CN115541345B - 一种海水溶解有机碳组分分析方法 - Google Patents

一种海水溶解有机碳组分分析方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115541345B
CN115541345B CN202211313488.4A CN202211313488A CN115541345B CN 115541345 B CN115541345 B CN 115541345B CN 202211313488 A CN202211313488 A CN 202211313488A CN 115541345 B CN115541345 B CN 115541345B
Authority
CN
China
Prior art keywords
column
ppl
sample
component
organic carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211313488.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115541345A (zh
Inventor
王金鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment
Original Assignee
South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment filed Critical South China Institute of Environmental Science of Ministry of Ecology and Environment
Priority to CN202211313488.4A priority Critical patent/CN115541345B/zh
Publication of CN115541345A publication Critical patent/CN115541345A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115541345B publication Critical patent/CN115541345B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/34—Purifying; Cleaning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种海水溶解有机碳组分分析方法，包括以下步骤：水样过滤、活化PPL固相萃取小柱、润洗PPL固相萃取小柱、海水溶解有机碳富集、样品脱盐、除水、洗脱，在洗脱步骤采用如下方法：先用1柱体积的100wt％甲醇溶剂洗脱PPL小柱，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；再用一柱体积100wt％二氯甲烷溶剂洗脱PPL小柱，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱，并且采用了质谱和荧光等组分表征的分析方法，获得了更多的DOC化学的结构和分子组成的信息，发现了PPL‑DOC中存在的一种强荧光的组分，这在以往的研究中被忽略了，但这部分是重要的陆源输入指示物质，为海洋溶解有机碳的研究提供了技术支撑。

Description

一种海水溶解有机碳组分分析方法
技术领域：
本发明涉及海洋化学分析技术领域，具体涉及一种海水溶解有机碳组分分析方法。
背景技术：
溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon)，简称DOC，在海洋化学中一般是指能通过孔径为0.45微米滤膜、并在分析过程中未蒸发失去的有机碳。目前由于90％以上的DOC在海水中的浓度很低(～0.5-1mg/L)，并且海水中无机盐的含量很高(～35g/L)，使得DOC的化学分析成为一个较大的挑战。例如，质谱分析要求分子化合物达到一定浓度，且分子化合物溶解于特定的进样溶剂，去除无机盐离子的干扰。因此，对海洋DOC前处理是实现DOC化学分析的关键。
为了开发一种操作简便且高效的分离富集方法，Dittmar T等利用5中不同类型的商业固相萃取小柱对河口陆架不同盐度下海水样品进行了富集效率实验(Dittmar T,BKoch,NHertkorn,et al.2008.A simple and efficient method for the solid-phaseextraction of dissolved organic matter(SPE-DOM)from seawater.Limnology andOceanography-Methods[J],6:230-235)，发现苯乙烯-二乙烯基苯聚合物(PPL)作为填料的固相萃取小柱对陆源和海源DOC的富集效率最高。通过1HNMR,C/N和δ13C分析显示，PPL富集的DOC比其他类型的固相萃取柱含有更多DOC代表性组分。基于这，LiY等又优化了PPL柱分离富集海水DOC的操作流程(LiY,M Harir,M Lucio,et al.2016.Proposed Guidelinesfor SolidPhase Extraction ofSuwannee River DissolvedOrganic Matter.AnalyticalChemistry[J],88:6680-6688)，参见图1，包括水样过滤、活化PPL固相萃取小柱、润洗PPL固相萃取小柱、DOM富集、脱盐、干燥除水、样品洗脱。
