天然水体底质中腐植酸的光谱表征.pdf

第 1 9卷 第 6期 分 析 科 学 学 报 Vo1 1 9 No 6 J URNA L F ANAI Y I I CAL S CI ENCE 2 0 0 3年 l 2月 De c 2 003 文 章 编 号 1 0 0 6 6 1 4 4 2 0 0 3 0 6 0 4 9 9 0 4 天 然 水体 底 质 中腐 植 酸 的 光 谱 表 征 徐 栋 冯 科 吴 峰 邓 南 圣 武 汉 大 学 环 境科 学 系 武 汉 4 3 0 0 7 2 摘 要 分 别 用 紫 外一 可 见 光 谱 傅 立 叶 变换 红 外 光 谱 F TI R 三 维 荧 光 光 谱 和 荧光 等 高 线谱 对 提 取 的腐 植 酸 和 商 品 腐 植 酸 进 行 了表 征 并 将 分 析 结 果 与 Al d r i c h和 上 海 试 剂 二 厂 生 产 的 腐 植 酸进 行 了 比较 结 果 表 明 3种 底 质 腐 植 酸 之 间 以及 同 商 品 腐 植 酸 的 紫 外一 可 见 光 谱 傅 立 叶 变 换 红 外 光谱 F TI R 相 似 含 有 相 同 类 型 的 官 能 团 对 不 同 腐 植 酸 的三 维 荧光 光 谱 和 荧 光等 高 线谱 的 分析 表 明 其 在 结 构 上 存 在 一 定 的 差 异 腐 植 酸 有 较 明显 的 荧 光光 谱 特 性 可 以 尝 试使 用三 维 荧光 光谱 技 术 来揭 示 其在 结构 上 的 差异 关 键 词 腐 植 酸 天 然 水 体 底 质 荧光 光 谱 中 图分 类 号 O6 3 6 9 O6 6 1 1 O6 5 7 3 9 文 献 标 识 码 A 腐殖 质作 为一种天然 的高分子 聚合物广 泛地存在于天然水 体及 其周 围环境 中 腐植 酸 Hu mi c Ac i d 简 称 HA 是 腐 殖 质 中溶 于碱 而 不 溶 于 酸 的 部 分 在 腐 殖 质 中 占有 很 大 的 比例 1 近 年 来 国 内 外 研 究 者 对 天 然水 体 中 HA 的研究 日趋重视 1 天然水 体 中的腐植 酸与土壤 HA 存 在较大 的差异 同时 由于形 成 条 件 来 源 提 取方法不 同造成 水体 HA 之 间也 存在 一定 差异 4 HA分 子 中含有 大量 的苯环 稠苯 环 及 各种杂环 各环之 间又有桥键相 连 环及 支链上有 羧基 酚羟基 醌 基 甲氧基 磺 酸基 胺基 等各种 官能 团L 1 所 以 腐 植 酸 除具 有 酸 性 以外 还 具 有 较 强 的络 合 螯 合 及 吸 附 能 力 它 的 环 境 行 为 对 污 染 物 质 的 迁 移 转 化 降解 和 消 亡 等规 律 起 着 很 重 要 的作 用 8 因 此 选 择 合 适 的分 析 方 法 表 征 天 然 水 体 中 的 HA 对 于 了解 HA 对 污 染 物 在 环 境 中迁 移 转 化 与 生 态 效 应 的影 响具 有 重 要 意 义 过 去 对 HA 的 常 规分 析 方 法 主要 为 水 解 法 金 属 还 原 法 与 热 解 法 2 这 些 方 法 均 存 在 一 些 缺 点 主 要 是 分 析 体 系 在 极 端 条 件 下 发 生 的化 学 反 应 过 于 复 杂 产 生 的 降解 产 物 较 多 分 析 结 果 的 确 认 与 表 述 比较 困 难 相 比较而 言 光谱 法能够将 HA作 为一 个整 体来 研究 操 作简 单 对 样 品破 坏少 需 求量 也较 少 前 人研 究表 明 土壤 地 表水体 及海水 中天 然有 机物 均具有较 好 的光谱 行 为 5 本 文采用 紫外一 可见光 谱 傅立 叶变换红外 光谱 F TI R 三 维荧光光 谱和荧光 等高线谱 对武汉 地 区几种 典型水 体 中的 HA 进行 系 统 研 究 和 比 较 并 将 分 析 结 果 与 商 品 HA 进 行 了对 比 尝 试 揭 示 不 同来 源 HA 间 的差 异 1 实 验部 分 1 1仪 器 与 试 剂 F L 一 4 5 0 0荧 光 分 光 光 度 计 日本 日立 公 司 UV一 1 6 0 1紫 外一 可 见 分 光 光 度 计 F TI R 一 8 2 0 1 P C 红 外 光 谱 仪 日本 岛 津 公 司 p HS 3 C酸 度 计 上 海 雷 磁 仪 器 厂 Amb e r l i t e 1 2 0氢 型 阳 离 子 交 换 柱 自制 Al d r