宋凡浩,吳豐昌,馮偉瑩,王國靜,陳 曲,喻文強,3,雷啟燾,白英臣* (.中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 000；.中國海洋大學(xué),海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室,山東青島 6600；3.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院,江西 南昌 33003)

富里酸(FA)是溶解性有機質(zhì)(DOM)中一類含有羥基和羧基等多種官能團的非均質(zhì)有機混合物.FA具有較強的絡(luò)合、吸附和氧化還原能力,能夠影響環(huán)境介質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬和有機污染物等化學(xué)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化和生物有效性[1-7].在水體環(huán)境中,FA的物理化學(xué)行為受到pH值、溫度和離子強度等因素的控制和影響.前人研究表明,水體 pH值控制著 FA的質(zhì)子化過程,進(jìn)而影響FA的分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)型構(gòu)象、分子內(nèi)反應(yīng)及官能團特性[8-11].例如,FA質(zhì)子化能改變分子電負(fù)性,進(jìn)而影響分子結(jié)構(gòu)和分子間的內(nèi)反應(yīng).FA的質(zhì)子化還能引起分子結(jié)構(gòu)的擴展、收縮和新分子的聚合,從而導(dǎo)致分子體積改變[9-10].此外,FA質(zhì)子化還能通過改變酚羥基和羧基官能團形態(tài),影響 FA的紫外吸光度[8,10-11].但是,FA是一種大分子有機混合物,組成和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,且在天然水體中含量較低,痕量FA質(zhì)子化機理研究較少.

紫外-可見吸收(UV-Vis)光譜已成為研究DOM分子結(jié)構(gòu)、發(fā)色團特性及其環(huán)境行為的重要手段之一[2,8,11-12].差分吸收光譜(DAS)具有反映UV-Vis光譜特征微小動態(tài)變化的優(yōu)勢[8,11,13-18],可用來探究水體中痕量 DOM 的質(zhì)子化行為,表征DOM 分子內(nèi)羧基和酚羥基兩類主要發(fā)色團的特征[8,11].高斯多峰擬合法能夠有效地提取和簡化UV-Vis光譜或DAS的特征信息,建立高斯峰與羧基和酚羥基等發(fā)色團的相關(guān)性.高斯多峰擬合法已被應(yīng)用于探究 DOM 在外界環(huán)境干擾因素影響下的分子結(jié)構(gòu)動態(tài)變化[19-21].高斯多峰擬合法還可應(yīng)用于DOM與金屬離子(如Na+,K+,Cu2+,Mg2+,Al3+)相互作用機理研究[5,16,22-25].由于痕量DOM在自然水體中具有分子多相性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的特點,尋求快速和有效的方法來研究 DOM 的環(huán)境行為及其與污染物相互作用機理顯得尤為重要.因此,本研究利用DAS結(jié)合高斯多峰擬合法來探究痕量土壤富里酸(SFA)在水溶液中的質(zhì)子化行為,建立不同類型的高斯峰與 DAS光譜特征之間的關(guān)系,揭示高斯峰與SFA分子結(jié)構(gòu)、官能團以及分子構(gòu)型構(gòu)象之間的聯(lián)系.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與SFA提取

SFA樣品為我國標(biāo)樣SFA,樣品采集和SFA提取與純化步驟詳見林櫻等研究[1-2,26].土壤樣品采自北京市鷲峰國家森林公園 0～15cm 的表層,借助XAD-8吸附樹脂柱,用HCl和NaOH提取土壤樣品中的FA,經(jīng)HF/HCl去灰分、H+-陽離子交換樹脂純化、冷凍干燥得到純凈的SFA樣品.