在这基础上，Chen M利用了河流、海洋、藻类和植物叶片沥出液等不同来源的DOC对PPL柱的富集效果进行细致的研究，并且对比了原始DOC和PPL富集后的DOC分子组成特征，发现PPL柱对不同来源的DOC组分选择性富集，并且有一部分脂类化合物、芳香族化合物和含氮类化合物等大分子化合物选择性“丢失”(Chen M,S Kim,J E Park,etal.2016.Structural and compositional changes of dissolved organic matter uponsolid-phase extraction trackedby multiple analytical tools.AnalyticalandBioanalytical Chemistry[J],408:6249-6258)。为了提高PPL柱富集DOC的洗脱效率，Lv J T先后采用不同比例的甲醇水混合溶剂(20％甲醇,50％甲醇,100％甲醇)分步洗脱PPL柱，得到3种不同的洗脱组分，利用傅立叶离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)分析之后，发现分步洗脱得到的化合物分子式种类和数量远远超过传统一步洗脱得到的，得到了更多稠环芳烃、脂质、氧化炭黑、碳水化合物和单宁类化合物，并且含有CHO和CHON的化合物组成比例显著增加(Lv J T,S Z Zhang,L Luo,et al.2016.Solid-phase extraction-stepwiseelution(SPE-SE)procedure for isolation of dissolved organic matterprior toESI-FT-ICR-MS analysis.Analytica ChimicaActa[J],948:55-61)。由于DOC中分子化合物组成的复杂性，可能有一部分弱极性和非极性的化合物难以被甲醇极性溶剂洗脱，中国石油大学史权教授课题组采用不同溶剂组合(50％甲醇水，100％甲醇，50％甲醇和二氯甲烷混合溶剂)分步洗脱和传统一步洗脱进行对比，利用PPL柱富集腐殖质协会标准品(Suwannee River natural organic matter,SRNOM)作为实验样品，发现不同溶剂分步洗脱提高了PPL-DOC的回收率，并且在弱极性组分中得到了更多的脂质组分(Gao Y,W Wang,CHe,et al.2019.Fractionation and molecular characterization ofnatural organicmatter(NOM)by solid-phase extraction followed by FT-ICR MS and ion mobilityMS.Analytical and Bioanalytical Chemistry[J],411:6343-6352)。因此，亟需对DOC分离富集的前处理技术和PPL-DOC的表征方法进行了优化。
发明内容：
本发明的目的是提供一种海水溶解有机碳组分分析方法，在Li Y等优化PPL柱分离富集海水DOC的操作流程的基础上，在其样品洗脱步骤通过选择不同的溶剂，提高了DOC的洗脱效率，并且采用了质谱和荧光等组分表征的分析方法，获得了更多的DOC化学的结构和分子组成的信息，发现了PPL-DOC中存在的一种强荧光的组分，这在以往的研究中被忽略了，但是这部分组分是一种重要的陆源输入指示物质，为海洋溶解有机碳的研究提供了技术支撑。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种海水溶解有机碳(DOC)组分分析方法，包括以下步骤：水样过滤、活化PPL固相萃取小柱、润洗PPL固相萃取小柱、海水溶解有机碳富集、样品脱盐、除水、洗脱，其特征在于，在洗脱步骤采用如下方法：先用1柱体积的100wt％甲醇溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；再用一柱体积100wt％二氯甲烷溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；样品洗脱步骤后对甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)、荧光分析表征。
对甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分进行超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)、荧光表征，具体包括以下步骤：取一定量的甲醇洗脱组分分别用于荧光测定和FT-ICR-MS分析；取一定量的二氯甲烷洗脱组分用于荧光测定和超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)分析。
荧光测定时，使用Aqualog(Horiba,Japan)光谱仪可以同时测定紫外-可见吸收光谱和荧光光谱，采用1cm石英比色皿，以Milli-Q水作为参比，测定紫外-可见吸收光谱时，扫描波长范围200-800nm，扫描间隔1nm；进行三维荧光光谱(EEMs)的测定时，激发波230-460nm，发射波247-800nm，激发和发射的扫描步长分别为1nm和4.6nm，扫描累积时间为1s。
FT-ICR-MS分析时，样品浓度调整为50-100mg/L，吸入进样针后，以180μL/min的进样速度注射入经过电喷雾离子源负离子模式离子化，检测的离子m/z范围为150-800，时域信号4M。
