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覃园园, 肖康, 杨艳蓉, 秦娟娟, 周雪明, 郭送军, 陈荣志, 谭吉华, 余金兰, 贺克斌. 基于三维荧光光谱的大气颗粒物水溶性有机物对pH值响应特性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2020,40(6): 1668-1673.
QIN Yuan-yuan, XIAO Kang, YANG Yan-rong, QIN Juan-juan, ZHOU Xue-ming, GUO Song-jun, CHEN Rong-zhi, TAN Ji-hua, YU Jin-lan, HE Ke-bin. Research on Respond of Water-Soluble Organic Compounds in Atmospheric Particulate to pH Based on Three Dimensional Excitation-Emission Matrix[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020,40(6): 1668-1673.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2020)06-1668-06  
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基于三维荧光光谱的大气颗粒物水溶性有机物对pH值响应特性研究
覃园园1, 肖康2,4, 杨艳蓉2, 秦娟娟2, 周雪明2,3, 郭送军1, 陈荣志2, 谭吉华2,*, 余金兰2, 贺克斌4
1. 广西大学资源环境与材料学院, 广西 南宁 530004
2. 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049
3. 中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
4. 清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室, 北京 100084
*通讯联系人 e-mail: tanjh@ucas.ac.cn

作者简介: 覃园园, 女, 1995年生, 广西大学资源环境与材料学院硕士研究生 e-mail: 799443629@qq.com

收稿日期: 2019-03-25
基金: 国家自然科学基金项目(41675127, 41475116)资助
摘要

三维荧光光谱(3DEEM)是表征大气颗粒物中水溶性有机物(WSOC)化学组成与官能团的有效工具, 目前所报道的应用3DEEM分析WSOC仅局限于荧光强度及其指标研究。 由于大气颗粒物pH值变化范围大(0~9), WSOC形成、 传输和转化过程易受pH值的影响。 因此, 研究pH值对WSOC荧光特性的影响, 对于加深了解WSOC的环境效应以及化学结构组成具有重要意义, 然而关于pH值对大气颗粒物中WSOC荧光特性影响的研究还未见报道。 在此基础上, 采用三维荧光光谱研究北京市大气细粒子中WSOC荧光特征, 并着重考察WSOC在不同pH值(2~8)条件下荧光光谱特征的变化情况。 研究表明, 大气细粒子中WSOC荧光主要成分包括类腐殖质、 类色氨酸和新生成有机物质。 进一步研究发现, WSOC荧光峰位置、 荧光强度和荧光指数对pH取值敏感。 WSOC荧光强度在pH值为3左右时达到最大值, 推测是羧基质子化达到最强的结果, 然而, 当pH值大于3时, 荧光强度变化则呈现相反趋势, 随pH值增大明显下降, 可能是由于分子间与分子内的氢键作用增强造成的。 另外, 夏季WSOC类色氨酸荧光峰随pH值升高略有红移现象, 表明分子结构中苯环增多, 共轭度增加。 相对于其他荧光物质, 类腐殖质受溶液pH值影响更显著。 通过对pH值与荧光指标进行相关性分析发现, WSOC荧光基团结构具有季节性差异。 pH值与自生源指数(BIX)呈显著负相关性, 随pH值的增大明显下降。 而pH值与Peak T/C(荧光峰T与荧光峰C的荧光强度比值)呈显著正相关性( p<0.01), 随pH值的增大明显升高, 说明低pH值不利于有机物的生物降解。 腐殖化指数(HIX)和荧光指数(FI)随pH值增大先升高后降低, 其值变化范围分别为1.6~3.64和0.8~1.94。 通过对三维荧光光谱分析发现pH值是影响WSOC荧光特性的一个重要因素, 在表征WSOC光学特性或其他性质时, 还应考虑pH值对WSOC的影响。

关键词: 北京; pH; 水溶性有机物; 大气细粒子; 三维荧光光谱
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Research on Respond of Water-Soluble Organic Compounds in Atmospheric Particulate to pH Based on Three Dimensional Excitation-Emission Matrix
QIN Yuan-yuan1, XIAO Kang2,4, YANG Yan-rong2, QIN Juan-juan2, ZHOU Xue-ming2,3, GUO Song-jun1, CHEN Rong-zhi2, TAN Ji-hua2,*, YU Jin-lan2, HE Ke-bin4
1. School of Resources, Environment and Materials, Guangxi University, Nanning 530004, China
2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
4. State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
*Corresponding author
Abstract