1.2 紫外-可見吸收光譜測定

在25℃下,配置SFA濃度為10mg/L,離子強度為0.05mol/L KClO4的樣品溶液.在SFA溶液表面通氮氣的條件下,用少量 HClO4和 NaOH將溶液pH值以 0.5個單位進(jìn)行梯度調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為3.0～11.0.天然水體中FA濃度一般介于2～20mg/L,本文選擇10mg/L的SFA,既反映自然環(huán)境濃度下的FA質(zhì)子化行為,又避免SFA在高濃度時因發(fā)生聚合作用而導(dǎo)致吸收光譜變化[15,24,27].條件實驗表明,SFA質(zhì)子化反應(yīng)能在 15min內(nèi)達(dá)到平衡,本實驗保持SFA溶液pH值穩(wěn)定15min,保證了SFA與質(zhì)子反應(yīng)完全[24].利用紫外-可見分光光度計(Agilent-8453)進(jìn)行SFA溶液的UV-Vis光譜的測定,測試光譜范圍為 225～425nm,光譜數(shù)據(jù) 3次測定取平均值.所有實驗化學(xué)試劑均為分析純,所有溶液均用Milli-Q超純水配置.

1.3 差分吸收光譜

基于不同 pH值條件下所測得的原始UV-Vis光譜數(shù)據(jù),DAS中的差分吸光度ΔA(λ)可以表示為[11-15,25-26]：式中：在特定波長 λ(nm)下,A(λ)和 Aref(λ)分別為特定pH值和參考pH值條件下的SFA吸光度;l為石英比色皿的光程長度,cm;C為SFA的濃度, mg/L.

1.4 差分吸收光譜高斯多峰擬合

基于不同pH值條件下所計算得到的DAS光譜數(shù)據(jù),DAS光譜高斯多峰擬合可以表示為[15,23,29-30]：

不同 pH值條件下的差分吸光度ΔA(E)可以表示為：

式中：i為高斯峰(i=0,1,2…);E為每個高斯峰的強度,eV;Eoi為每個高斯峰的位置,eV;Aoi為每個高斯峰吸光度強度,eV;Wi為每個高斯峰的寬度,nm.

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Origin 9.1軟件對SFA的原始UV-Vis光譜和DAS光譜進(jìn)行繪制,并對DAS光譜的特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析.DAS光譜的高斯多峰擬合利用Origin 9.1軟件進(jìn)行,并采用擬合相關(guān)系數(shù)R2來檢驗DAS光譜多峰擬合的有效性與精確性.

2 結(jié)果與討論

2.1 SFA的差分光譜特征

SFA的原始UV-Vis光譜吸光度均隨波長增加而逐漸降低,在λ=280～290nm附近出現(xiàn)象征芳香結(jié)構(gòu)的肩峰(圖1).在特定波長下,光譜吸光度隨溶液pH值的增加而減小(圖1),這些光譜特征也出現(xiàn)在其他研究報道中[2,8,24,27]. UV-Vis光譜的單一特征變化是 SFA中眾多不同類型的發(fā)色團組分與其電子躍遷相關(guān)的各個吸收帶之間相互結(jié)合的結(jié)果[8,13,15,33-34].

基于在pH=3.0～11.0(以0.5個單位為間隔)條件下測得的SFA的原始UV-Vis光譜數(shù)據(jù),根據(jù)公式(1)計算得到 SFA 的 DAS 光譜(圖2),其中,以pH=3.0條件下所測得的UV-Vis光譜作為參考光譜.在特定波長下,DAS光譜吸光度隨pH值增大而增加.典型光譜特征有：在波長225～ 250nm范圍內(nèi),出現(xiàn)一個狹窄的波峰,其峰位置出現(xiàn)在235nm處;在波長 250～305nm 范圍內(nèi),出現(xiàn)一個狹窄的波峰,其峰位置出現(xiàn)在280nm處;在波長305～350nm范圍內(nèi),出現(xiàn)一個較寬的波峰,其峰位置約在 320nm處,該波峰特征在pH＞6.5的條件下較為明顯;在波長 350～370nm 范圍內(nèi),出現(xiàn)一個狹窄且尖銳的波峰,其峰位置出現(xiàn)在360nm處;在波長370～425nm范圍內(nèi),差分吸光度隨波長增加呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢.Dryer等[8]研究 Suwannee River FA(SRFA)的質(zhì)子化/去質(zhì)子化行為時,也出現(xiàn)上述相似的DAS光譜特征：3個波峰位置出現(xiàn)在 240nm、280nm 和330nm 處;在 λ＞330nm 的范圍內(nèi),差分吸光度隨波長增加也呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢[8].