本发明的有益效果如下：本发明采用先用1柱体积的100％甲醇溶剂洗脱PPL小柱，直到无液滴下落后，再用一柱体积100％二氯甲烷溶剂洗脱PPL小柱，优化了DOC的前处理方法，提高了PPL-DOC的回收率效率；并且利用了超高分辨率质谱(FT-ICR-MS)和三维荧光光谱技术联合表征不同洗脱组分中的DOC，优化了DOC的表征技术，形成分析技术的优势互补，发现了二氯甲烷洗脱组分中一部分易丢失的PPL-DOC的组分，主要是极性较弱的芳香族化合物和饱和脂肪族化合物。更重要的是，二氯甲烷洗脱组分中这部分化合物具有强荧光的特性，是陆源有机质的重要组成成分，能够有效的指示陆源物质进入海洋后的输运和迁移转化过程。为海洋碳中和战略提供了一定的技术支撑，并且第一次将优化后分析技术应用于河口海岸带DOC来源、组成和迁移转化的研究。
附图说明：
图1是现有技术PPL柱分离富集海水DOC的操作流程示意图；
图2是实施例2中利用平行因子分析法解析珠江口原始海水样品中荧光有机碳不同荧光组分的来源；其中，comb1为C1，comb2为C2，comb3为C3，comb4为C4，comb5为C5；；
图3是实施例2中甲醇洗脱组分、二氯甲烷洗脱组分中荧光组分随着盐度的变化规律；
其中a)为珠江口-A1、A3、A5、A7、A9、A10六个站位沿着盐度梯度不同洗脱组分DOC含量变化，b)为珠江口-A1、A3、A5、A7、A9、A10六个站位沿着盐度梯度不同荧光组分荧光强度变化，c)为珠江口-A1、A3、A5、A7、A9、A10六个站位沿着盐度梯度不同荧光组分荧光强度变化；
图4是实施例2中甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分中DOC平均回收率以及Fmax荧光贡献率；
图5是珠江口A1站位的质谱图；其中a)为水样的甲醇洗脱组分，b)为水样的二氯甲烷洗脱组分；
图6是实施例2中珠江口-A1、A3、A5、A7、A9、A10六个站位水样的甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分中化合物的组成特征VK图；其中，a)为甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分汇总所有的特有分子式，总共有16448个，分别以全部分子式、CHO、CHOS、CHON和CHONS呈现；b)为甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分中的共有分子式，总共有4021个，分别以全部分子式、CHO、CHOS、CHON和CHONS呈现；c)为仅在甲醇洗脱组分中出现而二氯甲烷洗脱组分中没有出现的分子式，总共有6806个，分别以全部分子式、CHO、CHOS、CHON和CHONS呈现；d)为仅在二氯甲烷洗脱组分中出现而甲醇洗脱组分中没有出现的分子式，总共有5621个，分别以全部分子式、CHO、CHOS、CHON和CHONS呈现。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：样品洗脱步骤不同的溶剂对比试验
水样过滤、活化PPL固相萃取小柱、润洗PPL固相萃取小柱、海水溶解有机碳富集、样品脱盐、除水、洗脱，其中，水样过滤步骤如下：采用0.7μm GFF滤膜过滤采集的水样，收集过滤后的水样，加HCl调节至pH为2；活化PPL固相萃取小柱包括以下步骤：先用2柱体积甲醇溶剂活化PPL小柱，液滴自然重力滴落后，再用2柱体积pH＝2的超纯水溶液冲洗PPL柱。海水溶解有机碳富集包括以下步骤：待柱子中液体全部流出后，向小柱中加满pH＝2的水，用大体积采样管将PPL柱与海水样品(0.7μm GFF膜过滤且调节pH＝2)连接在一起，对海水溶解有机碳(DOC)进行富集，海水流速控制在10mL/min左右。样品脱盐、除水步骤如下：富集完成后，用2柱体积的pH＝2的超纯水溶液进行脱盐。用空气或者N2吹干PPL柱，直到没有液体滴落且柱子颜色由深色变为浅色为止。
洗脱步骤采用如下方法：先用1柱体积的100％甲醇溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；再用一柱体积100％二氯甲烷溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱。
为了优化，洗脱步骤设置了空白试验和对比试验，空白试验没加样品，对比试验洗脱步骤如下：先用1柱体积的100％甲醇溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；再用一柱体积100％丙酮溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱。
在珠江口下游(近珠江泳场)、华南植物园湖水、万顷沙三个地点采集了水样(每个地点采集3个平行样)，在珠江口六个站位采集了水样，这六个站位按盐度从小到大依次为珠江口-A1、珠江口-A3、珠江口-A5、珠江口-A7、珠江口-A9、珠江口-A10，水样按采样地点标记。
不同洗脱组分洗脱后的回收率，结果见表1：
表1不同洗脱组分的DOC回收率
Figure BDA0003908030710000071
表中“n.d.”表示未检测。
表1结果显示，珠江口下游河水样品、华南植物园湖水样品和万顷沙水样的二氯甲烷洗脱组分的回收率分别为2.36％±0.16％，2.48％±0.19％，2.32％±0.21％，丙酮洗脱组分的回收率分别为1.94％±0.13％，3.26％±0.24％，2.07％±0.19％。