Three dimensional excitation-emission matrix spectra (3DEEM) is an effective tool for characterizing the chemical composition and functional groups of water-soluble organic compounds (WSOC) in atmospheric particulate, at present, the report of WSOC was analyzed by 3DEEM just in fluorescence intensity and its indices. Due to the wide range of pH value of atmospheric particulate (0~9), the formation, transmission and transformation of WSOC in atmospheric particulate are easily influenced by pH. Therefore, studying the effect of pH on the fluorescence characteristics of WSOC is important for further understanding the environmental effects and chemical composition of WSOC, however, the effect of pH on the fluorescence characteristics of WSOC has not been reported. On this basis, 3DEEM was used to investigate the fluorescence characteristics of WSOC in PM2.5 in Beijing, and focused on the changes of fluorescence characteristics of WSOC under different pH (2~8). Humic-like, tryptophan-like and freshly produced organic matter were found to be the main fluorescence substances of WSOC in PM2.5. The further studying showed that the fluorescence peak position, fluorescence intensity and fluorescence indices of WSOC were sensitive to pH. The fluorescence intensity reached the maximum when pH was about 3, which may be the result of the maximum carboxyl protonation, the fluorescence intensity showed an opposite trend when the pH was more than 3, and decreased significantly with the increasing pH, which was probably caused from enhanced of hydrogen bonding between intermolecular and intramolecular. In addition, the fluorescence peak of tryptophan-like appeared a slightly red shift with the increasing of pH in summer, suggested the increasing benzene ring and degree of conjugation in the molecular structure of WSOC. Comparing to other fluorescent substances, the humic-like substance was more easily influenced by pH. The statistical correlation analysis between pH and fluorescence indices exhibited seasonal differences in fluorophore structure of WSOC. Biological index (BIX) had a significant negative correlation with pH, and decreased significantly with the increasing of pH. While pH was a significant positive correlation with Peak T/C (the intensity ratio of peak T to peak C) ( p<0.01), and Peak T/C increased significantly with the increasing of pH, it indicated that low pH was not conducive to the biodegradation of organic matter. Fluorescence index (FI) and humification index (HIX) increased first and then decreased with increasing of pH, and the range of values varied from 1.6~3.64 and 0.8~1.94, respectively. Through the analysis of 3DEEM, it was found that pH was an important factor affecting the fluorescence characteristics of WSOC, the effect of pH should be considered when characterizing the optical properties or other properties of WSOC.

Keyword: Beijing; pH; Water-soluble organic compounds; Atmospheric fine particles; Three dimensional excitation-emission matrix
引言

水溶性有机物(water-soluble organic compounds, WSOC)是大气气溶胶的重要组成部分[1], 通常占大气有机气溶胶的10%~80%。 WSOC含有各种复杂官能团, 因其复杂多样的光学特性能够对气候变化产生直接或间接影响而受到广泛关注[2]。 三维荧光光谱(three dimensional excitation-emission matrix, 3DEEM)分析作为一种新型光谱分析技术, 具有高灵敏、 高识别和不破坏样品结构等优点, 被广泛应用于表征可溶性有机物, 但这些研究主要集中在水环境, 对大气颗粒物中WSOC荧光特性的研究较少[2, 3, 4]。 Qin等通过3DEEM发现WSOC存在与水环境中水溶性有机物(dissolved organic matter, DOM)相似的荧光峰[2], Mladenov等采用3DEEM并结合平行因子分析法(parallel factor analysis, PARAFAC)首次对城市大气中WSOC的光学特性进行分类[4]。 但这些研究仅局限于荧光强度及其指标研究。

pH值是影响WSOC形成、 传输和转化的重要因素之一, 此外, pH值还是影响DOM荧光强度的关键因素之一。 目前已有学者研究pH值对秸秆和渗沥液等样品中水溶性有机物荧光特性的影响[5], 发现在不同pH值条件下荧光强度会发生变化。 因此研究pH值对大气颗粒物中WSOC荧光特性的影响具有重要意义。 尽管大气颗粒物pH值易受排放源、 气象条件和大气化学过程的影响, 存在较大的变化范围(pH 0~9)[6], 但pH值对WSOC荧光特性影响的研究还未见报道。 本研究通过收集北京大气细粒子, 提取其水溶性有机物, 采用3DEEM首次研究pH值对大气颗粒物中WSOC荧光特性的影响。 研究结果对于加深了解WSOC的环境效应以及化学结构组成具有重要意义, 同时为对WSOC进一步研究提供一定的基础数据和理论依据。

