基于紫外-可見(jiàn)光譜與分子熒光光譜的天然溶解有機(jī)質(zhì)象談

基于紫外-可見(jiàn)光譜與分子熒光光譜的天然溶解有機(jī)質(zhì)象談

自然溶解有機(jī)質(zhì)（dap）是指通過(guò)0.45m孔的有機(jī)物質(zhì)。它可以通過(guò)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(fù)雜、相對(duì)分子量大的有機(jī)化合物組合體，它是從土壤和水環(huán)境中提取的動(dòng)植物殘留物。本文運(yùn)用紫外-可見(jiàn)吸收光譜與分子熒光光譜法相結(jié)合對(duì)DOM進(jìn)行研究,擬選擇云貴高原水庫(kù)之一的百花湖為研究對(duì)象,運(yùn)用紫外可見(jiàn)波長(zhǎng)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(jī)質(zhì)的光譜特征,以進(jìn)一步了解DOM的地球化學(xué)行為.1實(shí)驗(yàn)部分1.1水樣的采集和預(yù)處理底質(zhì)樣品于2008年3月采集于貴陽(yáng)近郊的百花湖(BH),該湖為貴州省主要的人工水庫(kù)之一,是貴陽(yáng)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(gè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1).樣品采用柱狀采樣器進(jìn)行采集,沉積柱心長(zhǎng)30cm,將10cm間隔對(duì)沉積柱心進(jìn)行分樣(編號(hào)1～3),在野外采集后,迅速裝入棕色帶塞磨口瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室,室內(nèi)使用離心機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行分離,取上層水,水樣采集后馬上用事先燒過(guò)(450℃,恒溫5h)的玻璃纖維濾膜(WatermanGF/F)進(jìn)行過(guò)濾,為供試樣品,儲(chǔ)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(jì)(美國(guó),瓦里安公司);Cary100紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(美國(guó),瓦里安公司),pHS23C酸度計(jì)(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(jī)(昆山超聲儀器有限公司);Simplicity185personal超純水器(美國(guó)Milli-pore公司).1.3光譜綜合征1.3.1紫外-可見(jiàn)分光光度法紫外-可見(jiàn)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(jī)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(zhǎng)減小而增大,且沒(méi)有特征峰值.樣品用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)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(zhǎng)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(píng)估其來(lái)源的重要參數(shù).三維熒光光譜可以檢測(cè)到DOM中不同類(lèi)型的熒光峰,如類(lèi)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(tuán)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(jí)),選擇性好,且不破壞樣品結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),因此,非常適合用來(lái)研究腐殖質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì).腐殖質(zhì)內(nèi)含有幾種不同的熒光基團(tuán),其熒光特性包含了與結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、構(gòu)型、非均質(zhì)性、分子內(nèi)與分子間的動(dòng)力學(xué)特征等有關(guān)的信息,能夠獲得激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)同時(shí)變化時(shí)的熒光強(qiáng)度信息,為準(zhǔn)確描述腐殖質(zhì)這一自然界最為復(fù)雜的天然有機(jī)物提供有用的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)特征,以揭示其在環(huán)境中的各種地球化學(xué)行為.本文主要是針對(duì)百花湖中的天然溶解有機(jī)質(zhì)中的腐殖酸富里酸熒光進(jìn)行研究,所以主要對(duì)傳統(tǒng)的熒光發(fā)射光譜、熒光指數(shù)、三維熒光光譜進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn).熒光光譜測(cè)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(shí)間:自動(dòng);掃描速度:1200nm·min-1;掃描光譜進(jìn)行儀器自動(dòng)校正;對(duì)于傳統(tǒng)的熒光發(fā)射光譜:Ex=340nm,Em=360～600nm;對(duì)于熒光指數(shù)f450/f500(fluorescenceindex):Ex=370nm時(shí),熒光發(fā)射光譜在450nm與500nm處的強(qiáng)度比值;三維熒光光譜:激發(fā)光波長(zhǎng)為220～400nm,發(fā)射光波長(zhǎng)為250～550nm.樣品在裝入1cm石英熒光樣品池測(cè)定前保持溫度恒定[恒溫水浴(20±1)℃].空白為超純水.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用超純水的拉曼光譜強(qiáng)度監(jiān)控?zé)晒鈨x的穩(wěn)定性,沒(méi)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(cè)其是纖維束的厚度,對(duì)于我們離子束分布特征在于點(diǎn)污染而非面污染紫外-可見(jiàn)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(jī)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(zhǎng)減小而增大,且沒(méi)有特征峰值.Chin研究認(rèn)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(duì)分子質(zhì)量等有關(guān)的參數(shù),且認(rèn)為隨著E3/E4的減小,腐殖質(zhì)的腐殖化程度、芳香性及相對(duì)分子質(zhì)量相對(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)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(shuō)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(lái)看,因?yàn)閺?號(hào)采樣點(diǎn)到10號(hào)采樣點(diǎn)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(hào)點(diǎn)以及中游的5號(hào)點(diǎn)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(diǎn)污染而非面污染.傅平青等用實(shí)驗(yàn)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(tuán)在254nm(a254)和280nm(a280)波長(zhǎng)具有強(qiáng)的吸收,其吸光度值分布特征與DOC的分布特征類(lèi)似.依據(jù)這一發(fā)現(xiàn),我們也對(duì)百花湖不同采樣點(diǎn)沉積物孔隙水DOM在254nrn和280nm處吸光度值的分布特征進(jìn)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(hào)依次是8>6>1>7>5>10>9>4>3>2,進(jìn)一步證明百花湖主要受到點(diǎn)污染而非面污染,同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)位置比較接近的8號(hào)點(diǎn)和9號(hào)點(diǎn)落差非常大,這可能和百花湖的地形有關(guān),8號(hào)點(diǎn)附近幾乎沒(méi)有工業(yè)企業(yè)但長(zhǎng)期有密集的居民區(qū),這可能是8號(hào)點(diǎn)DOC濃度較大的原因,而9號(hào)點(diǎn)附近幾乎沒(méi)有工業(yè)企業(yè)和密集的居民區(qū),也是貴陽(yáng)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(lái)研究和表征DOM中腐殖質(zhì)的來(lái)源,f450/f500定義為激發(fā)波長(zhǎng)Ex=370nm時(shí),熒光發(fā)射光譜在450nm與500nm處的強(qiáng)度比值.MeKnight等提出,陸源DOM和生物來(lái)源DOM兩個(gè)端源f450/f500值分別為1.4和1.9,并且pH對(duì)f450/f500值的測(cè)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(shuō)明其DOM中的腐殖質(zhì)主要來(lái)源于陸源輸入,處于兩個(gè)端源中間,同時(shí)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(shì)見(jiàn)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(hào)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(hào)點(diǎn)的f450/f500平均值與8號(hào)點(diǎn)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(shuō)明其DOM中的腐殖質(zhì)主要來(lái)源于陸源輸入,處于兩個(gè)端源中間,同時(shí)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(jī)質(zhì)來(lái)源的簡(jiǎn)便而靈敏的指標(biāo).