由此可见，珠江下游和万顷沙水样的二氯甲烷的洗脱组分回收率高于丙酮洗脱组分，而华南植物园湖水样品中丙酮洗脱组分的回收率要高，这是因为华南植物园是一个封闭的湖水，含有更多的浮游植物和落叶等自然来源有机质，而珠江和万顷沙水样来源组成更为复杂，与珠江口DOC组成和来源更为相近，因此，本申请海水，接近珠江口的水样，采用甲醇、二氯甲烷两步洗脱，先用1柱体积的100％甲醇溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；再用一柱体积100％二氯甲烷溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱较好。
实施例2：珠江口海水溶解有机碳组分分析方法
参考实施例1，采用优化后溶剂进行洗脱，步骤如下：
在珠江口六个站位采集了水样，这六个站位按盐度从小到大依次为珠江口-A1、珠江口-A3、珠江口-A5、珠江口-A7、珠江口-A9、珠江口-A10，水样过滤、活化PPL固相萃取小柱、润洗PPL固相萃取小柱、海水溶解有机碳富集、样品脱盐、除水、洗脱，其中，水样过滤步骤如下：采用0.7μm GFF滤膜过滤采集的水样，收集过滤后的水样，加HCl调节至pH为2；活化PPL固相萃取小柱包括以下步骤：先用2柱体积甲醇溶剂活化PPL小柱，液滴自然重力滴落后，再用2柱体积pH＝2的超纯水溶液冲洗PPL柱。海水溶解有机碳富集包括以下步骤：待柱子中液体全部流出后，向小柱中加满pH＝2的水，用大体积采样管将PPL柱与海水样品(0.7μm GFF膜过滤且调节pH＝2)连接在一起，对海水溶解有机碳(DOC)进行富集，海水流速控制在10mL/min左右。样品脱盐、除水步骤如下：富集完成后，用2柱体积的pH＝2的超纯水溶液进行脱盐。用空气或者N2吹干PPL柱，直到没有液体滴落且柱子颜色由深色变为浅色为止。
洗脱步骤采用如下方法：先用1柱体积的100％甲醇溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；再用一柱体积100％二氯甲烷溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱。
样品洗脱步骤后对甲醇洗脱组分、二氯甲烷洗脱组分或丙酮洗脱组分进行海水溶解有机碳(DOC)含量分析、超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)、荧光分析表征。
具体包括以下步骤：取0.2mL的甲醇洗脱组分用轻柔的氮气吹干，用Milli-Q水定容到10mL，用于海水溶解有机碳(DOC)含量和荧光测定；同时取0.2mL的甲醇洗脱组分，用Milli-Q水稀释为甲醇水溶液体积为比1:1，用于FT-ICR-MS分析；取2ml的二氯甲烷洗脱组分或丙酮洗脱组分用轻柔的氮气吹干，用Milli-Q水定容到10mL，用于海水溶解有机碳(DOC)含量和荧光测定；同时取2ml二氯甲烷洗脱组分用轻柔的氮气吹干，用甲醇水溶液体积为比1:1定容，用于超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)分析。
其中，珠江口-A1、A3、A5、A7、A9、A10六个站位的海水溶解有机碳(DOC)含量采用总有机碳分析仪器进行测定，结果见表2或图3中a)。
表2珠江口站位的DOC含量
站位 DOC-原始海水(mg/L) DOC-甲醇组分(mg/L) DOC-二氯甲烷组分(mg/L)
A1 2.5 0.89 0.06
A3 1.7 0.75 0.03
A5 1.8 0.74 0.02
A7 1.8 0.63 0.02
A9 2.0 0.74 0.02
A10 1.8 0.60 0.02
荧光分析法：使用Aqualog(Horiba,Japan)光谱仪可以同时测定紫外-可见吸收光谱和荧光光谱，配有1cm石英比色皿，以Milli-Q水作为参比。测定紫外-可见吸收光谱时，扫描波长范围200-800nm，扫描间隔1nm。对样品测定的紫外吸收系数(α：absorptiocoeeficient)，进行空白校正和基线校正。空白校正，是每10个样品用Milli-Q水作为参比，用来测定当前仪器状态下Milli-Q水的吸光度值，去除Milli-Q水对测定结果的影响，保证仪器分析准确性和稳定性。基线校正，是指样品测定过程中，往往伴随着基线漂移的现象，需要对已扣除空白的样品再进行基线校正，也就是扣除每个样品683-678nm波段的平均吸光度值来去除仪器的基线偏移。
进行三维荧光光谱(EEMs)的测定时，激发波230-460nm，发射波247-800nm，激发和发射的扫描步长分别为1nm和4.6nm，扫描累积时间为1s。Aqualog光谱仪可以扣除Milli-Q水的空白，校正内率效应，扣除瑞利散射和罗曼散射。用Milli-Q水在激发波长为350nm的Roman峰积分面积作为荧光强度的参考标准(拉曼单位R.U.)。
将三维荧光光谱(EEMs)与平行因子分析技术相结合是分析荧光组分(FDOM)组成的主要手段(Tang et al.,2020,Murphy et al.,2013b)。PARAFAC是基于三线性分解理论，采用交替最小二乘法使得数据的残差平方和最小的算法，是解析三维荧光光谱的常见方法。它通过模型来确定不同组分的峰位置，使分析过程变得简捷，提高了分析的灵敏度，得到的解具有唯一性，成功实现了化学结构相似的荧光组分的区分。
三维荧光光谱结合平行因子分析，将荧光DOC(FDOM)划分成了5种组分，与OpenFluor数据库进行匹配(https://openfluor.lablicate.com/)(Murphy et al.,2014)，将5种组分的来源进行了辨识，最终鉴定出了珠江口原始海水样品中荧光有机碳(FDOM)主要由C1、C2、C3、C4和C5组分组成，参见图2，其中C1和C3组分为陆源类腐殖质，C2、C4和C5组分为类蛋白，其中C2为陆源类蛋白，C4和C5为海洋类蛋白。
