劉 毅, 劉 群, 吳文廣, 楊 , 劉 越, 5, 姜雅斐, 5, 張繼紅, 4

空白校正對(duì)元素分析儀測(cè)定海水中顆粒有機(jī)碳結(jié)果準(zhǔn)確性的影響分析

(1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266000; 5. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院, 遼寧 大連 116000)

顆粒有機(jī)碳(POC)在海洋生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用, 其準(zhǔn)確獲取至關(guān)重要。目前, 元素分析儀測(cè)定POC是最準(zhǔn)確和常用的分析方法, 但取樣忽略了水體溶解有機(jī)碳(DOC)可能帶來的影響。針對(duì)空白樣品如何獲取才能有效去除DOC影響的問題, 本文設(shè)計(jì)比較了5種取樣方法對(duì)POC測(cè)定結(jié)果的影響, 以及濾膜對(duì)數(shù)據(jù)的影響。結(jié)果顯示, 1) 5種樣品取樣方法所得的結(jié)果差異顯著, 不進(jìn)行空白校正會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差; 2) 文獻(xiàn)和本文設(shè)計(jì)的空白樣取樣方法均出現(xiàn)了空白值大于樣品值的異常情況; 3) 樣品繼續(xù)抽人工海水100 mL即可有效洗去濾膜上吸附的DOC; 4) 未過濾的濾膜450℃灼燒5 h后可以有效去除濾膜上吸附的碳, 但是存放時(shí)間越久濾膜從空氣中吸附碳的概率越大。本研究確定的人工海水法可以有效去除DOC對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響, 樣品測(cè)定結(jié)果重復(fù)性、精密度高, 可準(zhǔn)確用于海水POC樣品的測(cè)定。

元素分析儀; 顆粒有機(jī)碳; 溶解有機(jī)碳; 空白樣品

顆粒有機(jī)碳(POC)是浮游植物光合作用的主要產(chǎn)物, 也是生物攝食和代謝過程的主體, 是碳在海洋中的主要存在形式, 能在一定程度上控制溶解有機(jī)碳(DOC)、溶解無機(jī)碳(DIC)等碳形式的產(chǎn)生, 在海洋食物鏈、海洋生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用[1-4]。POC數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取對(duì)研究結(jié)果至關(guān)重要, 已引起學(xué)者關(guān)注[2, 5-6]。2007年, 國(guó)家頒布的海洋調(diào)查規(guī)范第九部分海洋生態(tài)調(diào)查指南(GBT12763.9-2007)中規(guī)定了POC分析方法標(biāo)準(zhǔn), 具體方法為: 海水樣品經(jīng)玻璃纖維濾膜(25 mm; 450℃灼燒5 h)過濾后, 將濾膜置于酸蒸氣內(nèi)酸熏30 min, 濾膜干燥后采用元素分析儀進(jìn)行測(cè)定。這一方法簡(jiǎn)化了測(cè)試步驟, 提高了分析準(zhǔn)確度。然而研究發(fā)現(xiàn), DOC很容易被吸附在固體界面上, 部分大陸架區(qū)域會(huì)有3%~11%的DOC吸附在POC上[7]。因此, 在POC樣品采集過程中, DOC很有可能大量吸附在濾膜上, 從而影響POC的真實(shí)結(jié)果。國(guó)標(biāo)的規(guī)定中, 并未考慮DOC可能帶來的影響, 針對(duì)校正DOC影響的空白樣品取樣方法也尚未規(guī)定。許多學(xué)者對(duì)空白是什么, 是否需要空白校正以及如何取樣仍無統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。有部分學(xué)者認(rèn)為濾膜吸附空氣中的碳才會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響[2], 因此將“未過濾的膜”作為空白樣品進(jìn)行校正; 也有許多學(xué)者不考慮DOC的影響, 因此不進(jìn)行空白樣品(DOC)的校正; 當(dāng)然越來越多的學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到空白樣品(DOC)校正的重要性, 也設(shè)計(jì)了很多取樣方法, 利用空白樣品校正去除DOC的影響, 但是這些方法的效果并不明確[8-23]。因此空白樣品的獲取、校正的準(zhǔn)確性等問題亟待研究。本文針對(duì)上述問題, 首先通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證未過濾的膜對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響; 其次通過文獻(xiàn)查閱選取了目前國(guó)內(nèi)外具有代表性的空白取樣方法, 驗(yàn)證這些方法的效果和準(zhǔn)確性; 最后, 自主設(shè)計(jì)了2種不同的取樣方法進(jìn)行比較, 通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)明確進(jìn)行DOC校正對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的重要性, 以及各種方法的可行性。以期建立方便、準(zhǔn)確的空白樣品的取樣方法或有效去除DOC的方法, 為POC的相關(guān)研究提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

