環境樣品中黑炭檢測方法研究進展和生物監測展望分析

摘要：主要以環境樣品中黑炭檢測方法研究進展和生物監測展望為重點進行闡述，首先進行黑炭與炭黑的基本概述，其次從應用化學熱氧化法、應用其他化學氧化法、應用分子標志物法、應用光學分析法幾個方面深入說明并探討環境樣品中黑炭檢測方法，最后闡述由黑炭檢測引發的生物監測展望思考。

關鍵詞：環境樣品；黑炭檢測方法；生物監測；展望思考

黑炭，即顆粒物體內具備吸收光性能的一個成分。不管是化石燃料的燃燒，或者是生物質燃料的燃燒，都有可能生成黑炭。可以理解為：黑炭是在熱裂解情況下生成的不規則與微晶狀石墨結構。機體吸入黑炭之后，在血液循環系統的作用下，黑炭和機體的多個器官相結合，打破了生物屏障并侵害機體靶標組織，具備顯著的毒性。在環境樣品的管理中，研究黑炭檢測方法，對生物監測過程進行展望和研究具有重要意義。

1黑炭與炭黑的基本概述

結合相關的文獻資料，黑炭定義尚未比較確切，其作為顆粒物中存在一定吸收光性能的成分，特別是化石、生物質等燃料燃燒，黑炭顆粒的基本尺寸在10 nm～1 mm，且煙塵之內的碳元素含量不超過顆粒總質量的50%。分析黑炭的三維體系，以納米到毫米的范圍呈現出不相同的層狀結構，一般通過細顆粒物的狀態和大氣接觸，對大氣產生污染內的黑炭粒徑為0.01～1.00 nm，在一定程度上可以被人體吸收［1］。沒有全部燃燒的副產品，在沉降的作用下會和土壤或者巖石結合，甚至和海水相結合。黑炭的特征有3種，首先是土壤內芳香族碳含量超過非黑炭物質內的碳含量指數；其次是黑炭屬于混合物，不只是有低炭化的組成成分，還有微晶石墨的組成成分，特別是通過熱解條件影響；最后是高比表面積的多孔縫隙結構。在實際操作中，如果過多使用含碳材料，會增加人們對黑炭以及炭黑兩種物質進行區分的難度。炭黑和黑炭的本質差異是，炭黑屬于商業化碳氫化合物燃燒的產物，對應的粒徑以及顆粒聚集程度有所差異。且與純元素碳的石墨形式有所相似，可萃取無機物的含量相對少一些［2］。換言之，黑炭以及炭黑都是以碳元素為主要成分，含有一定的氧元素和氫元素，利用電子顯微鏡或者投射電子顯微鏡加以觀察和檢測，能夠初步了解到各自物質的粒子形態和粒子大小。在環境健康的分析中，相關人員需要從兩種物質的本質入手，對黑炭進行概念總結，即不完全燃燒物質和空氣中接觸的含有碳元素顆粒，統一理解為黑炭。

2環境樣品中黑炭檢測方法介紹

對環境樣品中的黑炭濃度進行分析，不僅可以促進氣候變化研究工作的開展，還可以強化空氣質量監督效率，對社會和諧建設帶來積極影響。環境樣品中的黑炭檢測，包含多樣化的檢測方法，可是環境專家對檢測方法的可行性和認可度依舊需要達成共識，若不相同的研究隊伍人員對相同樣品的數據進行研究，存在形成共識和數據共享難度［3］。所以檢測黑炭過程中，應采取科學的手段，比如關聯環境健康尺度對黑炭污染情況與機體疾病生成的關系進行呈現，挖掘黑炭顆粒物的毒性效應。

2.1應用化學熱氧化法

把黑炭以及炭黑進行對比，化學熱氧化法通過熱穩定性的指標實現目標，一般來講此種方式與無機碳去除的化學干預流程息息相關，化學熱氧化法以無機碳的去除條件、溫度是350 ℃，燃燒12 h等提高物質檢測準確性，從而發揮碳元素分析的效用，落實黑炭的分離。對于化學熱氧化法，更多運用在土壤檢測之中以及沉積物的黑炭檢測之中，第一個形式：借助氫氧化鈉和硝酸對非黑炭的OC進行去除，處于340攝氏度的環境實施氧氣流熱氧化2 h的操作，結論是黑炭的氫碳比不超過0.2，代表著芳香性指數比較高；第二個形式：借助HCl預處理的方式處于375攝氏度溫度中進行熱氧化操作18小時，結論是熱氧化之前利用鹽酸處理的過程，完全釋放有機物，黑炭放射性碳信號和熱原多環芳烴存在相似性［4］；第三個形式：通過預處理以及原位濕預處理等方式，關聯化學熱氧化法標準加入法，結論是金屬氧化物存在催化作用，引出基質效應強化氧化過程，對溫度調整在360攝氏度的指數，讓柴油煙塵的物質回收率滿足98%左右的指數。375攝氏度條件下金屬氧化物的回收率在76%，標準加入法能夠直接對不同含量的黑炭加以檢測；第四種形式：處于60～600攝氏度環境中實施熱氧化18小時，對沉積物的含量進行評估，起到黑炭定量催化的效果、結論是化學熱氧化法可作用在煙塵的檢測之中，或者分析高溫環境中焦炭的含量，若溫度是375攝氏度，測量黑炭難以保障穩定性，在小于溫度指數時，能夠在被人工檢測的形式下被判斷為細菌纖維素。即使是在經常運用的方式中，化學熱氧化法存在不足，尤其是黑炭的含量比較高，由于燃燒過程非黑炭有機物炭化過程會形成全新的黑炭，應嘗試利用樣品全方位研磨黑炭，促使其存在于空氣中排除炭化風險。