研究FDOM常用的指数，荧光指数(FI)是激发波长为370nm下发射波长为470nm和520nm处荧光强度比值，用于区分溶解有机质的来源，当其在1.4左右时表示陆源，例如土壤来源；当其在1.9左右时，表示自生源，由微生物活动产生的来源。腐质化程度指数(HIX)，是指激发波长254nm处发射波长435～480nm的荧光峰值比上300～345nm的荧光峰值的比值，HIX的值越大，腐质化程度越强，它与芳香性有正相关关系，与碳水化合物的含量反相关。自生源贡献指数(BIX)，是激发波长310nm处发射波长380nm和430nm的荧光强度比，当BIX大于1时，表示生物或者细菌所引起的自生源；当BIX在0.6左右时，表示陆源或者人类源。
利用最大荧光强度(Fmax)来计算各组分的荧光强度。结果参见表3。换算成相对百分含量，结果参见表4，归一到单位有机碳浓度后，各组分的单位有机碳浓度的荧光强度，参见表5和图3中c)。
表3珠江口海水样品中荧光有机碳各组分的荧光强度
Figure BDA0003908030710000111
Figure BDA0003908030710000121
表4珠江口海水样品中荧光有机碳各组分的相对百分含量
Figure BDA0003908030710000122
Figure BDA0003908030710000131
表5珠江口海水样品中荧光有机碳各组分归一到单位有机碳浓度后荧光强度
Figure BDA0003908030710000132
Figure BDA0003908030710000141
结果显示，珠江口原始海水样品中荧光有机碳(FDOM)主要由C1、C2、C3、C4和C5组分组成，归一到单位有机碳浓度后，各组分的单位有机碳浓度的荧光强度范围分别为(参见表5和图3中c))：C1组分为0.2～1.0(均值0.5)R.U./mg OC L-1，C2组分为0.2～1.9(均值0.8)R.U./mg OC L-1，C3组分为0.1～0.3(均值0.1)R.U./mg OC L-1，C4组分为0.6～1.1(均值0.8)R.U./mg OC L-1，C5组分结果很低，总荧光强度(C1+C2+C3+C4+C5)范围为1.3～3.8(均值2.3)R.U./mg OC L-1；甲醇洗脱组分中FDOM各组分荧光Fmax归一到单位有机碳浓度后，各组分的单位有机碳浓度的荧光强度范围分别为：C1组分为0.7～2.6(均值1.6)R.U./mg OC L-1，C2组分为1.～3.8(均值2.)R.U./mg OC L-1，C3组分为0.3～0.9(均值0.6)R.U./mg OC L-1，C4组分为0～0.1(均值0.04)R.U./mg OC L-1，C5组分结果很低，总荧光强度(C1+C2+C3+C4+C5)范围为2.1～7.3(均值4.)R.U./mg OC L-1；DCM洗脱组分中FDOM各组分荧光Fmax归一到单位有机碳浓度后，各组分的单位有机碳浓度的荧光强度范围分别为：C1组分为3.7～9.5(均值5.8)R.U./mg OC L-1，C2组分为4.5～9.7(均值6.2)R.U./mg OC L-1，C3组分为1.5～4.3(均值2.5)R.U./mg OC L-1，C4组分荧光强度较低，C5组分为0～0.1(均值0.)R.U./mg OC L-1，总荧光强度(C1+C2+C3+C4+C5)范围为9.7～23.(均值14.5)R.U./mg OC L-1。
可见，随着盐度增大，二氯甲烷洗脱组分中不同种类的陆源荧光物质迅速被稀释，相对甲醇洗脱组分，能够更有效反映陆源类腐殖质和陆源类蛋白质的在海水中的输运、迁移转化规律。
荧光分析结果显示，相对于甲醇洗脱组分，二氯甲烷洗脱组分中DOC荧光较强。虽然二氯甲烷洗脱组分中DOC的平均回收率为1.38％，但是基于Fmax的荧光强度贡献率平均值为11.9％；而甲醇洗脱组分中DOC的平均回收率为37.6％，荧光强度贡献率为37.6％，参见图4。因此可见，在二氯甲烷组分中这部分DOC组分是FDOM的重要组成部分，不能被忽略，进一步证明二氯甲烷洗脱组中含有强荧光性的芳香族化合物。
FT-ICR-MS分析：将溶解于甲醇水溶液的DOC样品浓度调整为50-100mg/L，吸入进样针后，以180μL/min的进样速度注射入solariX XR FT-ICR MS(Bruker Daltonik GmbH,Bremen,Germany)，该设备配置一个磁场强度为9.4Tesla的超导仪，DOC分子经过电喷雾离子源(Bruker Daltonik GmbH,Bremen,Germany)负离子模式离子化(Jiang et al.,2014)(Shi et al.,2012)。检测的离子m/z范围为150-800，时域信号4M，每个样品经过128次扫描采集以增强信噪比和动态范围。用精氨酸团簇在负离子模式下对质谱进行线性校正。使用DataAnalysis
5.0(Bruker-Daltonics)软件中的二次校准功能，利用典型O2类化合物峰对最终谱图进行内部校准。质谱的质量分辨能力为m/z 319分辨率大于450000，质量偏差小于0.3ppm。扣除场空白和操作空白后，将质谱原始信号中所有信噪比(S/N>6)的质谱峰都挑选出来并进行分子式分配，解析的原则为：DOC分子式中最多不超过30个12C,60个1H,20个16O,3个14N,1个32S,1个13C,1个18O和1个34S。含有同位素(例如,13C,18O和34S)的分子式没有进行讨论。此外，被解析的分子式都遵循以下三个原则：1)H的数目至少是C数目的三分之一，且数目不可以超过2C+N+2；2)N和H原子总数必须是偶数(N准则)；3)N或者O原子的数目不超过C原子的总数目。假如化合物分子式为CcHhOoNnSs,DBE(不饱和双键数)为1+c-o-s-1/2(n+h)，Almod(芳香性指数)为(1+c-1/2o-s-1/2(n+h))/(c-1/2o-n-s)。