i c h商 品腐植酸 Al d r i c h HA 上海 试剂二厂商 品腐 植酸 S h a n g h a i HA 东湖底质 腐植酸 E a s t L a k e HA 武汉巡 司河底 质腐植 酸 Xu n s i Ri v e r HA 长江底质腐植酸 Ya n g t z e Ri v e r HA 1 2腐 植 酸 样 品 采 集 与 提 取 纯 化 东湖表层底 质样品取 自东湖郭郑湖 区八一 游泳 池附近 长江底 泥采 自武 汉市 中华路江段 巡司河底质 采 自武汉 市永 安寺段 HA 的提取 与纯化 见参考 文献I l l 1 2 经过纯化 的 HA浓 缩液 采用硅胶 干燥 得 到 收 稿 日期 2 0 0 2 0 9 0 5 通 讯 联 系人 邓南 圣 基 金 项 目 国家 自然科 学基 金 N o 2 0 1 7 7 0 1 7 499 维普资讯 第 6期 徐栋 等 天 然水 体底 质 中腐植 酸 的光 谱表 征 第 l 9卷 棕 黑色 HA 晶体 研 细 避光 4 保存备 用 1 3腐 植 酸 的 光 谱 表征 1 3 1 紫 外一 可 见 光 谱分 别 称 取 5 0 0 mg五 种 HA 加 入 0 1 mo l L 1 Na OH 溶 液 助 溶 定 容 至 1 L 棕 色 容 量 瓶 恒 温 振 荡 4 h 用 浓 盐 酸 和 氢 氧化 钠 调 节 溶 液 p H 值 分 别 为 1 3 0和 7 0 用 紫 外 一 可 见 分 光 光 度 计 观察 其 吸 光 度 变 化 1 c m 比色 皿 扫 描 范 围 为 2 0 0 5 5 0 n m 1 3 2 傅五叶变换红外光谱五种不同来源的 HA样品用 K B r 压片 在红外光谱仪 F T I R 上记录 4 0 0 4 0 0 0 c m 范 围 内的 红 外 光 谱 1 3 3 三 维 荧 光 光 谱分 别 称 取 5 0 0 mg五 种 HA 加 入 0 1 mo l L Na OH 溶 液 助 溶 定 容 至 1 L棕 色 容 量 瓶 恒 温 振 荡 1 0 mi n 用 浓 盐 酸 和氢 氧 化 钠 调 节 溶 液 p H 值 分 别 为 1 3 0和 7 0 于 荧 光 分 光 光 度计 上 记 录 五 种 不 同 来 源 HA 溶 液 的 三 维 荧 光 光 谱 扫 描 方 式 3 D S c a n 激 发 波 长 2 0 0 5 0 0 D m 间 隔 1 0 n m 狭 缝 宽 度 1 0 n m 发射 波 长 2 0 0 5 0 0 n m 间 隔 1 0 n m 狭 缝 宽 度 1 0 n m 响 应 时 间 0 0 1 n s P MT 电 压 7 0 0 V 扫描速度 I 2 0 0 0 n m mi n 1 3 4荧光等高线谱用荧光分 光光 度计 随机 软件对 HA 的三 维荧 光光 谱进 行处 理 得相 应 荧光 等高 线 谱 2 结果 与 讨 论 2 1光 谱 分 析 2 1 1 紫外一 可 见光谱不 同 HA 的紫外一 可见 光谱见图 1 从 图 中可 以看 出 HA类 物质 的紫外一 可见光 谱基 本上是一个 随波长增 加吸光度减 少的混合 光谱 且 随溶 液酸 度降低 吸光度相 应降低 在 2 1 0 n m 附 近存 在一个来 自芳香结 构的吸收 峰 除上海 试剂二厂商 品 HA外 其余 四种 HA均在 2 8 0 n m 处 出现象征 芳 香 结 构 的 台 阶 W a v e l e ng t h n m Fi g 1 UV Vi s s pe c t r a of hu m i c ac i ds f r o m d i ffe r e nt S O Ur C e s und e r pH 1 3 0 a nd 7 0 1 Al dr i c h H A 2 Shan gha i H A 3 Ea s t La ke H A 4 Xun si Ri ve r HA 5 Yan gt z e Ri v e r H A 2 1 2傅立叶变换红外光谱见图 2 可 以看 出本实验 中提取 的东 湖 长江 巡 司河 HA与 Al d r i c h和上 海试 剂二厂 的商 品 HA红外图谱相 似 均 在 3 3 0 0 3 5 0 0 c m 1 处 出现 了缔 合的一0 H伸缩振动宽 峰 在 2 9 0 0 c m 1 处 出现 了脂肪族 C H 的伸缩 峰 在 1 7 2 0 c m 1 处有羰基化 