CN108303388A - 一种原位定量表征复杂有机物和金属离子络合过程的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位定量表征复杂有机物和金属离子络合过程的方法。本发明利用紫外‑可见光谱仪原位定量表征金属离子与复杂有机物(天然有机物、有机大分子(包括生物大分子))络合作用过程。具体步骤包括：制备金属离子溶液；制备有机物溶液；制备碱溶液；制备酸溶液；仪器准备及校准；扫描光谱检测；信号提取与数据分析。本发明的方法灵敏度高、操作便捷、应用广泛，几乎可以表征所有的金属离子与复杂有机物络合过程。

Description

一种原位定量表征复杂有机物和金属离子络合过程的方法

技术领域：

本发明涉及一种原位定量表征复杂有机物和金属离子络合过程的新方法，属于环境保护、水处理、环境监测、地球化学、农学领域。更具体的，涉及一种定量描述金属离子络合过程、络合特性、络合数量的方法。

背景技术：

金属离子(尤其是重金属，Me)的赋存形态、迁移转化、及毒性效应受天然有机物(NOM)、有机大分子(包括生物大分子)显著影响。天然有机物、有机大分子(生物大分子)等复杂有机物在环境、生物过程中无处不在，它们与金属离子络合，作为载体促进重金属在环境、生物过程中的迁移和生物吸收。有机物-Me络合一直是环境、地球化学、农业、生命科学等领域关注的热点。传统方法(如阳离子选择电极、伏安极谱法(ASV、CLE-AdS)、梯度扩散薄膜技术(DGT、DMT)等)通过测定水体中游离态Me浓度，计算总浓度与离子态浓度的差值间接估算络合态Me的浓度。为满足测量精度要求，有机物浓度需超过实际环境样品中浓度水平，样品需要浓缩提纯等预处理，不仅操作复杂，而且仅能用于分析有限的少量金属元素。三维荧光光谱法因为灵敏度高，光谱信号丰富，被广泛应用有机物-Me络合过程表征，但仅<1％的有机物基团有荧光信号，而且金属对荧光淬灭或强化作用不一致，所以仅能进行定性、半定量的表征。NOM-Me络合过程表征一直是一个技术难题。

紫外-可见光谱仪(分光光度计)灵敏度高、设备简单、操作便捷，被广泛应用于水质检测中，但以水体、土壤中的天然有机物为代表的复杂有机物成分复杂，各类基团均会产生不同程度的吸收光团，吸收光团相互叠加，最终紫外-可见吸收光谱没有明显的特征峰，此前仅利用UV₂₅₄、△A₂₇₂、光谱斜率S等参数表征复杂有机物中不饱和芳香类基团含量或分子量等方面的有限信息。

发明内容：

本发明利用紫外-可见光谱仪原位定量表征金属离子与复杂有机物(天然有机物、有机大分子(包括生物大分子))络合作用过程。

本发明发现，通过实验方法精确控制、数据精细处理，可以提取出金属离子与复杂有机物络合时所产生的光谱效应，在光谱效应理论认识突破的基础上，建立了一系列的光谱参数，定量描述金属离子络合过程、络合特性、络合数量。

具体而言，本发明涉及一种原位定量表征复杂有机物和金属离子络合过程的方法，所述方法包括：

1)制备金属离子溶液：根据实验要求，配制符合要求浓度的金属离子溶液(浓度在0.0000001-2mol/L范围内)；

2)制备有机物溶液：根据实验要求，配制符合要求浓度的有机物溶液；

3)制备碱溶液：根据实验要求，配制符合要求浓度的碱溶液；

4)制备酸溶液：根据实验要求，配制符合要求浓度的酸溶液；

5)仪器准备及校准；

6)扫描光谱检测；

7)信号提取与数据分析。

具体而言，其中的第1)步中的制备方法有两种：一、将市售含有特定金属离子的化学纯级以上的试剂稀释到要求的浓度条件；或者，二、将含有特定金属的固体金属片(棒)经酸、碱溶解，制备要求浓度的金属离子溶液；