圖1 不同pH條件下SFA的紫外-可見吸收光譜Fig.1 UV-Vis spectra of SFA at various pH conditions

圖2 不同pH值條件下SFA的DASFig.2 Differential absorbance spectra of SFA at various pH conditions

2.2 差分光譜高斯多峰擬合

利用高斯多峰擬合法來識別DAS光譜的高斯特征峰,深入研究pH值變化對DAS光譜特征的影響.不同pH值條件下,SFA的DAS光譜能夠擬合得 6類高斯峰(R2＞0.983),其峰位置分別為A0(5.87eV;211.19nm),A1((5.20±0.02)eV;(238.62±1.13)nm),A2((4.51±0.02)eV;(274.78±1.50)nm),A3((4.02±0.05)eV;(308.31±3.74)nm),A4((3.51±0.04)eV;(353.72±3.67)nm),A5((2.96±0.01)eV;(419.44±1.64)nm)和 A6((3.18±0.02)eV;(389.82±2.57)nm)(表1).高斯峰A1～A6出現(xiàn)在DAS光譜的特征波峰位置附近,其位置Eoi和寬度Wi的變化程度分別為 3.18～10.50nm 和 3.36～19.08nm,標(biāo)準(zhǔn)方差分別為 σ=1.13～3.74nm 和 σ=1.33～9.54nm.另外,高斯峰 A3和 A4位置 Eoi變化程度(10.13～10.50nm)大于高斯峰 A1、A2、A5和 A6位置Eoi變化程度(3.18～5.50nm),說明高斯峰 A3和A4的位置Eoi受pH值影響的程度大于高斯峰A1、A2、A5和 A6;高斯峰 A1和 A2寬度 Wi變化程度(3.36～ 8.49nm)小于高斯峰 A3～A6寬度Wi變化程度(10.86～19.08nm),說明高斯峰A1和A2的寬度Wi受pH值影響的程度要小于高斯峰 A3～A6.

表1 不同pH條件下SFA的差分吸收光譜高斯多峰擬合參數(shù)Table 1 Parameters of multi-peaks Gaussian fitting in differential absorbance spectra of SFA at various pH conditions

典型實驗 DAS光譜與高斯多峰擬合 DAS光譜之間具有很高擬合度(R2＞0.996)(圖3).DAS(pH 4.5)中 A1和 A3對其光譜形狀貢獻(xiàn)率最大,DAS(pH 7.5)中A1～A4對其光譜形狀貢獻(xiàn)率相近.DAS(pH 4.5和7.5)中A5為負(fù)值,且對光譜形狀的貢獻(xiàn)率最小.DAS(pH 10.5)中 A6對光譜形狀的貢獻(xiàn)率最小[15,17].另外,DAS僅在pH 10.5條 件 下 擬 合 出 高 斯 峰 A0(Eoi=5.87eV;λ=211.19nm).結(jié)合前人的研究報道,SFA和SRFA的DAS光譜均在波長位置210,240,275,310,390nm附近擬合得到高斯峰,且光譜干擾因素(如,羥基等其他無機離子)在 Eoi＞5.3eV (λ＜230nm)區(qū)域內(nèi)存在,A0的準(zhǔn)確位置和特性很難去研究[13,22,25].因此,本研究只討論 Eoi＜5.3eV (λ＞230nm)的光譜高斯峰.

高斯峰A1～A4能夠分別有效擬合DAS光譜中 235,280,320,360nm處的特征波峰.DAS光譜中235,280,320nm處的特征峰分別與酚羥基、羧基和酚羥基發(fā)色團有關(guān)[8,27].同時,研究發(fā)現(xiàn),磺基水楊酸和單寧酸等物質(zhì)的 DAS光譜在 5.32eV(233nm)、4.50eV(275nm)和 3.89eV(318nm)位置處出現(xiàn)明顯的特征峰,其峰位置與高斯峰A1～A3的位置相似(表1)[8,11,13],說明高斯峰A1～A3分別與分子中的酚羥基,羧基和酚羥基發(fā)色團有關(guān).根據(jù)Dryer等[8,24]研究報道,DAS光譜中360nm處的特征峰和高斯峰A4與發(fā)色團之間的內(nèi)反應(yīng)有關(guān).同時,DAS光譜高斯峰A5～A6與SFA分子構(gòu)型構(gòu)象變化有關(guān),且受分子電荷轉(zhuǎn)移和發(fā)色團相互作用的影響[8,11,13,27].