合物所显示 的一C O伸缩振动尖 峰 在 1 6 2 0 c m 1 处 出现芳烃 的 C C伸缩 氢键结合 的醌基 及羧酸根 离子 在 9 0 0 1 0 0 0 c m 1 之 间显示 了一 C C的骨架振 动和伸缩振 动 不 同底 质 HA 红外 图谱 的相似 性 说 明 三种 天然 水体 底 质 中提取 的 HA 与商品 HA 在结构上存 在一定 的相似性 这与前人 所报道 的土壤 煤炭 等类 型 HA 红外 图谱 数据分 析 结 果 一 致 m 2 1 3 三维荧光光谱 HA作 为一个多组 分的复杂体系 传统 的荧光发 射或激发光谱很难 完整 的描述该 体 系的荧光特征 并且对 于这 种多组分荧 光光谱重叠 的情况 传统 的峰值定量法也很 难解决组分之 间的干 扰 问题 三维荧 光光谱 是近 2 O年来 发展起来 的一 种新 的荧 光 分析 技术 三 维荧光 光谱 中的激发 发射 矩 阵 3 DE E M 能够获得腐植 酸荧光强 度随激发 和发射 波长同时变化 的信息 在获得 的谱图 中荧光强 度能 以 等高线 的方式表 现在一个平面上 荧光 等高线谱 可 以很直观地 提供任何激发一 发射 波长所对应 的荧 光强 5 0 0 维普资讯 第 6期 分 析 科学 学 报 第 1 9誊 度信息 容易体 现与普通 的激发光谱 发射 光谱 以及 同步芡 光 光谱 的关 系 图 3 a与图 3 b是巡 司河 底质 HA 在不同 p H 值 下的三 维 荧光光 谱 随着 溶液酸度 的升 高 巡 司河底质 HA三维荧 光强 度有所上 升 图谱 中原有 较 为平 滑 的台地形 峰 出现 了数 量 较 多 的 小 峰 这 些 小 峰 有 可 能 成 为 揭 示 不 同 来 源 HA 结 构 差 异 的 特 征 峰 从 而 为 解 释 HA 表 面 基 团在 酸 性 条 件 下 所 发 生 的 复杂解 离过程提供新 的证据 同时不 同激 发波 长 下 的荧光 发 射 光谱均 出现一定 的红 移 现象 显然 在 三维 荧 光 图谱 中含 有 比传统荧光激 发一 发射 图谱更 多的信 息 图 4 a与 图 4 b是经过软件处理 生成的不 同酸 度下巡 司河 底质 HA 的荧光等高 线谱 从该 图 中可 以清楚 的看到 巡 司 河底质 HA 荧光 光谱 的激 发 EX 波 长一 发射 E M 波 长与 荧 光强度 的对应关 系 以此 可快速 确定 HA 峰值定 量 法 中最 佳 5 0 0 E Fi g 2 I R s pe c t r a of hu m i c ac i ds f r o m d i f f e r e nt S OUrces 1 Sha ngha i HA 2 Xu ns i Ri v er H A 3 Ea s t Lake HA 4 Yangt z e Ri ve r H A 5 Al dr i c h H A 00 0 0 0 0 a p H l 3 0 b p H 7 0 Fi g 3 Thr e e d i me ns i on al flu or e s c e nc e s p e ct r a of HA f r om Xu ns i Ri ve r u nde r d i f f e r e nt pH a l ue s 3 5 0 EX n m 2 0 0 3 0 0 EM nm 5 0 0 a p H 1 3 0 35 0 2 00 3 00 EM r i m 5 0 0 b p H 7 0 F唔 4 F l u o r e s c e n c e Co n t o u r s pe c t r a o f HA f r o m Xu nsi Ri v e r u n d e r d i f f e r e nt p H v a l u e s 的激发 和 发 射 波 长 当 溶 液 酸 度 从 p H 一 1 3 0 的 碱 性 条 件 调 节 至 p H 一 7 0 的 中 性 环 境 下 时 E X 2 6 0 n m E M 3 8 1 4 n m 处 的 最 大 荧 光 峰 转 变 至 E X 2 6 0 n m E M 4 1 9 4 n m 处 显 然 环 境 酸 度 变 化对 HA 荧光强 度影 响较 大 对东 湖 长 江底 质 HA 和两种 商 品 HA 的荧 光 图谱 也观 察 到 了类 似 的情 况 不 同来 源 HA 在荧光强 度 特征激发一 发射 波长 以及不 同的三 维荧 光特征 峰峰 