基于紫外-可見光譜與分子熒光光譜的天然溶解有機質(zhì)象談

基于紫外-可見光譜與分子熒光光譜的天然溶解有機質(zhì)象談

自然溶解有機質(zhì)（dap）是指通過0.45m孔的有機物質(zhì)。它可以通過0.45u是真溶液，而1.10nm是膠體溶液。它存在于所有水環(huán)境中。這是一種性質(zhì)不規(guī)則、結(jié)構(gòu)復雜、相對分子量大的有機化合物組合體，它是從土壤和水環(huán)境中提取的動植物殘留物。本文運用紫外-可見吸收光譜與分子熒光光譜法相結(jié)合對DOM進行研究,擬選擇云貴高原水庫之一的百花湖為研究對象,運用紫外可見波長吸收和熒光的激發(fā)/發(fā)射熒光光譜,試圖研究和描述百花湖沉積物孔隙水中溶解有機質(zhì)的光譜特征,以進一步了解DOM的地球化學行為.1實驗部分1.1水樣的采集和預處理底質(zhì)樣品于2008年3月采集于貴陽近郊的百花湖(BH),該湖為貴州省主要的人工水庫之一,是貴陽市主要的飲用水源地.我們結(jié)合面積大小、形狀特征、水體流向,共采集了10個點(見圖1).樣品采用柱狀采樣器進行采集,沉積柱心長30cm,將10cm間隔對沉積柱心進行分樣(編號1～3),在野外采集后,迅速裝入棕色帶塞磨口瓶中帶回實驗室,室內(nèi)使用離心機對樣品進行分離,取上層水,水樣采集后馬上用事先燒過(450℃,恒溫5h)的玻璃纖維濾膜(WatermanGF/F)進行過濾,為供試樣品,儲存在+4℃的冰箱內(nèi)供分析備用.1.2儀器和儀器CaryEclipse熒光分光光度計(美國,瓦里安公司);Cary100紫外-可見分光光度計(美國,瓦里安公司),pHS23C酸度計(上海雷磁儀器廠);EHSY抽濾瓶,SHE-III型循環(huán)水真空泵;KQ-500DE型醫(yī)用超聲波清洗機(昆山超聲儀器有限公司);Simplicity185personal超純水器(美國Milli-pore公司).1.3光譜綜合征1.3.1紫外-可見分光光度法紫外-可見吸收光譜是最早應(yīng)用于表征腐殖質(zhì)光譜特性的分析方法之一,由于DOM中含有各種親水性有機酸、氨基酸、碳水化合物以及腐殖酸和富里酸等,通常其吸光度值隨著波長減小而增大,且沒有特征峰值.樣品用紫外-可見分光光度計觀察其吸光度變化,1cm比色皿,掃描范圍為200～550nm;E3/E4(a300/a400);254nm(a254)和280nm(a280)等特征波長被研究,以反映腐殖質(zhì)的腐殖化程度、芳香性以及DOC的分布特征等有關(guān)的參數(shù).1.3.2熒光特性分析熒光光譜特征是表征天然水體中的DOM以及評估其來源的重要參數(shù).三維熒光光譜可以檢測到DOM中不同類型的熒光峰,如類富里酸、腐殖酸的熒光等.熒光光譜技術(shù)研究腐殖質(zhì)是基于其結(jié)構(gòu)中含有大量帶有各種官能團的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)以及未飽和脂肪鏈,并且由于熒光光譜技術(shù)具有靈敏度高(10-9數(shù)量級),選擇性好,且不破壞樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,因此,非常適合用來研究腐殖質(zhì)的化學和物理性質(zhì).腐殖質(zhì)內(nèi)含有幾種不同的熒光基團,其熒光特性包含了與結(jié)構(gòu)、官能團、構(gòu)型、非均質(zhì)性、分子內(nèi)與分子間的動力學特征等有關(guān)的信息,能夠獲得激發(fā)波長和發(fā)射波長同時變化時的熒光強度信息,為準確描述腐殖質(zhì)這一自然界最為復雜的天然有機物提供有用的結(jié)構(gòu)和官能團特征,以揭示其在環(huán)境中的各種地球化學行為.本文主要是針對百花湖中的天然溶解有機質(zhì)中的腐殖酸富里酸熒光進行研究,所以主要對傳統(tǒng)的熒光發(fā)射光譜、熒光指數(shù)、三維熒光光譜進行分析實驗.熒光光譜測定在CaryEclipse型熒光光譜分析儀上完成.基本操作參數(shù)如下:150W氙弧燈;PMT電壓:700V;信噪比>110;激發(fā)和發(fā)射光帶通都為5nm;響應(yīng)時間:自動;掃描速度:1200nm·min-1;掃描光譜進行儀器自動校正;對于傳統(tǒng)的熒光發(fā)射光譜:Ex=340nm,Em=360～600nm;對于熒光指數(shù)f450/f500(fluorescenceindex):Ex=370nm時,熒光發(fā)射光譜在450nm與500nm處的強度比值;三維熒光光譜:激發(fā)光波長為220～400nm,發(fā)射光波長為250～550nm.