DAS光譜中235,280,320,360nm處的特征波峰差分吸光度ΔA(235)、ΔA(280)、ΔA(320)和ΔA(360)均與溶液 pH 值存在顯著性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.855～0.995)(圖4),說明 SFA 中酚羥基和羧基發(fā)色團所引起的吸光度隨pH值增加而線性增加.DAS 光譜中ΔA(280)、ΔA(320)和ΔA(360)與pH值的相關(guān)性(R2=0.979～0.995)要明顯大于ΔA(235),說明 DAS 光譜長波段(280～360nm)處的波峰吸光度能更有效地反映發(fā)色團的動態(tài)變化情況.反映發(fā)色團間內(nèi)反應(yīng)波峰吸光度ΔA(360)也隨 pH值增加而呈現(xiàn)顯著性的線性增加趨勢(R2=0.982)(圖4).為研究反映分子構(gòu)型構(gòu)象的高斯峰與DAS光譜指標(biāo)之間的關(guān)系,本研究選擇位置相對穩(wěn)定的高斯峰 A4與ΔA(360)的對數(shù)值lnΔA(360)進(jìn)行相關(guān)性分析.研究表明,高斯峰 A4位置與 lnΔA(360)存在顯著性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.938)(圖5).這表明DAS光譜lnΔA(360)指標(biāo)可用來反映高斯峰A4位置隨pH值的變化情況,指示發(fā)色團間相互作用.

圖3 DAS高斯多峰擬合Fig.3 Multi-peaks Gaussian fitting of differential absorbance spectra

圖4 DAS 光譜ΔA(235)、ΔA(280)、ΔA(320)、ΔA(360)與pH值的相關(guān)性分析Fig.4 Correlations analysis between ΔA(235), ΔA(280),ΔA(320), ΔA(360) in DAS and pH values

圖5 高斯峰A4位置與DAS光譜中l(wèi)nΔA(360)的相關(guān)性分析Fig.5 Correlations analysis between Gaussian peak A4position and lnΔA(360) in DAS spectra

3 結(jié)論

3.1 DAS光譜主要在235,320,280,360nm處出現(xiàn)特征波峰.DAS光譜的差分吸光度隨pH值增大而增大,隨波長(λ=370～425nm 范圍內(nèi))的增加而單調(diào)下降.不同pH值條件下的DAS擬合得到6 類高斯峰(A1～A6)(R2＞0.983).

3.2 高斯峰A1～A6的Eoi和Wi受pH值影響的變化程度分別為3.18～10.50nm和3.36～19.08nm.A1和A2的Wi受pH值影響的變化程度(3.36～8.49nm)小于 A3～A6 的 Wi變化程度(10.86～19.08nm).A3和A4的Eoi受pH值影響的變化程度(10.50～10.13nm)大于 A1、A2、A5和 A6的Eoi變化程度(3.18～5.50nm).A1～A3 分別與分子中的酚羥基、羧基和酚羥基發(fā)色團有關(guān);A4與發(fā)色團之間的內(nèi)反應(yīng)有關(guān);A5和A6主要與分子構(gòu)型構(gòu)象的變化有關(guān),受分子電荷轉(zhuǎn)移和發(fā)色團相互作用的影響.

3.3 DAS光譜的特征波峰吸光度ΔA(235)、ΔA(280)、ΔA(320)和ΔA(360)與 pH 值均存在顯著性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.855～0.995).A4的 Eoi與lnΔA(360)存在顯著性正相關(guān)關(guān)系(R2=0.938),說明lnΔA(360)能反映A4位置隨pH值的變化情況,指示發(fā)色團間相互作用.Biogeochemistry, 2012,108(1)：109-118.

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