Elementar EL型元素分析儀(德國(guó) Elementar公司); 馬弗爐; MILLI-Q超純水儀(美國(guó)Millipore公司); 鼓風(fēng)干燥箱; GF/F玻璃纖維濾膜(25, 美國(guó)GE公司); 抽濾裝置一套(濾器、濾瓶, 美國(guó)Pull公司); 真空抽濾泵。

海水樣品取自山東榮成桑溝灣海域, 在某一固定位置利用采水器采集水樣并收集至25 L加侖桶內(nèi), 于當(dāng)日轉(zhuǎn)移到陸地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抽濾和預(yù)處理, 處理后的樣品由錫20℃冷凍保存。

1.2 樣品的采集

1.2.1 濾膜的處理

分別在實(shí)驗(yàn)開始前180 d、30 d、7 d和實(shí)驗(yàn)當(dāng)天, 取25 mm的GF/F玻璃纖維濾膜, 在馬弗爐內(nèi)以450℃灼燒5 h, 灼燒后的濾膜裝入盒中放置在恒溫干燥的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)備用。

1.2.2 POC樣品的采集

將所取水樣混勻后, 重復(fù)進(jìn)行抽濾, 每次取水樣200 mL經(jīng)濾膜過濾, 過濾后的濾膜即為該調(diào)查站位的POC樣品。其中每6個(gè)重復(fù)為一組, 每組對(duì)應(yīng)不同的空白樣品采集或直接去除DOC的操作。

1.2.3 空白樣品的采集和直接去除DOC的操作方法

空白樣品采集方法和設(shè)計(jì)依據(jù)見表1中的1~3。直接去除DOC影響的操作方法見表1中的4~5。

表1 樣品處理方法

1.3 儀器工作原理

元素分析儀通過高溫和還原銅的作用, 將樣品完全燃燒和凈化生成二氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w, 混合氣體經(jīng)氣相色譜分離后, 分別通過載氣送入熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè), 儀器軟件通過熱導(dǎo)檢測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行積分計(jì)算, 并根據(jù)樣品重量和儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)曲線, 最終換算出C或N元素的百分比含量。

1.4 POC樣品和空白樣品測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法

采用Elementar EL型元素分析儀進(jìn)行測(cè)定, 選擇CHN模式, 加載正常乙酰苯胺標(biāo)準(zhǔn)曲線即可, C、N檢出限均為0.01%。儀器條件: 燃燒管溫度750℃, 還原管溫度550℃, 高純氦氣流量為600 mL/min, 氧氣流量為20 mL/min, 通氧時(shí)間選擇為70 s。

