5 of 2-methylthreitol, 2-methylerythritol and 2-methylglyceric acid, proposed isoprene oxidation products, suggest the contribution of isoprene to SOA formation, long thought to be relatively unimportant, should be reexamined. To address this issue, an isoprene/NOX/air mixture was irradiated in a flow reactor smog chamber in both the absence and presence of SO2 to measure the SOA yield of isoprene and to establish whether the two 2-methyl tetrols and 2-methylglyceric acid are present in isoprene SOA and could serve as SOA indicator compounds. In the absence of SO2, the SOA yield of 0.002 was low, as expected, although uncertain because the SOA concentration was near chamber background levels. However, in the presence of SO2, the SOA yield increased significantly to 0.028. Analysis of the trimethylsilyl derivatives of the SOA samples by gas chromatography/mass spectrometry showed chamber concentrations of the two 2-methyl tetrols totaling 0.1 μg m−3 and a 2-methylglyceric acid concentration of 0.4 μg m−3 in the absence of SO2, with the levels increasing significantly to 6.3 μg m−3 and 1.2 μg m−3, respectively, when SO2 was added. The laboratory data suggest that these compounds are possible indicator compounds for isoprene SOA and that the presence of SO2 enhances significantly SOA formation from isoprene photooxidation, with acid-catalyzed reactions possibly playing a major role. The importance of these findings was supported by the detection of the two 2-methyl tetrols and 2-methylglyceric acid in summertime ambient PM2.5 samples collected at three locations in the eastern United States. However, additional mechanistic studies are required to predict the contributions of the SO2-assisted isoprene SOA formation to ambient PM2.5 concentrations.

Highly oxygenated compounds assigned to be oxidation products of α ‐pinene have recently been observed in substantial concentrations in ambient aerosols. Here, we confirm the unknown α ‐pinene tracer compound with molecular weight (MW) 204 as the C 8 ‐tricarboxylic acid 3‐methyl‐1,2,3‐butanetricarboxylic acid. Its gas and liquid chromatographic behaviors and its mass spectral characteristics in electron ionization and negative ion electrospray ionization perfectly agree with those of a synthesized reference compound. The formation of this compound is explained by further reaction of cis ‐pinonic acid involving participation of the OH radical. This study illustrates that complex, multi‐generation chemistry holds for the photooxidation of α ‐pinene in the presence of NO x .

Significance Atmospheric fine organic aerosol impacts air quality, climate, and human health. Speciating and quantifying the sources of organic aerosol on the molecular level improves understanding of their formation chemistry and hence the resulting impacts. Such study, however, has not been possible due to the chemical complexity of atmospheric organic aerosol. Here, we provide comprehensive molecular characterization of atmospheric organic aerosol samples from the southeastern United States by combining state-of-the-art high-resolution mass spectrometry techniques. We find that monoterpene secondary organic aerosol accounts for approximately half of total fine organic aerosol. More importantly, the monoterpene secondary organic aerosol mass increases with enhanced nitrogen oxide processing, indicating anthropogenic influence on biogenic secondary organic aerosol formation.

Detailed organic analysis of fine (PM2.5) rural aerosol collected during summer at K-puszta, Hungary from a mixed deciduous/coniferous forest site shows the presence of polar oxygenated compounds that are also formed in laboratory irradiated alpha-pinene/NOx/air mixtures. In the present work, two major photooxidation products of alpha-pinene were characterized as the hydroxydicarboxylic acids, 3-hydroxyglutaric acid, and 2-hydroxy-4-isopropyladipic acid, based on chemical, chromatographic, and mass spectral data. Different types of volatile derivatives, including trimethylsilyl ester/ether, methyl ester trimethylsilyl ether, and ethyl ester trimethylsilyl ether derivatives were measured by gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS), and their electron ionization (El) spectra were interpreted in detail. The proposed structures of the hydroxydicarboxylic acids were confirmed or supported with reference compounds. 2-Hydroxy-4-isopropyladipic acid formally corresponds to a further reaction product of pinic acid involving addition of a molecule of water and opening of the dimethylcyclobutane ring; this proposal is supported by a laboratory irradiation experiment with alpha-pinene/NOJ0 air. In addition, we report the presence of a structurally related minor alpha-pinene photooxidation product, which was tentatively identified as the C7 homolog of 3-hydroxyglutaric acid, 3-hydroxy-4,4-dimethylglutaric acid. The detection of 2-hydroxy-4-isopropyladipic acid in ambient aerosol provides an explanation for the relatively low atmospheric concentrations of pinic acid found during daytime in forest environments.

Isoprene significantly contributes to organic aerosol in the southeastern United States where biogenic hydrocarbons mix with anthropogenic emissions. In this work, the Community Multiscale Air Quality model is updated to predict isoprene aerosol from epoxides produced under both high- and low-NOx conditions. The new aqueous aerosol pathways allow for explicit predictions of two key isoprene-derived species, 2-methyltetrols and 2-methylglyceric acid, that are more consistent with observations than estimates based on semivolatile partitioning. The new mechanism represents a significant source of organic carbon in the lower 2 km of the atmosphere and captures the abundance of 2-methyltetrols relative to organosulfates during the simulation period. For the parametrization considered here, a 25% reduction in SOx emissions effectively reduces isoprene aerosol, while a similar reduction in NOx leads to small increases in isoprene aerosol.