第2)步中有机物溶液需要满足：有机物溶液的吸光度在240-600nm波长范围内不超过2cm^-1和/或有机物浓度应该在0.1-100mg/L(以有机碳计)，以确保吸收光谱检测值准确可信。具体制备方法有两种：一、向无色的纯水中加入一定量的天然有机物、有机化合物、生物大分子、蛋白等，制备要求浓度范围内的含有机物的溶液；或者，二、从自然水体或样本中取含有复杂有机物的天然样品。如果天然样品含有可能干扰吸收光谱测量的颗粒物等杂质，可通过过滤等预处理去除杂质；

第3)步中的碱溶液选自NaOH、KOH溶液等；

第4)步中的酸溶液选自H₂SO₄、HNO₃、HCl、HClO₄溶液等；

第5)步中的仪器需要满足以下要求：紫外-可见光谱仪(或分光光度计)一台。仪器杂散光≤0.001％T；光度计精度±0.01A；光度计重复性<0.001A；基线漂移<0.002A/h。如果具有200-600nm波长范围内连续波长扫描功能，可以进行样品连续波长扫描，获取更多信息；如果只能进行特定波长模式检测，可以进行单波长检测分析。

第6)步中具体检测步骤如下：(1)取步骤2)中的有机物溶液，进行200-600nm波长范围内扫描，记录扫描光谱(如果进行单波长模式检测，即进行单波长检测分析，记录吸光值，以下不再重述)；(2)向上述有机物溶液中加入一定量的步骤1)中的金属离子溶液，反应一定时间后(通常1-120分钟)，进行200-600nm波长范围内扫描，记录扫描光谱；也可在不同反应时间进行多次扫描，测定络合反应动力学过程。为减少误差，需精确控制实验操作条件。主要包括：(1)实验中溶液浓度、样品量误差应控制在5％范围内；(2)滴加金属离子溶液时，滴加前后应控制对有机物溶液稀释影响应不超过5％；(3)温度对光谱检测精度有明显影响，温度波动应控制在±5℃以内；(4)pH对光谱检测精度有明显影响，pH波动应控制在±0.1以内，可通过加入缓冲溶液或适量的酸、碱溶液进行调控；(5)实验要求避免形成沉淀物，影响光谱测定。

第7步中信号提取与数据分析为对光谱进行数据处理和分析，可以计算络合过程光谱效应，解析光谱特征峰、络合量定量指数。具体计算方法与公式如下：

(1)光谱效应计算。计算方法如下：

△A_λ＝A_λ,i-A_λ,ref (1)

其中A_λ,i是特定金属离子浓度下溶液在波长λ下的吸光度值；A_λ,ref是有机物溶液与金属离子络合前吸收光谱。

该方法也可用于分析反应动力学过程检测结果，计算不同反应时间的光谱效应，得到反应动力学图谱。

(2)光谱特征峰解析

通过解析光谱效应图谱，可以分析得到光谱效应图谱中蕴含丰富的物质成分和微观结构信息。首先利用公式(2)将光谱波长转化为光子能(以电子伏为单位，eV)为横坐标的光谱。

光谱效应图谱可以采用六个高斯峰进行去解析，每一个峰都可以用峰的位置(E_0，i)，峰宽(W_i)和E＝E_0，i处的峰高(A_0，i)来完整定义。差分光谱可以用以下公式(3)模拟得出：

(3)络合量定量指数

可利用特定参数定量描述金属离子与有机物的络合量。

采用波长325-420nm区间的指数。描述金属离子总络合量。采用波长240-275nm区间的指数描述与羧基络合的金属离子总量。光谱参数计算采用公式4-6。

△lnA_λ＝lnA_λ,i–lnA_λ,ref (4)

lnA_λ,i和lnA_λ,ref是金属离子络合前后在波长λ下的吸光度值的对数。是吸收光谱取对数后在波长λ₁和λ₂区间的斜率。和是络合前后在波长λ₁和λ₂区间的斜率。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)灵敏度高，天然复杂环境样品，可以直接进行表征，无需浓缩提纯等预处理；

(2)操作便捷，样品放置比色皿中可以直接利用紫外-可见光谱仪检测，操作简单快捷；

(3)应用广泛，几乎可以表征所有的金属离子与复杂有机物络合过程。

附图说明：

图1是利用紫外-可见光谱仪检测到的不同金属离子浓度(Pb²⁺)下，Pb²⁺与天然有机物(富里酸SRFA，5mg/L，以有机碳计)络合时溶液的紫外-可见光吸收光谱，光谱随波长基本呈指数下降，没有明显的特征峰，也没有明显的变化。