樣品包覆好后, 將樣品和其對(duì)應(yīng)的空白樣品按照順序放入儀器進(jìn)樣器中, 儀器軟件中樣品重量欄輸1(單位mg), 開始運(yùn)行程序。軟件中C峰面積值表示熱導(dǎo)檢測(cè)器中的信號(hào)積分值, 其大小反應(yīng)了C元素的絕對(duì)含量高低。因此分析完成后, 將空白樣品的C峰面積值輸入到軟件中對(duì)應(yīng)樣品的C空白欄中, 程序?qū)⒆詣?dòng)對(duì)樣品進(jìn)行空白校正, 并將結(jié)果列入測(cè)定值欄。由于元素分析儀測(cè)定值的單位是%, 且質(zhì)量已經(jīng)輸入1, 因此測(cè)定值縮小100倍后, 即為該濾膜上C的絕對(duì)含量, 單位為mg, 再除以抽濾體積即可得到POC含量, 單位mg/L。計(jì)算公式為: POC=C測(cè)定值×0.01/抽濾體積。

需要提醒的是, 利用元素分析儀分析POC時(shí), 仍有實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)過程中稱量濾膜過濾前后的質(zhì)量來計(jì)算總懸浮物質(zhì)量, 這無疑增加了操作步驟和人為誤差概率。只要了解了元素分析儀的工作原理, 此類樣品便可以利用質(zhì)量輸入1的操作來減少實(shí)驗(yàn)步驟和人為誤差。

1.5 數(shù)據(jù)分析

各組數(shù)據(jù)之間相關(guān)性采用SPSS軟件的單因素方差進(jìn)行分析,<0.05為顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾膜對(duì)樣品結(jié)果的影響

目前很多實(shí)驗(yàn)室使用未過濾的濾膜作為空白樣品進(jìn)行分析, 因?yàn)樵趯?shí)際操作中, 時(shí)有未過濾的濾膜上吸附的碳會(huì)影響結(jié)果的情況發(fā)生, 所以必須將其作為空白進(jìn)行檢測(cè)并校正[2]。筆者認(rèn)為這一操作并不準(zhǔn)確, 濾膜450℃灼燒5 h后理應(yīng)完全去除C的干擾, 未過濾的濾膜“時(shí)有影響”這一現(xiàn)象可能是在存放過程中吸附了空氣中的碳所導(dǎo)致。為驗(yàn)證這一結(jié)論, 分別取灼燒后1、7、30、180 d的四種不同時(shí)期的濾膜進(jìn)行測(cè)定, 前處理步驟完全參照國(guó)標(biāo)GB/T12763.9中的規(guī)定進(jìn)行, 以此考察濾膜不同處理時(shí)間對(duì)樣品測(cè)定的影響。結(jié)果見圖1?？梢钥闯? 濾膜在灼燒后基本可以清除所吸附的C、N雜質(zhì), 7日內(nèi)濾膜的C、N含量幾乎沒有變化, 不會(huì)對(duì)樣品的結(jié)果造成影響, 但是一個(gè)月之后, 濾膜上吸附的C含量開始直線上升, 存放時(shí)間越久, 越容易對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 濾膜灼燒后不同存放時(shí)間的C、N含量

通過上述實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證, 可以得出結(jié)論, 濾膜通過灼燒處理后, 短時(shí)間內(nèi)不會(huì)對(duì)樣品結(jié)果產(chǎn)生影響, 但是濾膜有一定能力吸附空氣中的C。因此, 我們建議濾膜應(yīng)在灼燒后一周內(nèi)使用, 灼燒后的濾膜應(yīng)保存在干燥器或封口袋內(nèi)。

2.2 不同空白樣品取樣方法對(duì)結(jié)果的影響

為了驗(yàn)證針對(duì)DOC的空白校正對(duì)結(jié)果的重要性, 以及不同空白樣品取樣方法的差別和確定合適的取樣方法, 分別采用浸濕法、雙層膜法、二次抽濾法進(jìn)行空白樣品的取樣操作, 具體方法見上文所述。實(shí)驗(yàn)全部采用灼燒處理7日內(nèi)的濾膜, 樣品和空白樣品的后續(xù)處理按照國(guó)標(biāo)規(guī)定執(zhí)行。結(jié)果見表2。