樣品在裝入1cm石英熒光樣品池測定前保持溫度恒定[恒溫水浴(20±1)℃].空白為超純水.實驗過程中使用超純水的拉曼光譜強度監(jiān)控熒光儀的穩(wěn)定性,沒有發(fā)現(xiàn)明顯的儀器誤差.2結(jié)果與討論2.1孔隙水成巖物質(zhì)組成特征根據(jù)監(jiān)測其是纖維束的厚度,對于我們離子束分布特征在于點污染而非面污染紫外-可見吸收光譜是最早應(yīng)用于表征腐殖質(zhì)光譜特性的分析方法之一,由于DOM中含有各種親水性有機酸、氨基酸、碳水化合物以及腐殖酸和富里酸等,通常其吸光度值隨著波長減小而增大,且沒有特征峰值.Chin研究認為E3/E4(a300/a400)是衡量腐殖質(zhì)的腐殖化程度、芳香性以及相對分子質(zhì)量等有關(guān)的參數(shù),且認為隨著E3/E4的減小,腐殖質(zhì)的腐殖化程度、芳香性及相對分子質(zhì)量相對增大.百花湖隙水DOM的E3/E4值范圍在2～5之間,絕大多數(shù)在2～3之間(圖2),由此我們可以判斷,孔隙水DOM腐殖化程度比較高、芳香性較大,而相對分子質(zhì)量分布應(yīng)該以大的腐殖酸為主,小的富里酸含量相對較少.從圖2我們也可以明顯的看出不同深度沉積物孔隙水DOM的E3/E4值最大的是上層,明顯大于中下層,說明上層的腐殖質(zhì)的腐殖化程度較小,中下層的腐殖質(zhì)的腐殖化程度較大,也就是說百花湖近期受到不同程度的污染.從上層E3/E4值的整體分布來看,因為從1號采樣點到10號采樣點我們是按水流從上而下排列的,我們從圖2可以發(fā)現(xiàn)位于水流上游2、3號點以及中游的5號點的E3/E4值最大,結(jié)合我們的采樣地形圖(圖1),我們可以很明顯的推斷出,百花湖近期受到的污染屬于點污染而非面污染.傅平青等用實驗證明了DOM中的主要組分如腐殖酸、富里酸以及一些芳香性氨基酸等所帶的苯基、苯羧基、苯羥基等基團在254nm(a254)和280nm(a280)波長具有強的吸收,其吸光度值分布特征與DOC的分布特征類似.依據(jù)這一發(fā)現(xiàn),我們也對百花湖不同采樣點沉積物孔隙水DOM在254nrn和280nm處吸光度值的分布特征進行了研究(圖3),我們可以推斷出DOC濃度從大到小的采樣序號依次是8>6>1>7>5>10>9>4>3>2,進一步證明百花湖主要受到點污染而非面污染,同時我們也發(fā)現(xiàn)位置比較接近的8號點和9號點落差非常大,這可能和百花湖的地形有關(guān),8號點附近幾乎沒有工業(yè)企業(yè)但長期有密集的居民區(qū),這可能是8號點DOC濃度較大的原因,而9號點附近幾乎沒有工業(yè)企業(yè)和密集的居民區(qū),也是貴陽市水源的提取站.2.2結(jié)構(gòu)大量研究表明利用熒光指數(shù)(fluoresceindex,f450/f500)來研究和表征DOM中腐殖質(zhì)的來源,f450/f500定義為激發(fā)波長Ex=370nm時,熒光發(fā)射光譜在450nm與500nm處的強度比值.MeKnight等提出,陸源DOM和生物來源DOM兩個端源f450/f500值分別為1.4和1.9,并且pH對f450/f500值的測定影響不大.百花湖沉積物孔隙水DOM的f450/f500值更接近于1.5,說明其DOM中的腐殖質(zhì)主要來源于陸源輸入,處于兩個端源中間,同時也表明百花湖主要受到工業(yè)污水污染.百花湖沉積物孔隙水DOM的f450/f500值的變化趨勢見圖4.從圖4可以看出,百花湖沉積物孔隙水DOM的熒光指數(shù)處于1.43～1.76之間,從整體上看其中沉積物8、10號樣品沉積物孔隙水中DOM的f450/f500平均值較大,分別為1.69、1.65;較潔凈的1、2、3號點的f450/f500平均值與8號點接近,分別為1.58、1.56、1.51、1.59.總體而言,百花湖沉積物孔隙水DOM的f450/f500值更接近于1.5,說明其DOM中的腐殖質(zhì)主要來源于陸源輸入,處于兩個端源中間,同時也表明百花湖主要受到工業(yè)污水污染.