图2是利用公式(1)对图1中检测数据进行数据处理后的结果，可以看到处理后的数据随Pb²⁺浓度增加逐渐升高，有明显的光谱信号。

图3是在金属离子Cu²⁺的浓度在10^-5mol/L下，天然有机物(腐殖酸SRHA，5mg/L，以有机碳计)与Cu²⁺络合过程中的光谱信号变化(经公式(1)处理后的)，可以看出络合反应动力学过程。

图4是利用公式(2)和(3)对图2中在Pb离子浓度4.84*10^-6mol/L下的光谱信号进行解析的结果，可以看出光谱信号由六个高斯特征峰组成。

图5是光谱参数DS_242-262(或△S_242-262)与络合在羧基上的Pb浓度相关性分析，可以看到相关性达到99％以上。

图6是光谱参数DS_350-400(或△S_350-400)与络合在天然有机物上的Pb总浓度相关性分析，可以看到相关性达到99％以上。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明内容进行进一步详细说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1一种原位定量表征复杂有机物和金属离子络合过程的新方法，所述方法具体为：

1.制备金属离子溶液：根据具体情况，配制含不同浓度的金属离子溶液(浓度在0.0000001-2mol/L范围内)。具体方法有两种：一、将市售含有特定金属离子的化学纯级以上的试剂稀释到要求的浓度条件；或者，二、将含有特定金属的固体金属片(棒)经酸、碱溶解，制备要求浓度的金属离子溶液。

2.制备有机物溶液：根据具体情况，配制含一定浓度的有机物溶液(有机物溶液的吸光度在240-600nm波长范围内不超过2cm^-1,通常有机物浓度应该在0.1-100mg/L，以有机碳计)，以确保吸收光谱检测值准确可信。具体方法有两种：一、向无色的纯水中加入一定量的天然有机物、有机化合物、生物大分子、蛋白等，制备要求浓度范围内的含有机物的溶液；或者，二、从自然水体或样本中取含有复杂有机物的天然样品。如果天然样品含有可能干扰吸收光谱测量的颗粒物等杂质，可通过过滤等预处理去除杂质。

3.制备碱溶液：根据具体情况，配制含一定浓度的碱溶液，如NaOH、KOH溶液。

4.制备酸溶液：根据具体情况，配制含一定浓度的酸溶液，如H₂SO₄、HNO₃、HCl、HClO₄溶液等。

5.仪器要求：紫外-可见光谱仪(或分光光度计)一台。仪器杂散光≤0.001％T；光度计精度±0.01A；光度计重复性<0.001A；基线漂移<0.002A/h。如果具有200-600nm波长范围内连续波长扫描功能，可以进行样品连续波长扫描，获取更多信息；如果只能进行特定波长模式检测，可以进行单波长检测分析。

6.操作步骤：具体检测分析步骤如下：(1)取一定量的含有有机物的溶液，进行200-600nm波长范围内扫描，记录扫描光谱(如果进行单波长模式检测，即进行单波长检测分析，记录吸光值，以下不再重述)；(2)向含有有机物的溶液中加入一定量的含金属离子的溶液，反应一定时间后(通常1-120分钟)，进行200-600nm波长范围内扫描，记录扫描光谱；也可在不同反应时间进行多次扫描，测定络合反应动力学过程。为减少误差，需精确控制实验操作条件。主要包括：(1)实验中溶液浓度、样品量误差应控制在5％范围内；(2)滴加金属离子溶液时，滴加前后应控制对有机物溶液稀释影响应不超过5％；(3)温度对光谱检测精度有明显影响，温度波动应控制在±5℃以内；(4)pH对光谱检测精度有明显影响，pH波动应控制在±0.1以内，可通过加入缓冲溶液或适量的酸、碱溶液进行调控；(5)实验要求避免形成沉淀物，影响光谱测定。