1 实验部分
1.1 采样

采样点设在故宫博物院大气环境监测站点(39° 55'N, 116° 24'E), 周围没有明显污染源。 PM2.5样品使用大流量采样器(Graseby-Andersen, GMW High Volume Air采样器)采集。 采样前将Whatman石英滤膜放入马弗炉中进行高温处理以去除残留有机物, 采样后将样品用铝箔纸包好, 并置于冰箱中冷藏保存。

1.2 样品处理

选取2片夏季滤膜(S1, S2)和2片冬季滤膜(W1, W2)用冲子切取后放入螺口瓶中。 用超纯水超声提取, 再经0.22 μm滤膜过滤, 最终得到WSOC提取液。 移取上述WSOC提取液于玻璃瓶中, 用NaOH和HCl溶液将样品pH值分别调节至2~8。 使用pH计(Bante902, 上海)测定溶液pH值(每次使用前均用pH 4.00, 6.86和9.18标准缓冲溶液进行两点校正)。

1.3 方法

WSOC浓度: 采用TOC分析仪(multi N/C3100, 耶拿, 德国)测定。

3DEEM分析: 采用荧光分光光度计(F-7000, 日立, 日本)测定WSOC溶液3DEEM。 设定条件为: 电压为700 V, 扫描速度为2 400 nm·min-1, 激发波长(Ex)为200~400 nm, 发射波长(Em)为250~500 nm, Ex和Em的扫描间隔均为5 nm。 并采用紫外-可见分光光度计(UV-2401PC, 岛津, 日本)在波长为200~500 nm测定吸收光谱。

1.4 数据处理

原始3DEEM数据的校正和标准化经过如下处理[7]: (1)将样品的三维荧光值减去空白值进行背景校正; (2)利用MATLAB软件结合插值技术扣除一阶和二阶瑞利和拉曼散射光; (3)以紫外-可见吸收光谱来进行内滤效应的校正; (4)最后荧光强度以纯水的拉曼峰积分进行标准化, 其结果以拉曼单位(R.U.)表示。

采用SPSS软件对不同pH值的荧光指标进行Spearman相关性分析。

2 结果与讨论
2.1 pH值对大气颗粒物中水溶性有机物三维荧光光谱的影响

为了明确WSOC三维荧光光谱分区特性和化学组成, 分析了故宫大气WSOC样品的3DEEM(pH 6.01), 如图1所示。 区域Ⅰ 和Ⅱ 代表芳香性蛋白类色氨酸和酪氨酸物质, 区域Ⅲ 代表富里酸类物质, 区域Ⅳ 代表可溶性微生物类物质, 区域Ⅴ 代表腐殖酸类物质。 强荧光峰A(Ex=225~265 nm, Em=349~435 nm)被归类于紫外区类腐殖质。 位于Ⅳ 区域的吸收峰属于类色氨酸物质(T峰)。 另一个荧光峰为β 峰, 被认为是新生成有机物质[8]。 说明WSOC荧光主要成分包括类腐殖质、 类色氨酸和新生成有机物质。

图1 大气颗粒物中WSOC三维荧光光谱Fig.1 3DEEM of WSOC in atmospheric particles

3DEEM在一定程度上能反映WSOC的化学组成与官能团情况。 不同pH值WSOC的3DEEM如图2所示。 相对于其他荧光峰, 荧光主峰A荧光强度最强, 因此受pH值影响最显著, 说明腐殖质表示的官能团易受氢离子释放的影响。 相反, 夏季T峰发射波长随pH升高略有红移现象, 表明WSOC类蛋白物质分子结构中苯环增多, 共轭度增加。 He等[9]研究也发现水环境DOM中T峰随溶液碱度的增加而发生红移。 弱肩峰α 被归类为老化有机物, 在低pH值下的荧光光谱中能被观察到, 当pH值为8时, α 峰几乎消失。 由此可见pH对不同荧光峰影响程度不同。