因此,熒光指數(shù)為f450/f500也可以作為判斷有機質(zhì)來源的簡便而靈敏的指標.百花湖沉積物孔隙水DOM的3D-EEM均出現(xiàn)4個明顯的熒光峰(圖5),結(jié)合前人的研究結(jié)果,對天然環(huán)境中各種溶解有機質(zhì)的Ex/Em熒光峰位置進行了總結(jié),我們認為峰A和C為類紫外區(qū)和可見光腐殖酸熒光,峰B和D為類富里酸熒光.我們對所研究的10個樣品的3個不同深度段分別進行了分析,結(jié)果得出了峰B、D、A、C的變化趨勢圖(圖6).我們應(yīng)用紫外-可見光譜對樣品進行了分析,結(jié)果在368nm附近處均有吸收峰(圖7),結(jié)果與傅平青等的結(jié)論相吻合,進一步證實了百花湖沉積物孔隙水DOM中腐殖酸與富里酸的存在.結(jié)合圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn),不同熒光峰之間的強度順序依次是B>D>C>A,說明沉積物孔隙水中DOM組分中腐殖酸、富里酸等熒光物質(zhì)占比例較大,大體上隨著沉積深度的增加,熒光峰強度呈上升趨勢,這可能是隨著深度的增加,在生物和非生物作用下顆粒態(tài)有機質(zhì)部分礦化作用的結(jié)果,吳豐昌等還認為與金屬氧化物的作用有關(guān).從圖6我們還可以發(fā)現(xiàn)第5號樣品的峰B、D、A最底層的熒光強度反而很低,也就是說底層腐殖酸、富里酸濃度比上層的還要小,也可以推斷該地點在開發(fā)以前受到的污染比較少,隨著人類活動的加強,其受到了不同程度的影響.熒光峰A和熒光峰D的熒光強度以IA和ID表示,定義W為r(A/C)=IA/IC.由于r(A/C)被認為是一個有機質(zhì)結(jié)構(gòu)成熟的指標,并且與分子大小有關(guān),我們也對r(A/C)值進行了研究,結(jié)果表明,百花湖的r(A/C)值在0.57～0.71之間,隨著沉積物深度而下降(圖5),r(A/C)值的變化說明在DOM中,至少含有兩種類型的熒光基團.傅平青等認為如果只含一種類型的富里酸熒光基團,r(A/C)應(yīng)該為一定值,而且通過實驗得到FlukaHA濃度為50mg/L時,r(A/C)值在0.61～1.71之間,還有Coble的研究結(jié)果認為,空隙水的r(A/C)平均值為0.77,我們的結(jié)果與其都比較接近.腐殖質(zhì)中不同熒光基團含量的變化可改變IA/IC.大量研究表明r(A/C)值受有機質(zhì)分子的大小、溶液的pH值等因素的影響.我們對r(D/B)值也進行了統(tǒng)計,結(jié)果在0.66～0.92之間,與r(A/C)比較接近(圖8),且大體上隨著沉積深度的增加,熒光峰強度呈上升趨勢,在沉積物中可能與r(A/C)有類似的指標作用,至少含有兩種類型的富里酸熒光基團.3點污染與非面污染本文運用紫外-可見吸收光譜和分子熒光光譜法對百花湖沉積物間隙水中的DOM進行研究.從分子熒光光譜研究角度來看百花湖沉積物孔隙水DOM的熒光指數(shù)處于1.43～1.76之間,從總體而言,百花湖沉積物孔隙水DOM的f450/f500值更接近于1.5,說明其DOM中的腐殖質(zhì)主要來源于陸源輸入.我們通過紫外-可見吸收光譜研究發(fā)現(xiàn)位于水流上游2、3號點以及中游的5號點的E3/E4值最大,結(jié)合我們的采樣地形圖(圖1),我們可以很明顯的推斷出,百花湖近期受到的污染屬于點污染而非面污染.對不同采樣點沉積物孔隙水DOM在254nrn和280nm處吸光度值的分布特征進行了研究,推斷出DOC濃度從大到小的采樣點序號依次是8>6>1>7>5>10>9>4>3>2,進一步證明百花湖主要受到點污染而非面污染,但2、3號點的DOC濃度較小,這說明在過去很長一段時間里和現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展的時期里污染源的地點有所不同,發(fā)生了轉(zhuǎn)移,也就是說以前百花湖的主要污染源是在人口密集生活的8號地點而現(xiàn)在是在工業(yè)較發(fā)達2、3號點以及中游的5號點,同時也說明百花湖近期受到的污染屬于點污染而非面污染.運用分子熒光光譜法對百花湖沉積物間隙水中的DOM進行研究得到沉積物間隙水中的DOM樣品中均含有4個熒光峰,其中A和C為類紫外區(qū)和可見光腐殖酸熒光,峰B和D為類富里酸熒光,隨著沉積深度的增加,熒光峰強度呈上升趨勢.百花湖沉積物間隙水中的DOM中富