基于DOC分析得到的元素组成(C,H,O,N,S)、分子式组成(CHO,CHON,CHOS,CHONS)、H/C、O/C、DBE和Al，将DOC划分为分子式组成不同的化合物种类：稠环芳烃化合物(Al>0.67)，其中C>15的稠环芳烃类化合物为黑碳,多环芳烃化合物(0.67≥Al≥0.5),高度不饱和化合物(Al<0.5,H/C<1.5),不饱和脂肪族化合物(2.0≥H/C>1.5,N＝0),多肽类化合物(2.0≥H/C>1.5,N>0)(Seidel et al.,2015)。富羧基脂环分子是根据DBE:C＝0.3–0.68,DBE:H＝0.2–0.95,和DBE:O＝0.77–1.75来划分的。
由于仅从各样品的原始质谱图来看，较难找出各样品之间的差异，故每个水样洗脱组分中只展示一个典型站位(A1)的谱图，以珠江口A1站位为例，采用超高分辨率质谱分析甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分的PPL-DOC的质谱组成特征。其中甲醇洗脱组分FT-ICR-MS分析，见图5中a)，二氯甲烷洗脱组分FT-ICR-MS分析，见图5中b)，由图5可知，甲醇洗脱组分化合物的质谱响应强度远高于二氯甲烷洗脱组分的，这是由于二氯甲烷洗脱组分中含有更多极性弱、疏水性和结构复杂的大分子化合物，较难电离，使得离子响应强度较低。甲醇洗脱组分质谱图呈正态分布的规律，主要是因为该组分中含有一些羧酸类化合物，可能丰度高且离子化效率高，使得质谱峰呈现正态分布；而二氯甲烷洗脱组分中质谱图中的质谱峰存在两个相对略高的区间，表明不同洗脱组分中化合物的组成显著不同。
为了更直观的展示DOC不同洗脱组分中化合物的组成特征，利用VK图来展示不同化合物的H/C、O/C和m/z的分布特征。为了更好的对比甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分之间化合物分子组成的差异，将珠江中6个站位(A1、A3、A5、A7、A9、A10)中不同洗脱组分中化合物汇总得到16448个特有的分子式，将不同洗脱组分中共有的化合物汇总得到4021个分子式，甲醇洗脱组分特有的化合物汇总得到6806个分子式，二氯甲烷洗脱组分特有的化合物汇总得到5621个分子式，再根据元素组成特征，再分别将各组汇总后的化合物分为CHO、CHOS、CHON、CHONS四类。结果参见图6，从结果来看，O/C<0.5化合物中含有大量m/z较高的分子式，主要来自于甲醇和二氯甲烷洗脱组分特有的化合物，且主要为CHOS和CHON类化合物；不同洗脱组分共有化合物的分子式在VK图中分布较为分散，其中CHOS类化合物的数量较少；甲醇洗脱组分特有化合物的分子式中，O/C<0.5的化合物数量相对于O/C>0.5的化合物较少，特别是CHO和CHON类化合物，H/C>1且O/C<0.5的分子式数量极少，m/z较高的化合物一部分主要在CHOS化合物中1.0<H/C<1.5和0.2<O/C<0.4区间内，另外一部分主要在CHON化合物中0.4<H/C<1.0和0<O/C<0.2区间内；二氯甲烷组分特有化合物的分子式中，O/C<0.5的化合物数量远远高于O/C>0.5的化合物，m/z较高的化合物主要在CHOS和CHO类化合物中1.2<H/C<1.6和0.15<O/C<0.3区间内。以上结果显示，相对于甲醇洗脱组分，二氯甲烷洗脱组分中O/C值较低，即含O化合物较少，含有大量H/C>1.6的化合物，以及H/C<0.8的化合物，表明含有大量脂肪族化合物(脂肪烃、脂肪醇等)、类脂质类和芳香族等弱极性化合物；二氯甲烷洗脱组分中CHOS化合物含量较少，表明含有较少的极性化合物组成；二氯甲烷洗脱组分中H/C<0.8且O/C<0.4的CHON类化合物数量较多，具有芳香族化合物的特征。以上结果表明，二氯甲烷洗脱组分得到了更多的弱极性化合物。
终上所述，本发明不仅提高了PPL-DOC的回收率效率，确定了甲醇溶剂和二氯甲烷溶剂的洗脱组分方案；而还发现了二氯甲烷洗脱组分中发现了一部分丢失的PPL-DOC的组分，主要是极性较弱的芳香族化合物和饱和脂肪族化合物。更重要的是，二氯甲烷洗脱组分中这部分化合物具有强荧光的特性，是陆源有机质的重要组成成分，能够有效的指示陆源物质进入海洋后的输运和迁移转化过程。为海洋碳中和战略提供了一定的技术支撑。

Claims (2)

1.一种海水溶解有机碳组分分析方法，包括以下步骤：水样过滤、活化PPL固相萃取小柱、润洗PPL固相萃取小柱、海水溶解有机碳富集、样品脱盐、除水、洗脱，其中，水样过滤步骤如下：采用0.7 μm GFF滤膜过滤采集的水样，收集过滤后的水样，加HCl调节至pH为2；活化PPL固相萃取小柱包括以下步骤：先用2柱体积甲醇溶剂活化PPL小柱，液滴自然重力滴落后，再用2柱体积pH = 2的超纯水溶液冲洗PPL柱；海水溶解有机碳富集包括以下步骤：待柱子中液体全部流出后，向小柱中加满pH = 2的水，用大体积采样管将PPL柱与海水样品连接在一起，对海水溶解有机碳进行富集；样品脱盐、除水步骤如下：富集完成后，用2柱体积的pH =2的超纯水溶液进行脱盐，用空气或者N2吹干PPL柱，直到没有液体滴落且柱子颜色由深色变为浅色为止；其特征在于，在洗脱步骤采用如下方法：先用1柱体积的100wt%甲醇溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；再用一柱体积100wt%二氯甲烷溶剂洗脱PPL小柱，让液滴自然重力滴落，收集到离心管中，直到无液滴下落后，用真空抽干PPL柱；洗脱步骤后对甲醇洗脱组分和二氯甲烷洗脱组分进行超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱、荧光分析表征，具体包括以下步骤：取一定量的甲醇洗脱组分分别用于荧光测定和超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱分析；取一定量的二氯甲烷洗脱组分用于荧光测定和超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱分析；荧光测定时，使用Aqualog光谱仪可以同时测定紫外-可见吸收光谱和荧光光谱，采用1cm石英比色皿，以Milli-Q水作为参比，测定紫外-可见吸收光谱时，扫描波长范围200-800nm，扫描间隔1nm；进行三维荧光光谱的测定时，激发波230-460nm，发射波247-800nm，激发和发射的扫描步长分别为1nm和4.6nm，扫描累积时间为1s；超高分辨率傅立叶变换离子回旋共振质谱分析时，样品浓度调整为 50-100 mg/L，吸入进样针后，以180 μL/min的进样速度注射入经过电喷雾离子源负离子模式离子化，检测的离子m/z范围为150-800，时域信号4M。
2.根据权利要求1所述海水溶解有机碳组分分析方法，其特征在于，当海水为珠江口原始海水样品时，三维荧光光谱结合平行因子分析，鉴定出了珠江口原始海水样品中荧光有机碳组分主要由C1、C2、C3、C4和C5组分组成；其中C1和C3组分为陆源类腐殖质，C2为陆源类蛋白，C4和C5为海洋类蛋白。
CN202211313488.4A 2022-10-25 2022-10-25 一种海水溶解有机碳组分分析方法 Active CN115541345B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211313488.4A CN115541345B (zh) 2022-10-25 2022-10-25 一种海水溶解有机碳组分分析方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211313488.4A CN115541345B (zh) 2022-10-25 2022-10-25 一种海水溶解有机碳组分分析方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115541345A CN115541345A (zh) 2022-12-30
CN115541345B true CN115541345B (zh) 2023-06-09

Family

ID=84719010

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211313488.4A Active CN115541345B (zh) 2022-10-25 2022-10-25 一种海水溶解有机碳组分分析方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115541345B (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103163254B (zh) * 2013-02-04 2014-11-26 国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所 一种富集分离海水中痕量持久性有机污染物的方法
CN104483427A (zh) * 2014-12-08 2015-04-01 华东理工大学 一种分离富集并同时检测饮用水源水中12种抗生素的方法
CN106066272A (zh) * 2016-05-24 2016-11-02 中国科学院生态环境研究中心 一种以esi‑ft‑icr‑ms分析天然可溶性有机质样品的前处理方法
JP6985730B2 (ja) * 2017-11-17 2021-12-22 株式会社日立ハイテクサイエンス 試料分析システム、表示方法及び試料分析方法
CN109682897B (zh) * 2019-01-17 2022-09-23 南京大学 一种同时测定环境水样中多种内分泌干扰物的方法
CN112881353B (zh) * 2021-01-11 2022-11-15 江西师范大学 一种测定水体中溶解性有机碳浓度的方法和装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN115541345A (zh) 2022-12-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Linking the molecular composition of autochthonous dissolved organic matter to source identification for freshwater lake ecosystems by combination of optical spectroscopy and FT-ICR-MS analysis
