離子色譜法測定黑炭標(biāo)志物苯多羧酸的含量

李靖雯， 楊柳明， 錢 偉， 彭園珍， 林燕語

(1. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 福建 福州 350007；2. 濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程省部共建教育部重點實驗室, 福建 福州 350007)

1 黑炭與苯多羧酸簡介

黑炭是由于不完全燃燒的化石燃料和生物形成的[1-2],廣泛存在于大氣[3-4]、沉積物[5-6]、土壤[7-9]、冰和海水等環(huán)境中[10]，其與全球氣候、人類健康和環(huán)境質(zhì)量等息息相關(guān)[2, 11-12]。黑炭以其穩(wěn)定性高、不易被氧化等特點,在全球碳循環(huán)中通常被認為是土壤中重要碳組成部分,據(jù)估計大約有5%～40%的土壤總有機碳主要來自生物燃燒生成黑炭[13]。此外,在大氣中,黑炭氣溶膠影響地球熱輻射平衡,并且是人類呼吸疾病產(chǎn)生的原因之一[14]。隨著對黑炭的環(huán)境行為關(guān)注度不斷提高,各種物理、化學(xué)方法,包括熱學(xué)的、化學(xué)的、光學(xué)的和分子標(biāo)記方法已經(jīng)發(fā)展到對黑炭的定性和定量分析[2, 15-20]。

苯多羧酸作為一種黑炭的分子標(biāo)志物,已經(jīng)廣泛用于各種介質(zhì)中黑炭含量的測定，并且基于不同分子標(biāo)志物分配特征,苯多羧酸可以追溯黑炭來源、形成條件以及化學(xué)穩(wěn)定性。近年來,色譜分析方法已應(yīng)用于苯多羧酸的定性與定量分析[20],其中氣相色譜法最早用于苯多羧酸測定,但是存在前處理復(fù)雜、需要衍生等步驟，降低了分析效率,影響分析通量[21]。高效液相色譜(HPLC)配備二極管陣列檢測器進行苯多羧酸的測定,以其前處理簡單、無需衍生的特點,改善了分析效率[2, 20, 22]。自2008年Dittmar首次建立了高效液相色譜法以來,已經(jīng)得到不斷改進,并廣泛用于不同種類特征黑炭的定性及定量分析。然而液相色譜法需要利用離子對試劑和緩沖鹽溶液作為流動相,可能導(dǎo)致分析平衡時間長、降低色譜柱使用壽命等不可預(yù)測的問題[23]。

離子色譜在分離有機酸方面具有分離效果好、環(huán)境友好等優(yōu)勢,可以用于苯多羧酸測定。基于離子交換機理建立的液相色譜與同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用的方法(LC-IRMS)已經(jīng)用于苯多羧酸中碳穩(wěn)定同位素分析[24],但該方法具有耗時長、準備工作繁瑣、需要大量溶劑和定期維護色譜柱等缺點[2]。相反,配備電導(dǎo)檢測器的離子色譜儀在苯多羧酸的分析中具有較大優(yōu)勢,這種系統(tǒng)配備淋洗液發(fā)生器和陰離子捕獲器,能夠自動消除去離子水中的雜質(zhì),系統(tǒng)波動小,能夠通過梯度洗脫縮短分離時間,并且可以去除系統(tǒng)中的碳酸鹽,有利于與同位素質(zhì)譜聯(lián)用實現(xiàn)苯多羧酸中碳穩(wěn)定同位素分析,然而到目前為止,離子色譜法用于苯多羧酸的分離分析還未得到系統(tǒng)的評估。因此本文的主要目的是優(yōu)化色譜分離條件,建立離子色譜法測定黑炭標(biāo)志物的新方法,并將其用于熱解黑炭樣品的分離分析。

2 儀器與試劑

儀器：Dionex ICS-2100型離子色譜儀，包括KOH自動淋洗液發(fā)生裝置, ASRS 300 4 mm抑制器和電導(dǎo)檢測器。

試劑：6種純苯多羧酸包括1,2,3-苯三甲酸(1,2,3-B3CA)、1,2,4-苯三甲酸(1,2,4-B3CA)、1,3,5-苯三甲酸(1,3,5-B3CA)、1,2,4,5-苯四甲酸(1,2,4,5-B4CA)、苯五甲酸(B5CA)、苯六甲酸(B6CA),均購于上海Sigma-Aldrich 公司，6種苯多羧酸的標(biāo)準溶液采用Milli-Q超純水,配置體積分數(shù)為1 000×10-6,并存放于4 ℃冰箱內(nèi)。

3 實驗

3.1 熱解黑炭制備

熱解黑炭的原料——桉樹葉片采自福州福建師范大學(xué)長安山,烘干,研磨,過2 mm篩子；稱取300 g研磨后的桉樹葉于管式爐(江蘇前錦爐業(yè),O-KTF1200)中,在持續(xù)通入高純N2條件下,分別于700 ℃下恒溫?zé)峤? h,將熱解碳研磨過100目篩,存儲于棕色瓶中備用。

3.2 苯多羧酸樣品制備

稱取1 ～ 2 mg的熱解黑炭于2 mL的安瓿瓶中,然后加入0.5 mL的HNO3,密封后放入高壓反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中,放入170 ℃烘箱中加熱8 h,待冷卻后,用氮吹儀在45 ℃條件下將溶液吹干,最后將70 mmol/L NaOH定容至10 mL,溶液待測。

