大气气溶胶对全球气候变化和人类健康有重要影响。新粒子生成是大气气溶胶的重要来源,成核过程是新粒子生成的初始阶段并决定着新粒子生成的速率。以有机胺为代表的小分子含氮化合物和有机羧酸是重要的成核前体。因此,研究小分子含氮化合物和有机羧酸的成核能力具有重要意义。由于结构直接影响有机化合物的性质,且有机物结构多样,因此仅通过现有实验手段难以从分子层面全面阐释不同有机物的成核机制。量子化学计算可基于微观团簇结构,探究具有不同结构的有机物参与成核的微观机制及其团簇的性质。本论文基于密度泛函理论,研究了具有不同取代基的以氨基酸、有机胺和酰胺为代表的小分子含氮化合物以及乙酸、乙醇酸和二羟基乙酸为代表的小分子有机羧酸的成核机制及其团簇性质。主要研究内容和结果如下:(1)研究了具有羟基取代基的氨基酸与硫酸的相互作用及其团簇性质。结果表明,羟基取代基对丝氨酸和苏氨酸团簇的结构和质子转移有显著影响。相比于苏氨酸、甘氨酸和丙氨酸,丝氨酸与硫酸的相互作用较强,表明羟基取代会提高氨基酸稳定硫酸分子的能力。水合(NH2CH(CH2OH)COOH)(H2SO4)和(NH2CH(OHCHCH3)COOH)(H2SO4)团簇即使在低相对湿度下仍比相应的未水合团簇具有较多的分布,表明羟基取代会提高氨基酸团簇的亲水性。(NH2CH(OHCHCH3)COOH)(H2SO4)比(NH2CH(CH2OH)COOH)(H2SO4)的偶极矩高,表明甲基取代会提高氨基酸团簇在离子诱导成核过程中与离子的碰撞概率。(NH2CH(OHCHCH3)COOH)(H2SO4)(H2O)n(n=0-3)的瑞利散射强度高于(NH2CH(CH2OH)COOH)(H2SO4)(H2O)n(n=0-3);(NH2CH(CH2OH)COOH)(H2SO4)(H2O)n(n=0-3)的瑞利散射强度高于(NH2(CH2)2OH)(H2SO4)(H2O)n(n=0-3),表明羧基和甲基取代可以增强团簇的光散射强度。(2)对比研究了烷基胺和具有羟基取代基的乙醇胺在成核过程中的作用。结果表明,(N(CH3)3)(H2SO4)主要以非水合状态存在,而(NH2(CH2)2OH)(H2SO4)主要以水合状态存在。当单乙醇胺与三甲胺/二甲胺浓度相同时,三种有机胺主要团簇的浓度相当,表明含有羟基取代基的单乙醇胺具有很强的参与硫酸主导成核过程的能力。有机胺在不同环境下的成核作用有所差异。单乙醇胺-硫酸成核过程在湿度较高的环境中比较重要,而三甲胺则在干燥环境中对硫酸主导成核过程的促进能力更大。此外,单乙醇胺水合团簇在边界层温度较低的区域或低温天气下(如冬天)较烷基胺水合团簇更容易形成。烷基胺-硫酸团簇在参与离子诱导成核过程中与离子的碰撞概率高于醇胺-硫酸团簇,而单乙醇胺水合团簇在该类过程中与离子的碰撞概率则高于烷基胺水合团簇。(3)研究了具有氨基取代基的酰胺化合物与硫酸的相互作用及其团簇性质。结果表明,氨基取代基会影响酰胺团簇的结构以及质子转移。(CO(NH2)2)(H2SO4)团簇的分子间相互作用强于(HCONH2)(H2SO4),表明氨基可以显著提高酰胺对硫酸分子的稳定作用。水合甲酰胺团簇的比例高于尿素团簇,表明氨基取代会降低酰胺团簇的亲水性。(CO(NH2)2)(H2SO4)比(HCONH2)(H2SO4)的偶极矩高,表明氨基取代会提高酰胺团簇在离子诱导成核过程中与离子的碰撞概率。尿素团簇的瑞利散射强度高于甲酰胺团簇,表明氨基取代对酰胺团簇的光散射强度有增强作用。(4)研究了具有羟基取代基的有机羧酸在甲磺酸主导的成核过程中的作用及其团簇性质。结果表明,三种有机羧酸与甲磺酸的相互作用强弱遵循二羟基乙酸<乙醇酸<乙酸的顺序,即羟基取代会削弱有机羧酸与甲磺酸的相互作用。有机羧酸的种类和甲磺酸数目均能影响有机羧酸-甲磺酸团簇与带电粒子的碰撞概率及其离子诱导的成核过程。但是羟基取代对不同有机竣酸-甲磺酸团簇的可见光吸收能力和瑞利散射强度影响不大。