Tremblay et al. Molecular characterization of dissolved organic matter in a North Brazilian mangrove porewater and mangrove-fringed estuaries by ultrahigh resolution Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance mass spectrometry and excitation/emission spectroscopy
Chen et al. Effects of dissolved organic matter (DOM) sources and nature of solid extraction sorbent on recoverable DOM composition: Implication into potential lability of different compound groups
Pan et al. Characterization of natural organic matter in drinking water: Sample preparation and analytical approaches
Nebbioso et al. Molecular characterization of dissolved organic matter (DOM): a critical review
Matilainen et al. An overview of the methods used in the characterisation of natural organic matter (NOM) in relation to drinking water treatment
Sillanpää et al. Characterization of NOM
Leenheer et al. Characterization and origin of polar dissolved organic matter from the Great Salt Lake
Esteves et al. Comparative characterization of humic substances from the open ocean, estuarine water and fresh water
Leenheer et al. DISSOLVED ORGANIC NITROGEN FRACTIONATION.
CN108760672B (zh) 三聚氰胺的检测方法
CN111983122B (zh) 利用气相色谱串联三重四级杆质谱检测环境介质中123种多环芳烃的方法
Helms et al. Spectroscopic characterization of oceanic dissolved organic matter isolated by reverse osmosis coupled with electrodialysis
CN106066272A (zh) 一种以esi‑ft‑icr‑ms分析天然可溶性有机质样品的前处理方法
Peuravuori et al. Multimethod characterization of lake aquatic humic matter isolated with sorbing solid and tangential membrane filtration
CN113376305A (zh) 一种水体中咔唑及多卤咔唑的固相膜萃取气相色谱质谱检测方法
Li et al. Separation and characterization of marine dissolved organic matter (DOM) by combination of Fe (OH) 3 co-precipitation and solid phase extraction followed by ESI FT-ICR MS
CN110501413B (zh) 基于ft-icr ms的溶解性有机物分子式的确定方法
CN115541345B (zh) 一种海水溶解有机碳组分分析方法
Lingbo et al. Comprehensive characterization of oil refinery effluent-derived humic substances using various spectroscopic approaches
Stabenau et al. Correlation of the absorption coefficient with a reduction in mean mass for dissolved organic matter in southwest Florida river plumes
Álvarez-Salgado et al. Dissolved organic matter
CN111175400A (zh) 基于低污染水体化学和生物分析的有机物富集浓缩方法
CN113252815B (zh) 一种污泥堆肥中三氯生和三氯卡班的检测方法
Zhang et al. Chemical and spectroscopic characterization of dissolved humic substances in a mangrove-fringed estuary in the eastern coast of Hainan Island, China

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant