溶解無機碳的拉曼光譜定量分析可行性研究

田陟賢,張 鑫,劉昌嶺,孟慶國,閻 軍

(1.中國科學院海洋研究所,中國科學院海洋地質與環境重點實驗室,山東 青島 266071；2.中國科學院大學,北京 100049；3.青島海洋地質研究所,國土資源部天然氣水合物重點實驗室,山東 青島 266071)

溶解無機碳的拉曼光譜定量分析可行性研究

田陟賢1,2,張 鑫1*,劉昌嶺3,孟慶國3,閻 軍1

(1.中國科學院海洋研究所,中國科學院海洋地質與環境重點實驗室,山東 青島 266071；2.中國科學院大學,北京 100049；3.青島海洋地質研究所,國土資源部天然氣水合物重點實驗室,山東 青島 266071)

海水溶解無機碳(DIC)的平均濃度約為2.05mmol/L,其中HCO3-占93%, CO32-為6%,CO2和H2CO3共1%.HCO3-的拉曼散射活性太弱,而其他成分的濃度又過低,使得海水中DIC組分不能產生明顯的拉曼散射強度,目前還未見有關溶解無機碳拉曼光譜定量分析的報道.為突破這一局限,本研究探索了一種堿化輔助的拉曼定量分析方法,以海水DIC中拉曼活性最低、占比例最大的HCO3-為研究對象進行了可行性實驗研究.通過堿化處理(100mL樣品中添加NaOH試劑15mg)將HCO-轉化為拉曼活性更強的CO2-,有效提高了拉曼光譜系統對HCO-333的檢出限(<3mmol/L).定量分析使用內標定法,選取水在～1635cm-1附近的 O—H彎曲振動譜帶作為標定物.實驗結果顯示,該方法對與海水中濃度相當的低濃度HCO3-溶液的定量分析具有良好的精度(相對誤差<6.5%).

海水；溶解無機碳；拉曼光譜；定量分析；碳酸氫根

在過去的260余年,由于人類對化石燃料和森林資源的過度消耗,大氣中二氧化碳(CO2)的含量從工業革命前的大約280×10-6(μL/L)增加到現今的 384×10-6,大約增加了 40%[1].這一變化速度比過去數百萬年至少要高一個數量級[2],達到了全新世以來的最高值.海洋作為地球表面最大的碳庫,不斷從大氣中吸收 CO2[3],速率高達1×109kg/h[4],大約吸收了人類活動排放 CO2的1/3,緩和了大氣CO2濃度增加對氣候的影響[4-5].

然而,海洋對CO2的吸收并不是完全無害的,會導致海水的化學平衡失衡和 pH值下降,這種現象已被模式分析以及水文調查資料證實[5-9],被稱為海洋酸化或“其他CO2問題”[10-11].從工業革命開始至今,表層海水的平均 pH值從 8.21降至8.10,下降了大約0.1個單位[12].預計在21世紀末,大氣中CO2的含量將達到800×10-6,海洋的pH值還將降低0.3～0.4個單位,相當于H+的濃度增加150%,CO32-的濃度降低50%[13].海洋酸化正日益改變著海洋生物賴以生存的化學環境,使海洋生物的代謝過程會受到影響,海洋生態的穩定性發生變化,對海洋生態系統有著深遠的影響[14-17].

因此,了解海洋對大氣 CO2增加的響應,研究CO2在海洋中的轉移和歸宿、海洋吸收轉移大氣中CO2的能力以及CO2在海洋中的循環機制等已經成為當今國際海洋科學研究的前沿領域.海水中溶解無機碳(DIC)是海洋CO2系統的重要參數,它是海水中各種無機碳酸鹽,碳酸氫鹽、碳酸及CO2氣體的濃度總和.準確、快速、方便地測定出海水中溶解無機碳含量和存在形式,對于了解海洋對CO2的吸收、轉化和遷移過程,進而了解全球氣候變化和全球碳循環都具有重要意義.海洋DIC的測量最早開始于19世紀初[18],到20世紀中葉,尤其是在地化剖面(GEOSECS, 1973～1979)[19-20]以及海洋瞬時示蹤劑研究計劃(TTO, 1981～1983)[21]出現之后開始變得更為廣泛.

目前已有多種方法可對海洋溶解無機碳進行分析[22],但這些方法的非原位性使得它們均無法避免樣品理化環境變化帶來的不確定性,因此,建立海洋中溶解無機碳的原位測定方法成為亟待解決的問題.激光拉曼光譜技術由于其具有原位、實時、非接觸探測以及多組分同時測試等優點,在水下環境尤其是在深海極端環境下的海洋中地化參數探測上得到了廣泛應用[23],但目前有關其在海洋溶解無機碳探測中應用的報道較少.海洋中溶解無機碳的平均濃度約為 2.05mmol/ L[12],從比例上來講,碳酸氫根離子(HCO3-)占93%,碳酸根離子(CO32-)占6%,CO2和H2CO3占總體的1%.HCO3-的拉曼散射活性太弱,而其他成分的含量又過低,使得海水溶解無機碳成分不能產生明顯的拉曼散射強度.為解決這一局限,本研究以海水溶解無機碳中拉曼活性最低、占比例最大的HCO3-為研究對象,探索了一種堿化法輔助的低濃度HCO3-拉曼定量分析技術.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

激光拉曼光譜系統:美國凱澤光學系統公司(KOSI)生產的 RamanRXN1,該光學系統由光譜儀、發射波長為 532nm的 Nd:YAG激光器(100mW,波譜范圍 100～4350cm-1)、前照式冷卻CCD傳感器(像素2048×512)、光纖、光學探頭組成.其中光學探頭為KOSI公司的Mark II全息光學探頭(NCO-1.3-VIS),焦距 4mm(空氣中),可在0～40℃插入液體內直接進行探測,通過光纖與主機聯接.

Na2CO3,NaHCO3,NaOH(國藥集團化學試劑有限公司)均為分析純(AR)試劑.實驗測試的溶液均采用試劑與二次去離子水(>18M?)配置.

1.2 拉曼光譜定量分析原理

不同物質拉曼散射效率不同以及測試條件對拉曼散射強度的影響,使得拉曼散射不能直接與濃度或豐度相關聯,拉曼光譜技術在定量分析方面長期被認為是不可行的.Wopenka等[24]的拉曼強度歸一化理論奠定了基于強度比值的拉曼光譜定量分析理論基礎,使拉曼光譜分析向定量化發展.拉曼散射強度I可以簡化定義為:

式中:IL為激光強度;K為比例系數;σ為拉曼散射截面;N為分子數.分析對象產生的拉曼散射強度似乎與濃度呈線性關系,但拉曼散射強度還決定于測試條件(激發光強度,設備的光學配置及樣品校準等),因而并不能與測試對象的濃度直接關聯,必須對測試條件的影響予以消除,拉曼光譜歸一化(相對強度)是最有效的方法:

式中:下標R表示參考系,其拉曼光譜須在與樣品相同的條件下測得.拉曼定量分析可以表示為:

式中:σR/σ可視為常數,以相同參照系為標準,相對拉曼強度I/IR就可用來定量分析測試對象的濃度.目前,拉曼定量分析均是基于相對強度的,包括內標法和外標法.外標法對拉曼信號的校正需連續收集樣品及對應標定物的拉曼光譜,收集過程的非同步性使得收集條件必然存在差異.內標法使用的標定物則存在于樣品內部,同步采集到的是相同條件下樣品與內標物拉曼信號的混合,所以比外標法更適合用來校正拉曼強度.由于向系統中加入標定物繁瑣且會改變研究對象的理化性質,所以,將樣品內部物質用作標定物更合適.

圖1 不同條件下水的O—H拉曼彎曲振動峰與伸縮振動峰變化情況對比Fig.1 Contrast of Raman OH bending and stretching vibration bands under different conditions

對于溶液系統,由于溶劑的分子數遠大于溶質分子數而可將其視為恒定,因此,將溶劑選作參照系是非常合理的.單獨的水分子有 3種振動模式且均具有拉曼活性:2個對稱振動模式(位于3657.05cm-1附近的對稱伸縮振動模式 υ1,位于1595cm-1的對稱彎曲振動模式υ2),1個反對稱振動模式(位于3755.97cm-1的υ3)[25].液態水中氫鍵的相互作用使得 O—H譜帶拓寬并移向低波數,使得 υ2(彎曲振動模式)在 1635cm-1附近形成液態水的彎曲振動譜帶,υ1、υ3(伸縮振動模式)形成的伸縮振動譜帶位于 2750～3900cm-1(圖 1).由于O—H伸縮振動譜帶是多種模式疊加后的集成譜峰,易受鹽分含量和溫度的影響,譜峰形狀和強度不穩定;而O—H彎曲振動譜帶對溫壓和鹽分條件的變化不敏感(圖1),故本研究選擇液態水在～1635cm-1附近的O—H彎曲振動譜帶作為定量分析的內標物.

1.3 測試原理

CO32-和HCO3-都具有拉曼活性(振動頻移位置如表1).其中,CO32-在水溶液中的CO對稱伸縮振動模式位于1066cm-1,HCO3-在1016 cm-1具有較強的C—OH伸縮模式,在1364cm-1有稍弱的C—O伸縮模式.但是,等濃度的HCO3-比CO32-所產生的拉曼信號強度弱得多(圖2).注意到HCO3-在酸性環境下可以生成具對稱結構的CO2分子:

圖2 Na2CO3、NaHCO3溶液拉曼光譜曲線:50mmol/L,常溫,常壓Fig.2 Raman spectra of Na2CO3and NaHCO3aqueous solutions at 50mmol/L under normal temperature and pressure

可產生較強的拉曼信號.但是,由于向樣品中注入酸液會導致溶液體積變化,對定量分析造成不便,而HCO3-與堿反應生成CO32-:

向待測樣品中加入適量氫氧化鈉粉末,同樣可以達到將待測物轉化為具更強拉曼活性的物質的目的,并且由于該反應生成的水很少,可以認為溶液的體積不變,更有利于定量分析.

表1 CO32-和HCO3-的振動模式及拉曼峰位移Table 1 Interested Raman spectroscopic information of CO2-and HCO-33

2 測試方法

為檢驗本研究所用的拉曼光譜系統對碳酸氫根直接檢測的能力,配制了濃度分別為1,2,3mmol/L的低濃度NaHCO3溶液.對樣品溶液采取暗罩遮光保護以隔絕環境光的影響,將光學探頭浸入到溶液中進行拉曼光譜探測,拉曼光譜的單光譜采集時間為600s,各濃度分別作10次光譜數據采集并累加平均,光譜處理軟件采用GRAMS/AI?(下同).

對上述 1,2,3mmol/L的 NaHCO3溶液各取100mL并分別加入 15mg(均為輕微過量)的NaOH試劑,以達到使溶液堿化從而將 HCO3-轉化為 CO32-的目的,5min(反應充分進行)后,再次對溶液進行拉曼探測.

為實現對堿化后的溶液進行定量分析,實驗采用無水Na2CO3配制不同CO32-濃度(5,10,15,20, 30,40,50,70,100,150mmol/L,均未飽和)的水溶液,對這些溶液進行拉曼光譜探測并獲取定標曲線.

3 結果分析

3.1 低濃度碳酸氫鈉溶液的拉曼光譜

由圖3可見,1,2,3mol/L NaHCO3溶液的拉曼光譜重疊率很高難以分辨.并且在各光譜曲線的1016cm-1、1364cm-1處均未出現HCO3-的拉曼光譜特征峰.這表明使用本實驗用到的拉曼光譜系統(RamanRXN1)對 HCO3-溶液的檢出限大于3mmol/L,即對與海水濃度相當的低濃度的HCO3-溶液進行直接拉曼探測是不可行的.

3.2 堿化處理后低濃度碳酸氫鈉溶液的拉曼光譜

圖4為堿化處理(加入輕微過量的NaOH試劑)后的低濃度NaHCO3溶液拉曼光譜曲線,在各光譜曲線的1016cm-1、1364cm-1處仍無碳酸氫根的拉曼光譜特征峰出現,但可以直觀地觀察到位于 1065cm-1的 CO32-特征拉曼譜峰,這說明對溶液進行堿化處理后達到了將待測對象(HCO3-)轉化為拉曼活性更強的物質(CO32-)的目的.而且,根據對經堿化處理的溶液探測獲得的拉曼光譜曲線及數據(表2)觀察可以發現,碳酸根CO對稱伸縮振動(υ1)譜峰的強度是隨濃度的增加而增強的,這就定性地證明了溶液堿化輔助的低濃度HCO3-的拉曼定量分析是可行的.

圖3 低濃度NaHCO3溶液的拉曼光譜Fig.3 Raman spectra of aqueous NaHCO3solutions at 1,2,3mol/L

圖4 堿化處理后的低濃度NaHCO3溶液拉曼光譜Fig.4 Raman spectra of aqueous NaHCO3solutions at low concentrations after alkalization

表2 堿化處理后的低濃度NaHCO3溶液的拉曼光譜數據Table 2 Raman spectra parameters of NaHCO3solutions at low concentrations after alkalization

3.3 CO32-拉曼定量分析與HCO3-濃度反演

圖 5(a)為探測到的定標溶液(Na2CO3溶液)的拉曼光譜,在1065cm-1附近可觀察到明顯的特征峰,并且譜峰高度、半高寬和面積隨碳酸根離子濃度增加而變大.表 3為探測獲得的不同濃度CO32-溶液的拉曼光譜數據,根據拉曼光譜內標定原理,對 CO32-溶液濃度(mmol/L)與標準化拉曼光譜強度 I*CO32-用數據分析軟件進行二次多項式擬合,回歸曲線如圖5(b),函數關系如下:

圖5 不同濃度CO32-的拉曼光譜曲線(a)及濃度與拉曼光譜標準化強度的關系(b)Fig.5 Raman spectra of aqueous CO32-solutions at different concentrations (a) and the depend ence of CO32-molarity on the standardized Raman spectral intensity (b)

表3 不同濃度Na2CO3水溶液的拉曼光譜數據Table 3 Raman spectra parameters of aqueous Na2CO3solutions at different concentrations

由圖 5(b)和式(6)可知,基于內標定法的拉曼光譜定量分析技術對水溶液中CO32-濃度分析具有良好的精度,回歸曲線的相關系數 R2為0.99978,證明拉曼光譜技術對于水溶液中碳酸根離子濃度的定量分析具有很高的精確度.使用式(6)對采集到的堿化的低濃度碳酸氫鈉溶液中碳酸根離子的標準化強度數據進行計算,得到拉曼定量分析的低濃度的碳酸氫鈉溶液濃度如表 4,所得濃度的相對誤差<6.5%,這一結果證明通過對溶液進行堿化處理后拉曼定量分析是可行的.

同時,海水中存在較多的Ca2+、Mg2+(平均濃度分別為53.25,10.27mmol/L),二者與CO32-生成CaCO3、MgCO3的溶解度分別為1.3,0.93mmol/L.所以,在真實海水溶解無機碳測定時,還需要預先對進樣添加適量硅酸鈉(Na2SiO3)使 Ca2+沉淀析出,Mg2+則在樣品堿化處理時生成Mg(OH)2沉淀.對于如何進一步提高測試精度,以及本研究在海水中溶解無機碳(DIC)的定量分析實際應用的相關問題(進樣及試劑添加裝置的研制)將是下一步研究的方向.

表4 HCO3-濃度反演計算值及其相對誤差Table 4 Calculated HCO3-concentrations and the relative errors

4 結論

4.1 提出了一種樣品堿化輔助的拉曼定量分析方法,并以海水溶解無機碳中拉曼活性最低、占比例最大的 HCO3-為研究對象進行了可行性實驗研究與分析.通過堿化處理將溶液中的 HCO-3轉化為拉曼散射活性更強的 CO32-,有效提高了拉曼光譜系統對 HCO3-的檢出限.定量分析使用內標定法,選取水在～1635cm-1附近的O-H彎曲振動譜帶作為定量分析的標定物.

4.2 結果顯示,該方法對與海水中濃度相當的低濃度 HCO3-溶液的定量分析具有良好的精度(相對誤差<6.5%).

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Feasibility investigation of quantitative analysis of dissolved inorganic carbon by Raman spectrometry.

TIAN Zhi-xian1,2, ZHANG Xin1, LIU Chang-ling3, MENG Qing-guo3, YAN Jun1
(1.Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.Key Laboratory of Gas Hydrate, Ministry of Land and Resources, Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China). China Environmental Science, 2014,34(10)：2631～2636

The mean concentration of dissolved inorganic carbon(DIC) in seawater is about 2.05mmol/L. Approximately 93% of DIC is HCO3-, 6% is CO32-, and only 1% is CO2and H2CO3. Since Raman activity of HCO3-is weak and the concentration of other species is low, it is impossible for DIC in seawater to generate Raman scattering that is intense enough to be detected. There is no report on quantitative analysis of DIC in seawater using Laser Raman Spectrometry so far. In order to break through the limitation, a Raman spectroscopy quantitative analysis method assisted with sample alkalization was proposed. HCO3-was treated as study object because it takes the largest share and the Raman activity of it was the weakest among all DIC species. The solution was alkalized to convert HCO3-into CO32-which was more Raman active. OH bending band of water was treated as the internal standard for its stability. The Raman spectroscopy analysis detecting limit of HCO3-was increased, and the quantitative analysis result showed good accuracy (relative error<6.5%).

t：sea water；dissolved inorganic carbon (DIC)；Raman spectroscopy；quantitative analysis；bicarbonate

X145

：A

：1000-6923(2014)10-2631-06

田陟賢(1987-),男,山東菏澤人,中國科學院海洋研究所博士研究生,主要從事海洋地質研究.

2013-12-11

國家自然科學基金項目(41006059);中國科學院戰略性先導科技專項(XDA11040301)

* 責任作者, 副研究員, xzhang@qdio.ac.cn