3.3 色譜條件

色譜分析采用IonPac AS11-HC陰離子分析柱(4×250 mm)和IonPac AG11 Guard(4×50 mm)保護柱,設(shè)定柱箱溫度為30 ℃,流速為1 mL/min,進樣量為25 μL。梯度洗脫程序:流動相設(shè)定0～15 min內(nèi)KOH濃度變?yōu)?0 mmol/L,保持15 min;然后15～20 min內(nèi)KOH濃度變?yōu)?0 mmol/L時,保持5 min。

3.4 苯多羧酸定量分析

采用外標(biāo)法對苯多羧酸進行定量分析,標(biāo)準曲線的質(zhì)量濃度范圍為0.1 ～ 40.0 mg/L,利用3倍信噪比的標(biāo)準計算方法得出檢測限。由于1,2,3,5-苯四甲酸和1,2,3,4-苯四甲酸沒有商業(yè)化的標(biāo)準品,其分析采用1,2,4,5-苯四甲酸的標(biāo)準曲線進行含量計算。

4 結(jié)果與討論

4.1 色譜條件優(yōu)化

淋洗液的濃度是影響離子色譜分離的重要因素,如圖1所示。當(dāng)KOH濃度為60 mmol/L時,可以實現(xiàn)苯多羧酸基線分離,但是分析時間過長,且苯五甲酸和苯六甲酸的色譜峰占寬較大(見圖1a); 當(dāng)KOH濃度為75 mmol/L 和80 mmol/L時,雖然顯著降低了6種苯多羧酸的分離時間(見圖1b和c),但1,3,5-苯三甲酸、1,2,4,5-苯四甲酸無法實現(xiàn)基線分離; 而梯度洗脫既能實現(xiàn)基線分離,又能降低分離時間,即6種苯多羧酸在30 min內(nèi)均成功實現(xiàn)基線分離(見圖1d)。與氣相色譜法相比,離子色譜法大大縮短了分離時間,并且無需繁瑣的樣品前處理和衍生化處理[21]。盡管超高效液相色譜法的分離時間更短(16 min),大約是本方法所需時間的一半[22],但這種方法需要離子試劑和緩沖鹽溶液作為流動相,這縮短了色譜柱的使用壽命,并且需要較長的色譜平衡時間。因此,離子色譜法無需有機溶劑、前處理簡單,可作為苯多羧酸定性和定量分析的替代方法。

圖1 6種苯多羧酸(2 mg·L-1)在不同淋洗條件下的色譜圖

4.2 線性范圍、檢測限

在最優(yōu)的色譜條件下,得出6種不同濃度的苯多羧酸標(biāo)準溶液色譜圖,如圖2所示(圖中a—j的濃度分別為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、40.0 mg/L),6種苯多羧酸質(zhì)量濃度在0.1 ～ 40.0 mg/L內(nèi)線性良好,r2≥0.997 9(見表1),按照3倍信噪比計算得到6種本多羧酸的檢測限在0.016 50～0.069 08 mg/L之間,與文獻報道結(jié)果相當(dāng)。

圖2 6種不同含量苯多羧酸標(biāo)準溶液的色譜圖表1 6種苯多羧酸分離的保留時間、線性方程、相關(guān)系數(shù)、和檢測限

分析物保留時間min線性方程r2檢測限mg·L-11,2,3-B3CA6.23y=0.078 2x+0.028 50.997 90.057 141,2,4-B3CA7.54y=0.087 0x+0.023 30.998 30.016 50

表1(續(xù))

4.3 實際樣品分析和加標(biāo)回收率

采用離子色譜方法對熱解碳進行表征和加標(biāo)回收率實驗,結(jié)果見圖3,與標(biāo)準色譜圖相比較,熱解碳經(jīng)硝酸氧化后的產(chǎn)物中存在5種苯多羧酸,分別是1,2,3-B3CA、1,2,4,5-B4CA、1，2，3，4-B4CA，B5CA、B6CA,并且根據(jù)現(xiàn)有文獻報道,推斷出峰時間為24.50 min的色譜峰為1,2,3,4-B4CA,其含量如表1所示,苯多羧酸主要以B6CA、B5CA為主,這與文獻報道的結(jié)果相類似,即熱解溫度高于500 ℃時,熱解碳的硝化產(chǎn)物主要以B6CA、B5CA為主。此外,6種苯多羧酸加標(biāo)回收率在75.2% ～ 101.0%之間(見表2),除1,2,3-B3CA較低外,其他5種加標(biāo)回收率都高于85%,這說明苯多羧酸在硝酸酸氧化過程中保持穩(wěn)定,并能夠滿足定量分析要求。

圖3 熱解碳色譜圖表2 苯多羧酸加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準偏差

分析物加標(biāo)檢測值mg·kg-1加入量mg·kg-1檢測值(mg·kg-1)回收率%相對標(biāo)準偏差%1,2,3-B3CA8.335.004.5775.24.301,2,4-B3CA4.315.00—86.22.761,3,5-B3CA3.825.00ND76.53.851,2,4,5-B4CA9.545.004.49101.01.25B5CA101.3450.0054.5493.61.54B6CA599.80300.00299.50100.12.13

5 結(jié)論

本文基于苯多羧酸的陰離子特性,建立分離分析黑炭標(biāo)志物——苯多羧酸的陰離子交換離子色譜法,并將其用于表征熱解黑炭,6種苯多羧酸的加標(biāo)回收率在75.2% ～ 101.0%之間,相對標(biāo)準偏差小于4.3%,表明本方法準確可靠。與其他分析方法相比,本方法具備前處理簡單、環(huán)境友好等優(yōu)勢,有望提高苯多羧酸的分離分析效率。