表2 不同空白樣品取樣方法的結(jié)果

通過表2所列數(shù)據(jù), 針對(duì)樣品測(cè)定值分析。除雙層膜法外, 其余各組的取樣操作一致, 所得樣品測(cè)定值結(jié)果差異不顯著(>0.05), 說明儀器狀態(tài)穩(wěn)定, 樣品重復(fù)性好, 濾膜對(duì)樣品測(cè)定結(jié)果的影響有限。而雙層膜法的6組平行實(shí)驗(yàn)中, 標(biāo)準(zhǔn)偏差較大, 結(jié)果重復(fù)性差。說明雙層膜法條件下的取樣操作, 會(huì)促進(jìn)DOC在濾膜上的吸附, 由于膜本身的差異, 產(chǎn)生了吸附效率的差別, 從而導(dǎo)致樣品測(cè)定值也與其他各組差異顯著(<0.05)。所以可以首先確定雙層膜法的操作不可取。

針對(duì)空白樣品測(cè)定值結(jié)果分析。所有的空白樣品取樣方法都出現(xiàn)了空白值大于樣品值的異常情況, 且重復(fù)性較差。各組間的空白值差異顯著(<0.05), 造成空白值差異的原因是空白樣品取樣方法不同, 使濾膜對(duì)DOC的吸收效率出現(xiàn)差異, 導(dǎo)致空白樣品值的差異, 最終影響POC計(jì)算值產(chǎn)生較大差異。目前無論是文獻(xiàn)記錄的方法還是本文自行設(shè)計(jì)的方法都存在一定的缺陷, 尚不能采用本文所討論的方法進(jìn)行操作。同時(shí), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果也佐證了DOC會(huì)吸附在濾膜上對(duì)樣品產(chǎn)生影響, 不同的處理方法差別較大的結(jié)論。

2.3 直接去除DOC的操作對(duì)結(jié)果的影響

國(guó)標(biāo)中對(duì)于需要抽濾的樣品, 通常在抽濾完成后, 采用蒸餾水反復(fù)抽濾的方式以除溶解態(tài)雜質(zhì)的影響, 如鹽分等。結(jié)合與國(guó)外實(shí)驗(yàn)室的交流, 我們提出了蒸餾水法的實(shí)驗(yàn)思路, 通過在樣品膜上再次抽濾蒸餾水的方式, 達(dá)到將DOC洗去的目的。同時(shí), 考慮到蒸餾水在沖洗過程中, 滲透壓的改變可能會(huì)造成浮游植物的死亡, 影響POC結(jié)果的準(zhǔn)確性, 在蒸餾水法的基礎(chǔ)上加入了人工海水的方法, 保證沖洗過程中滲透壓的一致。具體方法見上文所述。實(shí)驗(yàn)全部采用灼燒處理7日內(nèi)的濾膜, 樣品的后續(xù)處理按照國(guó)標(biāo)規(guī)定執(zhí)行。結(jié)果見表3。

表3 直接去除DOC操作方法的結(jié)果

據(jù)表3的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 人工海水操作下的各實(shí)驗(yàn)組樣品測(cè)定值范圍顯著高于蒸餾水操作(>0.05), 而蒸餾水法隨著蒸餾水體積的增加樣品測(cè)定值開始降低。可以推斷, 當(dāng)進(jìn)行蒸餾水沖洗時(shí), 滲透壓的變化導(dǎo)致了浮游植物死亡、破裂, 其體內(nèi)的溶解態(tài)碳也被蒸餾水沖走, 從而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。人工海水進(jìn)行沖洗操作時(shí), 除50 mL 實(shí)驗(yàn)組外, 其余抽濾體積所得樣品檢測(cè)值差異不顯著(>0.05)。可以推斷, 當(dāng)沖洗的人工海水體積超過100 mL后, 已基本可以洗去吸附在濾膜上的DOC, 從而消除DOC對(duì)樣品結(jié)果的影響。

綜上所述, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 目前取空白樣進(jìn)行空白校正的方法在現(xiàn)階段可能并不適用, 我們建議采用抽濾完成后繼續(xù)用人工海水沖洗100 mL的取樣操作。