2.2應用其他化學氧化法

通過其他化學氧化法，也是檢測環境樣品中黑炭含量的思路，即以黑炭以及非黑炭具備的穩定性差異進行區分，引進不相同氧化強度的試劑進行具體劃分，方式可包含過氧化氫類型、酸性重鉻酸鹽類型以及硝酸類型。在一些化學熱氧化法的應用過程中，為增加化學與處理流程對有機物進行排除，一些處理流程有可能出現黑炭粒徑損失［5］。第一種類型：過氧化氫氫氧化鉀溶液氧化、紅外分光光度計檢測黑炭，結論是此種模式更多適用于天然材料的檢測；第二種類型：濃硝酸化學氧化，對黑炭的元素含量進行研究，結論是氧化60小時對沉積物內的非黑炭加以排除，所以可適當延長氧化時間，達到物質去除的目的；第三種類型：和基礎方式互相對比，處于23攝氏度環境引進酸性重鉻酸鉀溶液進行氧化處理，按照元素研究黑炭檢測的思路，統計碳損失以及氧化時間兩者的實際關系，結論是因為氧化半衰期的差異，即油煙的溫度在4 500 h左右、商用木炭在500 ℃左右，基于50攝氏度的環境加以化學氧化，檢測黑炭的濃度是有所相似的［6］。基于此，利用過氧化氫法對環境樣品中的黑炭進行檢測，能夠將難熔的材料碳分離出來，對經常作用在土壤之內的黑炭進行檢測。酸性重鉻酸鹽法是化學氧化的典型模式，可是由于環境樣品的種類呈現差異，所以相關人員要給予不相同樣品的質量進行統計，需要消耗一定的時間以及精力。

2.3應用分子標志物法

在環境樣品中黑炭的檢測上，以苯多羧酸分子為標志物，以高溫高壓為基礎進行黑炭的氧化處理，苯環會有所裂解以及氧化。其中羧酸以及硝基被運用在苯環的處理上，構建出對應的多羧酸。結合檢測苯多羧酸分子標志物法，內在結構比較獨特，可以初步描述黑炭的性質，對黑炭的起源充分研究。部分研究可以明確，在稠環結構出現氧化時，黑炭會朝著苯多羧酸分子標志物分子方向變化。部分苯多羧酸分子標志物分子不會在自然狀態中生成，所以要通過特異性的模式實現黑炭指代，研究工作者要結合特異性苯多羧酸分子標志物的含量實現黑炭的指代，苯多羧酸分子標志物法目前可作用在土壤檢測、煤焦檢測、沉積物檢測以及水的檢測上。苯多羧酸分子標志物法利用黑炭的生成物濃度對黑炭水平的評測4種形式：第一種形式，對環境樣品加以170攝氏度的溫度預處理4小時，隨后把碳酸鹽以及多價陽離子去除，借助170攝氏度的溫度實現濃硝酸消化處理，這樣稠環芳香結構可有機變為苯多羧酸分子標志物，還可通過氣相色譜法轉變為苯多羧酸分子標志物；第二種形式，因為鄰苯二甲酸在強酸環境內具備顯著穩定性，所以要把鄰苯二甲酸實施濃硝酸處理，起到取替檸檬酸的作用；第三種形式，通過固相萃取富集黑炭的方法，不需要實施鹽酸以及三氟乙酸的處理，直接把硝化溫度設定在160攝氏度，時間延長到9小時，后續借助二極管陣列進行苯多羧酸分子標志物的檢測［7］；第四種形式，化合物放射性碳研究苯多羧酸分子標志物，涉及稠環芳香烴實際的氧化過程、苯多羧酸分子標志物提取過程以及苯多羧酸分子標志物凈化過程，借助氣體離子添加器進行二氧化碳測量，起到檢測環境樣品中黑炭檢測的效果。即便理論層面黑曲霉菌可能生成苯六羧酸，高溫的情況下會引起硝酸氧化分解，包含大量雙鍵化合物會朝著苯環形式轉變。同位素分析作為追溯黑炭的先進技術，借助穩定碳同位素以及放射性碳同位素互相結合的操作，精確化實現黑炭的來源追蹤，那么苯多羧酸分子標志物法可更多實現黑炭的氧化操作以及定量操作，充當比較規范化的一種手段。