百花湖沉積物孔隙水DOM的3D-EEM均出現(xiàn)4個(gè)明顯的熒光峰(圖5),結(jié)合前人的研究結(jié)果,對(duì)天然環(huán)境中各種溶解有機(jī)質(zhì)的Ex/Em熒光峰位置進(jìn)行了總結(jié),我們認(rèn)為峰A和C為類(lèi)紫外區(qū)和可見(jiàn)光腐殖酸熒光,峰B和D為類(lèi)富里酸熒光.我們對(duì)所研究的10個(gè)樣品的3個(gè)不同深度段分別進(jìn)行了分析,結(jié)果得出了峰B、D、A、C的變化趨勢(shì)圖(圖6).我們應(yīng)用紫外-可見(jiàn)光譜對(duì)樣品進(jìn)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(jìn)一步證實(shí)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(qiáng)度順序依次是B>D>C>A,說(shuō)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(qiáng)度呈上升趨勢(shì),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(jī)質(zhì)部分礦化作用的結(jié)果,吳豐昌等還認(rèn)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(hào)樣品的峰B、D、A最底層的熒光強(qiáng)度反而很低,也就是說(shuō)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(diǎn)在開(kāi)發(fā)以前受到的污染比較少,隨著人類(lèi)活動(dòng)的加強(qiáng),其受到了不同程度的影響.熒光峰A和熒光峰D的熒光強(qiáng)度以IA和ID表示,定義W為r(A/C)=IA/IC.由于r(A/C)被認(rèn)為是一個(gè)有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)成熟的指標(biāo),并且與分子大小有關(guān),我們也對(duì)r(A/C)值進(jìn)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(shuō)明在DOM中,至少含有兩種類(lèi)型的熒光基團(tuán).傅平青等認(rèn)為如果只含一種類(lèi)型的富里酸熒光基團(tuán),r(A/C)應(yīng)該為一定值,而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到FlukaHA濃度為50mg/L時(shí),r(A/C)值在0.61～1.71之間,還有Coble的研究結(jié)果認(rèn)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(tuán)含量的變化可改變IA/IC.大量研究表明r(A/C)值受有機(jī)質(zhì)分子的大小、溶液的pH值等因素的影響.我們對(duì)r(D/B)值也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),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(qiáng)度呈上升趨勢(shì),在沉積物中可能與r(A/C)有類(lèi)似的指標(biāo)作用,至少含有兩種類(lèi)型的富里酸熒光基團(tuán).3點(diǎn)污染與非面污染本文運(yùn)用紫外-可見(jiàn)吸收光譜和分子熒光光譜法對(duì)百花湖沉積物間隙水中的DOM進(jìn)行研究.從分子熒光光譜研究角度來(lái)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(shuō)明其DOM中的腐殖質(zhì)主要來(lái)源于陸源輸入.我們通過(guò)紫外-可見(jiàn)吸收光譜研究發(fā)現(xiàn)位于水流上游2、3號(hào)點(diǎn)以及中游的5號(hào)點(diǎn)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(diǎn)污染而非面污染.對(duì)不同采樣點(diǎn)沉積物孔隙水DOM在254nrn和280nm處吸光度值的分布特征進(jìn)行了研究,推斷出DOC濃度從大到小的采樣點(diǎn)序號(hào)依次是8>6>1>7>5>10>9>4>3>2,進(jìn)一步證明百花湖主要受到點(diǎn)污染而非面污染,但2、3號(hào)點(diǎn)的DOC濃度較小,這說(shuō)明在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里和現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展的時(shí)期里污染源的地點(diǎn)有所不同,發(fā)生了轉(zhuǎn)移,也就是說(shuō)以前百花湖的主要污染源是在人口密集生活的8號(hào)地點(diǎn)而現(xiàn)在是在工業(yè)較發(fā)達(dá)2、3號(hào)點(diǎn)以及中游的5號(hào)點(diǎn),同時(shí)也說(shuō)明百花湖近期受到的污染屬于點(diǎn)污染而非面污染.運(yùn)用分子熒光光譜法對(duì)百花湖沉積物間隙水中的DOM進(jìn)行研究得到沉積物間隙水中的DOM樣品中均含有4個(gè)熒光峰,其中A和C為類(lèi)紫外區(qū)和可見(jiàn)光腐殖酸熒光,峰B和D為類(lèi)富里酸熒光,隨著沉積深度的增加,熒光峰強(qiáng)度呈上升趨勢(shì).百花湖沉積物間隙水中的DOM中富