李靖雯， 杨柳明， 钱 伟， 彭园珍， 林燕语

(1. 福建师范大学 地理科学学院， 福建 福州 350007；2. 湿润亚热带生态地理过程省部共建教育部重点实验室, 福建 福州 350007)

1 黑炭与苯多羧酸简介

黑炭是由于不完全燃烧的化石燃料和生物形成的[1-2],广泛存在于大气[3-4]、沉积物[5-6]、土壤[7-9]、冰和海水等环境中[10]，其与全球气候、人类健康和环境质量等息息相关[2, 11-12]。黑炭以其稳定性高、不易被氧化等特点,在全球碳循环中通常被认为是土壤中重要碳组成部分,据估计大约有5%～40%的土壤总有机碳主要来自生物燃烧生成黑炭[13]。此外,在大气中,黑炭气溶胶影响地球热辐射平衡,并且是人类呼吸疾病产生的原因之一[14]。随着对黑炭的环境行为关注度不断提高,各种物理、化学方法,包括热学的、化学的、光学的和分子标记方法已经发展到对黑炭的定性和定量分析[2, 15-20]。

苯多羧酸作为一种黑炭的分子标志物,已经广泛用于各种介质中黑炭含量的测定，并且基于不同分子标志物分配特征,苯多羧酸可以追溯黑炭来源、形成条件以及化学稳定性。近年来,色谱分析方法已应用于苯多羧酸的定性与定量分析[20],其中气相色谱法最早用于苯多羧酸测定,但是存在前处理复杂、需要衍生等步骤，降低了分析效率,影响分析通量[21]。高效液相色谱(HPLC)配备二极管阵列检测器进行苯多羧酸的测定,以其前处理简单、无需衍生的特点,改善了分析效率[2, 20, 22]。自2008年Dittmar首次建立了高效液相色谱法以来,已经得到不断改进,并广泛用于不同种类特征黑炭的定性及定量分析。然而液相色谱法需要利用离子对试剂和缓冲盐溶液作为流动相,可能导致分析平衡时间长、降低色谱柱使用寿命等不可预测的问题[23]。

离子色谱在分离有机酸方面具有分离效果好、环境友好等优势,可以用于苯多羧酸测定。基于离子交换机理建立的液相色谱与同位素比质谱仪联用的方法(LC-IRMS)已经用于苯多羧酸中碳稳定同位素分析[24],但该方法具有耗时长、准备工作繁琐、需要大量溶剂和定期维护色谱柱等缺点[2]。相反,配备电导检测器的离子色谱仪在苯多羧酸的分析中具有较大优势,这种系统配备淋洗液发生器和阴离子捕获器,能够自动消除去离子水中的杂质,系统波动小,能够通过梯度洗脱缩短分离时间,并且可以去除系统中的碳酸盐,有利于与同位素质谱联用实现苯多羧酸中碳稳定同位素分析,然而到目前为止,离子色谱法用于苯多羧酸的分离分析还未得到系统的评估。因此本文的主要目的是优化色谱分离条件,建立离子色谱法测定黑炭标志物的新方法,并将其用于热解黑炭样品的分离分析。

2 仪器与试剂

仪器：Dionex ICS-2100型离子色谱仪，包括KOH自动淋洗液发生装置, ASRS 300 4 mm抑制器和电导检测器。

试剂：6种纯苯多羧酸包括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),均购于上海Sigma-Aldrich 公司，6种苯多羧酸的标准溶液采用Milli-Q超纯水,配置体积分数为1 000×10-6,并存放于4 ℃冰箱内。

3 实验

3.1 热解黑炭制备

热解黑炭的原料——桉树叶片采自福州福建师范大学长安山,烘干,研磨,过2 mm筛子；称取300 g研磨后的桉树叶于管式炉(江苏前锦炉业,O-KTF1200)中,在持续通入高纯N2条件下,分别于700 ℃下恒温热解2 h,将热解碳研磨过100目筛,存储于棕色瓶中备用。

3.2 苯多羧酸样品制备

称取1 ～ 2 mg的热解黑炭于2 mL的安瓿瓶中,然后加入0.5 mL的HNO3,密封后放入高压反应釜的聚四氟乙烯内胆中,放入170 ℃烘箱中加热8 h,待冷却后,用氮吹仪在45 ℃条件下将溶液吹干,最后将70 mmol/L NaOH定容至10 mL,溶液待测。