2.4應用光學分析法

光學分析法對環境樣品中黑炭進行檢測，主要應用的是激光誘導白光發射的手段，通過生物檢測獲取環境中的樣品，內在原理是采取多光子激光掃描顯微鏡進行黑炭顆粒照射，此顆粒可出現非白熾光，所以應結合白光光斑的形式對黑炭顆粒進行全方位計數。無標記的檢測思路存在一定優勢，即利用多光子顯微方式記錄3D剖面圖，直接對黑炭顆粒進行可視化研究，這一個方式更多應用在實驗室檢測上，實現了黑炭的檢測。不足之處是激光誘導白光發射需要建立在顯微平臺的應用基礎之上，針對宣傳到生物檢測實驗室之中體現出顯著局限，并且因為分子結構比較獨特，生物組織體系內的顆粒物特征識別也會造成假陽性結果，為此需要研究者有所關注。

3由黑炭檢測引發的生物監測展望思考

黑炭顆粒研究技術，起始是通過環境分析領域中實施的，相關科研工作者不間斷地開發以及整合，依次檢測土壤樣品、沉積物樣品、空氣樣品以及氣溶膠樣品，依舊缺少系統性信息對多個檢測模式的對比過程。后續的環境樣品黑炭檢測，需要傾向于特殊物質開發認證的模式運用，在環境內納米尺度顆粒釋放濃度不斷增加的形勢下，人們越來越多關注了納米黑炭能夠對人體健康產生的影響。納米黑炭直接和人體接觸，同時以多種類型的生物屏障破壞機體的靶器官，要想促進納米顆粒生成的效應，需要提高機體內部穿越生物屏障能力等，急需對環境樣品中納米黑炭的定量研究技術加以開發，順應黑炭效應精準化評估的基本需求。舉例來講，黑炭是替代生物標志物的一種類型，應結合本文的闡述具體分析多樣化黑炭檢測技術使用關鍵點，隨后增加環境樣品的研究容量，讓檢測過程更加具備有效性和時效性。

第一點，由于環境樣品中黑炭熱解態條件呈現差異性，進入機體之中的黑炭成熟度指數出現差異，考慮到生物機體內黑炭結構可能存有匱乏化學特征，思考到生物體具備吸收外源污染物情況和外源污染物代謝情況，黑炭在人體中不相同器官的分布結構表現出不同，排除自身繁瑣的芳香結構，對應邊緣之鏈會在機體生成反應，攜帶未知基團。鑒于黑炭的特征，把黑炭檢測形式應用在環境樣品的檢測上，甚至是對全新的黑炭檢測方法進行開發，都是存在可行性與可靠性的。

第二點，在生物體不斷消化和遷移結束后，樣品中黑炭的具體含量可能小于環境樣品，事先對IC進行清除，化學熱氧化法以及其他檢測方法，分別基于固定溫度燃燒或者利用氧化分解的過程對樣品內有機質加以分解，從而實現黑炭的分離。由于生物樣品的基質以非黑炭有機物為主，燃燒時即便生成少量黑炭，都應該記錄效果不理想［8］。

第三點，質量研究元素儀器的應用上，靈敏度作為影響黑炭檢測效果的一個因素，制約了痕量研究領域的有效應用。通過分子標志物的應用，也應該引進樣品預處理模式，由于包含有機質的樣品能夠在消解流程中有所轉化，那么相關人員要借助預處理的手段實現有機質去除，不然會引出黑炭損失。對生物基質完全分解，后續采取富集的方法采集黑炭顆粒，這也是科學的預處理環境樣品中黑炭的技術。

4結束語

站在化學領域以及環境領域的視角，檢測環境樣品中黑炭涉及較多方式和技術，然而可以作用在生物檢測過程中的方式比較少。從環境衛生的保護上，研究開發黑炭檢測方式十分可行，后續發展中要全面研究黑炭分子水平的毒理學特點以及流行病學特點，相關研究者不斷創新和改進，爭取為美好環境的建設作出貢獻。

參考文獻：

［1］婁春景. 船舶尾氣黑炭測量方法實踐研究［J］. 船舶與海洋工程，2021，37（6）：47-51.

［2］張明，蘇凱，王云白. 環境水土樣品中有機污染物檢測凈化方法［J］. 農業工程技術，2021，41（32）：53-57.

［3］熊巍，陶曉秋，張海燕. 環境和食品中阿維菌素類藥物殘留量檢測方法研究進展［J］. 中國農學通報，2021，37（30）：111-120.

［4］焦艷超. 環境水土樣品中有機污染物檢測凈化方法總結［J］. 中國標準化，2021，（15）：243-246.

［5］ZHOU Ruiguo， LIANG Longchao， XIAO Dean， et al. Characteristics and sources of atmospheric black carbon aerosol pollution in typical plateau mountain cities in southwest China ［J］. The Earth and the Environment，2021，49（4）：375-380.

［6］白冰冰，洪軍，李思思，等. 武漢市大氣干濕沉降中溶解態黑炭的季節分布特征［J］. 地球化學，2021，50（1）：46-55.

［7］馬維宇，韋斯. 環境中的微塑料：賦存、檢測及其危害［J］. 環境監控與預警，2020，12（5）：68-74.

［8］WANG Ruifang. Analysis of fluoride detection methods in environmental monitoring ［J］. Leather Making and Environmental Protection Technology，2020，1（15）：44-48.