位置 方面 均存 在差 异 表 1比较 了这五种不 同来源 的 HA 三维 荧光 光谱 特征 峰峰 位置 的差异 因此利 用这 种 差异 来解 释 不 同 来源 的 HA 问的差异较 为可行的 结合 样品取样来 源的地理环境背景可 以进一步 揭示不 同来 源 HA 结构 上 的 差异 HA 由于来源与提 取方法不 同 结构上存在 较大的差异 紫外一 可见 光谱及 红外光 谱可 以在一定 情况 下分析 HA 的结构 但在 区别 不同来源 HA 以及解 释其细微 差别 时存在 一定 的难 度 用三 维荧 光光谱 对 5 O1 维普资讯 第 6期 徐栋 等 天然 水体底 质 中腐植 酸 的光谱 表征 第 1 9誊 Ta bl e 1 Thr e e d i me n si o nal flu or e s c e nc e p e al s of humi c ac i d s f r o m di f f e r e nt S O Ur C es 提取的腐植酸进行 表征则较 为可行 具有 图谱直 观 测 定迅 速 适 用范 围较 大的特 点 但 荧光 光谱缺 乏与 红外光谱类似 的结构与特征 峰 一对应 的关 系 这主要 是缺 乏相应 的荧光 光谱数 据积 累 的缘故 相信 随 着 三 维 荧 光 技 术 的 深 人 和 推 广 荧 光 分 析 技 术 将 在 多 组 分 复 杂 环 境 物 质 的分 析 中取 得 更 为 实 际 的 应 用 参 考 文献 1 S c h n i t e r M Kh a n S U Hu mi c S u b s t a n c e i n t h e E n v i r o n me n t M Ne w Yo r k Ma r c e l D e k k e r I n c 1 9 7 2 2 3 2 熊 田恭 一 土 壤 有机 质 的化 学 M 北 京 科 学 出 版社 1 9 8 4 7 8 3 李 克斌 陕西 化 工 J 1 9 9 8 2 7 4 1 1 4 C o l l i n s M R E n v i r o n S c i Te c h n o 1 J 1 9 8 6 2 0 1 0 1 0 2 8 5 C h i n Y P Ge o r g e A E n v i r o n S c i Te c h n o 1 J 1 9 9 4 2 8 1 1 1 8 5 3 6 陶澍 陈静 生 等 环境科 学 学 报 J 1 9 8 8 1 8 3 2 8 6 7 Ha u t a l a K Wa t e r Re s e a r c h J 2 0 0 0 3 4 1 2 4 6 8 蒋展 鹏 廖 孟钧 环 境污 染 与 防治 J 1 9 9 0 1 2 3 2 4 9 张 甲坤 陶澍 地 理学 报 J 2 0 0 1 5 6 4 4 0 9 1 O 顾志 忙 王 晓蓉 分 析化 学 J 2 0 0 0 2 8 3 3 1 4 1 1 杨克 莲 陈 甫 华 南 开大 学 学 报 自然 科学 J 1 9 9 4 4 2 6 1 2 Th u r ma n E a r l M Ma l c o l m R o n a l d L E n v i r o n S c i Te c h n o l J 1 9 8 1 1 5 4 4 6 3 1 3 刘志 宏 蔡 汝 秀 分析 科学 学 报 J 1 9 9 4 1 6 6 5 1 6 S pe c t r o s c o py Cha r ac t e r i z at i o n of Hum i c Ac i ds f r om t h Se di m e nt i n Na t u r a l a t e r st he e i m e nt s w a xu Do ng FENG Ke W U Fe ng DENG Na n s he ng De p a r t me n t o f En v i r o n me n t a l S c i e n c e Wu h a n Un i v e r s i t y Wu h an 4 3 0 0 7 2 Ab s t r a c t Thr e e h u mi c a c i d s we r e e x t r a c t e d a n d p r e p a r e d f r o m d i f f e r e n t s e d i me n t s i n n a t u