7.信号提取与数据分析。通常对光谱进行数据处理和分析，可以计算络合过程光谱效应，解析光谱特征峰、络合量定量指数。具体计算方法与公式如下：

(1)光谱效应计算。对于复杂有机物溶液，吸收光谱没有明显的光谱峰，吸收强度基本随波长呈指数下降。通过计算金属离子与有机物络合后溶液的吸收光谱与有机物溶液原始谱线的差，可以提取络合过程有机物的光谱效应。计算方法如下：

△A_λ＝A_λ,i-A_λ,ref (1)

其中A_λ,i是特定金属离子浓度下溶液在波长λ下的吸光度值；A_λ,ref是有机物溶液与金属离子络合前吸收光谱。

该方法也可用于分析反应动力学过程检测结果，计算不同反应时间的光谱效应，得到反应动力学图谱。

(2)光谱特征峰解析

通过解析光谱效应图谱，可以分析得到光谱效应图谱中蕴含丰富的物质成分和微观结构信息。首先利用公式(2)将光谱波长转化为光子能(以电子伏为单位，eV)为横坐标的光谱。

光谱效应图谱可以采用六个高斯峰进行去解析，每一个峰都可以用峰的位置(E_0，i)，峰宽(W_i)和E＝E_0，i处的峰高(A_0，i)来完整定义。差分光谱可以用以下公式(3)模拟得出：

(3)络合量定量指数

可利用特定参数定量描述金属离子与有机物的络合量。

采用波长325-420nm区间的指数(如△A₄₀₀或DA400、△lnA₃₅₀或DlnA₃₅₀、△lnA₄₀₀或DlnA₄₀₀、△S_325-375或DS_325-375、△S_350-400或DS_350-400)描述金属离子总络合量。采用波长240-275nm区间的指数(如△S_242-262)描述与羧基络合的金属离子总量。光谱参数计算采用公式4-6。

△lnA_λ＝lnA_λ,i–lnA_λ,ref (4)

lnA_λ,i和lnA_λ,ref是金属离子络合前后在波长λ下的吸光度值的对数。是吸收光谱取对数后在波长λ₁和λ₂区间的斜率。和是络合前后在波长λ₁和λ₂区间的斜率。

实施例2：利用该发明方法表征金属离子Pb²⁺与天然有机物(富里酸)络合过程。将1*10^-7-1.93*10^-5mol/l的金属离子Pb²⁺投加到5mg/L的富里酸(SRFA)中，检测溶液在200-600nm的吸收光谱，结果如图1所示。利用公式(1)对图1中检测数据进行数据处理后的结果(见图2)，可以看到处理后的数据随Pb²⁺浓度增加逐渐升高，有明显的光谱信号。利用公式(2)和(3)对图2中在Pb离子浓度4.84*10^-6mol/L下的光谱信号进行解析的结果，可以看出光谱信号由六个高斯特征峰组成(见图4)。光谱参数DS_242-262(或△S_242-262)与络合在羧基上的Pb浓度相关性分析，可以看到相关性达到99％以上(见图5)。光谱参数DS_350-400(或△S_350-400)与络合在天然有机物上的Pb总浓度相关性分析，可以看到相关性达到99％以上(见图6)。

实施例3：利用该发明方法表征金属离子Cu²⁺与天然有机物(腐殖酸，SRHA)络合反应动力学过程。将1*10^-5mol/l的金属离子Cu²⁺投加到5mg/L的天然有机物中，检测溶液在200-600nm的吸收光谱，利用公式(1)对图1中检测数据进行数据处理后的结果，可以看到不同反应时间下Cu与有机物络合的光谱信号(见图3)。

Claims (4)

1.一种原位定量表征复杂有机物和金属离子络合过程的方法，所述方法利用紫外-可见光谱表征复杂有机物与金属离子络合过程。

2.如权利要求1所述的方法，所述的复杂有机物包括天然有机物、大分子有机物、生物大分子等。

3.如权利要求2所述的方法，其具体步骤包括：

1)制备金属离子溶液(浓度在0.0000001-2mol/L范围内)；

2)制备有机物溶液；

3)制备碱溶液；

4)制备酸溶液；

5)仪器准备及校准；

6)扫描光谱检测；

7)信号提取与数据分析。

4.如权利要求3所述的方法，其中，

第1)步中的制备方法有两种：一、将市售含有特定金属离子的化学纯级以上的试剂稀释到要求的浓度条件；或者，二、将含有特定金属的固体金属片(棒)经酸、碱溶解，制备要求浓度的金属离子溶液；

第2)步中有机物溶液需要满足：有机物溶液的吸光度在240-600nm波长范围内不超过2cm^-1和/或有机物浓度应该在0.1-100mg/L(以有机碳计)，以确保吸收光谱检测值准确可信。具体制备方法有两种：一、向无色的纯水中加入一定量的天然有机物、有机化合物、生物大分子、蛋白等，制备要求浓度范围内的含有机物的溶液；或者，二、从自然水体或样本中取含有复杂有机物的天然样品。如果天然样品含有可能干扰吸收光谱测量的颗粒物等杂质，可通过过滤等预处理去除杂质；

第3)步中的碱溶液选自NaOH、KOH溶液等；

第4)步中的酸溶液选自H₂SO₄、HNO₃、HCl、HClO₄溶液等；

第5)步中的仪器需要满足以下要求：紫外-可见光谱仪(或分光光度计)一台。仪器杂散光≤0.001％T；光度计精度±0.01A；光度计重复性<0.001A；基线漂移<0.002A/h。如果具有200-600nm波长范围内连续波长扫描功能，可以进行样品连续波长扫描，获取更多信息；如果只能进行特定波长模式检测，可以进行单波长检测分析。

第6)步中具体检测步骤如下：(1)取步骤2)中的有机物溶液，进行200-600nm波长范围内扫描，记录扫描光谱(如果进行单波长模式检测，即进行单波长检测分析，记录吸光值，以下不再重述)；(2)向上述有机物溶液中加入一定量的步骤1)中的金属离子溶液，反应一定时间后(通常1-120分钟)，进行200-600nm波长范围内扫描，记录扫描光谱；也可在不同反应时间进行多次扫描，测定络合反应动力学过程。为减少误差，需精确控制实验操作条件。主要包括：(1)实验中溶液浓度、样品量误差应控制在5％范围内；(2)滴加金属离子溶液时，滴加前后应控制对有机物溶液稀释影响应不超过5％；(3)温度对光谱检测精度有明显影响，温度波动应控制在±5℃以内；(4)pH对光谱检测精度有明显影响，pH波动应控制在±0.1以内，可通过加入缓冲溶液或适量的酸、碱溶液进行调控；(5)实验要求避免形成沉淀物，影响光谱测定。

第7)步中信号提取与数据分析为对光谱进行数据处理和分析，可以计算络合过程光谱效应，解析光谱特征峰、络合量定量指数。具体计算方法与公式如下：

(1)光谱效应计算。计算方法如下：

△A_λ＝A_λ,i-A_λ,ref (1)

其中A_λ,i是特定金属离子浓度下溶液在波长λ下的吸光度值；A_λ,ref是有机物溶液与金属离子络合前吸收光谱。

该方法也可用于分析反应动力学过程检测结果，计算不同反应时间的光谱效应，得到反应动力学图谱。

(2)光谱特征峰解析

通过解析光谱效应图谱，可以分析得到光谱效应图谱中蕴含丰富的物质成分和微观结构信息。首先利用公式(2)将光谱波长转化为光子能(以电子伏为单位，eV)为横坐标的光谱。

光谱效应图谱可以采用六个高斯峰进行去解析，每一个峰都可以用峰的位置(E_0，i)，峰宽(W_i)和E＝E_0，i处的峰高(A_0，i)来完整定义。差分光谱可以用以下公式(3)模拟得出：

(3)络合量定量指数

可利用特定参数定量描述金属离子与有机物的络合量。

采用波长325-420nm区间的指数。描述金属离子总络合量。采用波长240-275nm区间的指数描述与羧基络合的金属离子总量。光谱参数计算采用公式4-6。

△lnA_λ＝lnA_λ,i–lnA_λ,ref (4)

lnA_λ,i和lnA_λ,ref是金属离子络合前后在波长λ下的吸光度值的对数。是吸收光谱取对数后在波长λ₁和λ₂区间的斜率。和是络合前后在波长λ₁和λ₂区间的斜率。