3.3 色谱条件

色谱分析采用IonPac AS11-HC阴离子分析柱(4×250 mm)和IonPac AG11 Guard(4×50 mm)保护柱,设定柱箱温度为30 ℃,流速为1 mL/min,进样量为25 μL。梯度洗脱程序:流动相设定0～15 min内KOH浓度变为70 mmol/L,保持15 min;然后15～20 min内KOH浓度变为90 mmol/L时,保持5 min。

3.4 苯多羧酸定量分析

采用外标法对苯多羧酸进行定量分析,标准曲线的质量浓度范围为0.1 ～ 40.0 mg/L,利用3倍信噪比的标准计算方法得出检测限。由于1,2,3,5-苯四甲酸和1,2,3,4-苯四甲酸没有商业化的标准品,其分析采用1,2,4,5-苯四甲酸的标准曲线进行含量计算。

4 结果与讨论

4.1 色谱条件优化

淋洗液的浓度是影响离子色谱分离的重要因素,如图1所示。当KOH浓度为60 mmol/L时,可以实现苯多羧酸基线分离,但是分析时间过长,且苯五甲酸和苯六甲酸的色谱峰占宽较大(见图1a); 当KOH浓度为75 mmol/L 和80 mmol/L时,虽然显著降低了6种苯多羧酸的分离时间(见图1b和c),但1,3,5-苯三甲酸、1,2,4,5-苯四甲酸无法实现基线分离; 而梯度洗脱既能实现基线分离,又能降低分离时间,即6种苯多羧酸在30 min内均成功实现基线分离(见图1d)。与气相色谱法相比,离子色谱法大大缩短了分离时间,并且无需繁琐的样品前处理和衍生化处理[21]。尽管超高效液相色谱法的分离时间更短(16 min),大约是本方法所需时间的一半[22],但这种方法需要离子试剂和缓冲盐溶液作为流动相,这缩短了色谱柱的使用寿命,并且需要较长的色谱平衡时间。因此,离子色谱法无需有机溶剂、前处理简单,可作为苯多羧酸定性和定量分析的替代方法。

图1 6种苯多羧酸(2 mg·L-1)在不同淋洗条件下的色谱图

4.2 线性范围、检测限

在最优的色谱条件下,得出6种不同浓度的苯多羧酸标准溶液色谱图,如图2所示(图中a—j的浓度分别为0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、40.0 mg/L),6种苯多羧酸质量浓度在0.1 ～ 40.0 mg/L内线性良好,r2≥0.997 9(见表1),按照3倍信噪比计算得到6种本多羧酸的检测限在0.016 50～0.069 08 mg/L之间,与文献报道结果相当。

图2 6种不同含量苯多羧酸标准溶液的色谱图表1 6种苯多羧酸分离的保留时间、线性方程、相关系数、和检测限

分析物保留时间min线性方程r2检测限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(续)

4.3 实际样品分析和加标回收率

采用离子色谱方法对热解碳进行表征和加标回收率实验,结果见图3,与标准色谱图相比较,热解碳经硝酸氧化后的产物中存在5种苯多羧酸,分别是1,2,3-B3CA、1,2,4,5-B4CA、1，2，3，4-B4CA，B5CA、B6CA,并且根据现有文献报道,推断出峰时间为24.50 min的色谱峰为1,2,3,4-B4CA,其含量如表1所示,苯多羧酸主要以B6CA、B5CA为主,这与文献报道的结果相类似,即热解温度高于500 ℃时,热解碳的硝化产物主要以B6CA、B5CA为主。此外,6种苯多羧酸加标回收率在75.2% ～ 101.0%之间(见表2),除1,2,3-B3CA较低外,其他5种加标回收率都高于85%,这说明苯多羧酸在硝酸酸氧化过程中保持稳定,并能够满足定量分析要求。

图3 热解碳色谱图表2 苯多羧酸加标回收率和相对标准偏差

分析物加标检测值mg·kg-1加入量mg·kg-1检测值(mg·kg-1)回收率%相对标准偏差%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 结论

本文基于苯多羧酸的阴离子特性,建立分离分析黑炭标志物——苯多羧酸的阴离子交换离子色谱法,并将其用于表征热解黑炭,6种苯多羧酸的加标回收率在75.2% ～ 101.0%之间,相对标准偏差小于4.3%,表明本方法准确可靠。与其他分析方法相比,本方法具备前处理简单、环境友好等优势,有望提高苯多羧酸的分离分析效率。