2.4 方法的重復(fù)性和精密度

在確定取樣方法后, 于2020年4月對(duì)榮成桑溝灣的2處站位以及萊州灣的2處站位進(jìn)行了POC樣品的取樣, 各站位取6組平行進(jìn)行測(cè)定, 分析結(jié)果見表4。由表4可知各站所得結(jié)果穩(wěn)定性好, 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小, 精密度(RSD)為0.83%~2.35%, 說明該操作方法可以得到較為理想和準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 改進(jìn)后的空白取樣方法結(jié)果的重復(fù)性和精密度(n=6)

3 結(jié)論

(1) 本文驗(yàn)證了DOC對(duì)POC樣品的準(zhǔn)確獲取影響較大, 不考慮DOC將對(duì)POC測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2) 不同的空白樣品取樣方法, 會(huì)對(duì)POC測(cè)定結(jié)果帶來較大差異。本文驗(yàn)證了目前文獻(xiàn)記載的幾種空白取樣方法和自主設(shè)計(jì)的方法, 在現(xiàn)有技術(shù)條件下空白樣品取樣方法都存在一定缺陷。建議采用的方法為: 樣品抽濾完成后采用本文定義的人工海水(100 mL)法進(jìn)行操作。

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Effects of different sampling methods on the accuracy of particulate organic carbon and particulate nitrogen samples in ocean

LIU Yi1, 2, 3, LIU Qun2, WU Wen-guang1, YANG Jun1, LIU Yue1, 5, JIANG Ya-fei1, 5, ZHANG Ji-hong1,4

(1. Key Laboratory for Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture/Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Qingdao 266071, China; 2.Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Function Laboratory for Marine Fisheries Science and Food Production Processes, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266000, China; 5. College of Fisheries and Life Science, Dalian Ocean University, Dalian 116000, China)

Elemental analyzer; particulate organic carbon; dissolved organic carbon blank sample

Particulate organic carbon (POC) plays an important role in both the marine ecosystem and the global carbon cycle, and the accurate acquisition of relevant data is a key factor in research on the marine carbon cycle. Elemental analysis is the most commonly used method for accurately determining POC content. However, the impact of dissolved organic carbon (DOC) in water is often ignored during sampling. In this study, we focused on how to obtain blank samples and effectively remove the impact of DOC. We investigated the impact of the use of filter membranes on the data and designed five different sampling methods to compare their effects on the data. The results show that: 1) the blank values obtained by different blank sample acquisition methods differ significantly, and their offset errors are not corrected by blank correction. 2) Both the methods reported in the literature and the blank sampling methods designed in this study produced abnormalities in which the blank value was greater than the sample value. 3) 100 ml of artificial seawater can be filtered to effectively remove the adsorbed DOC. 4) After heating at 450℃ for 5 h, the carbon adsorbed on the filter can be effectively removed, but the longer is the storage time, the more likely is the filter to adsorb carbon from the air. The method developed in this study can effectively remove the impact of DOC on the measurement results, and supplement and improve the factors of influence that are not considered in the national standard. The proposed method can effectively remove the influence of DOC on the measurement results, exhibits high repeatability and high precision, and can be accurately and reliably used for the determination of POC samples.

Feb. 21, 2020

Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund, YSFRI, CAFS, No. 20603022019012; Joint Fund of National Natural Science Foundation of China, No. U1906216; Supported by China agriculture research system, No. CARS-48]

O656.32; P734.4

A

1000-3096(2020)12-0078-06

10.11759/hykx20200221001

2020-02-21;

2020-05-11

中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(20603022019012); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1906216); 國(guó)家蝦蟹產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-48)

劉毅(1985-), 男, 山東青島人, 工程師, 碩士, 主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究, E-mail: liuyi@ysfri.ac.cn; 張繼紅, 通信作者, E-mail: zhangjh@ysfri.ac.cn

(本文編輯: 康亦兼)