图2 不同pH值WSOC三维荧光光谱Fig.2 3DEEM of WSOC under different pH value

2.2 pH值对大气颗粒物中水溶性有机物荧光强度的影响

故宫大气颗粒物WSOC提取液原始pH值分别为5.87, 5.86, 6.01和5.75。 如图3所示, pH值能导致WSOC单位TOC平均荧光强度发生明显变化。 随pH值增大, WSOC荧光强度先升高后降低。 荧光强度最高值出现在pH为3左右。 当pH值大于3时, 荧光强度随pH值增大而逐渐减弱。 而S2样品在pH为7时荧光强度变化呈现相反趋势, 有研究表明腐殖质组分中的羧基和酚类基团的解离常数约在3.6~8和7~10.5范围[10], 推测是样品腐殖质组分中羧基或酚类基团密度较高, 当pH为7时, 羧基或酚类基团发生解离而产生高荧光强度。 冬季WSOC荧光强度对溶液的酸碱度较敏感, 由于不同季节WSOC结构及化学组成成分存在差异, 导致其受pH值影响程度不同。 因此pH值对WSOC荧光基团的影响不容忽视。

图3 不同pH值WSOC单位TOC平均荧光强度Fig.3 Fluorescence intensity per TOC of WSOC with different pH value

2.3 pH值对大气颗粒物中水溶性有机物三维荧光指标的影响

三维荧光指标经常被用来推断荧光物质来源或其转化过程。 HIX一般用来指示物质腐殖化程度; BIX用来衡量原生生物活性; FI具有指示微生物来源的作用; Peak T/C能反映有机物生物降解性。 但荧光指标是否适用于指示不同pH值的物质迁移转化, 还需进一步验证。

本研究中荧光指标随pH值变化如图4所示。 为进一步探讨荧光指标变化与pH值关系, 对pH值与荧光指标进行Spearman相关性分析, 结果列于表1中。 HIX和FI随pH值的增大先升高后降低, 其值变化范围分别为1.6~3.64和0.8~1.94, 表明WSOC来源属于微生物与陆源输入混合[2]。 BIX与pH值之间呈显著负相关性, 随pH值的增大明显下降。 冬季Peak T/C与pH值呈显著正相关性(p< 0.01), 随pH值的增大而升高, 可能意味着WSOC荧光基团结构具有季节性差异。 前文已论述pH值(3~8)越大, 荧光峰荧光强度越弱, 说明相对于T峰, C峰受pH影响程度更强, 因此低pH值不利于有机物的生物降解。 三维荧光指标变化表明pH值对WSOC组分迁移转化有重要影响。

图4 不同pH值WSOC荧光指标变化Fig.4 Fluorescence indices of WSOC with different pH value

表1 pH值与荧光指标相关性分析 Table 1 The correlation analysis between pH value and fluorescence indices
2.4 pH值对大气颗粒物中水溶性有机物三维荧光光谱影响机制分析

本文在一定程度上揭示了WSOC荧光光谱与pH值的响应关系。 在大气环境中受其他因素干扰下, pH值对WSOC的影响往往比实验条件下更复杂多变。 有必要进一步探讨pH值对WSOC三维荧光光谱响应机制。

在pH值为2~3时, WSOC荧光强度逐渐增强, 推测是由于羧基质子化在pH为3时达到最强, 导致荧光强度增强。 已有研究表明pH在3~5之间, 羧基对荧光变化有重要影响, 当pH在8至10之间, 酚醛基团的影响占主导地位[11]。 另外, 可激发电子分子轨道的改变也会使荧光强度发生变化[12]。 随pH的进一步增大(3~8), 可能是分子间与分子内的氢键作用增强使荧光分子聚集, 导致荧光强度随pH增大而降低。 另一方面, WSOC含有羰基等配位基团, pH能对WSOC与污染物相互作用造成影响, 从而导致WSOC出现荧光猝灭现象。 但S2样品在pH为7时荧光强度明显增强, 可能是弱羧基或强酚类官能团解离的结果。 HIX在pH 4时出现较大值, 可能是腐殖质中的羧基发生解离造成的。 除了羧基和酚类基团外, 烯醇化合物也能影响分子构型, 其pKa在6~9之间[13], Peak T/C在pH为6时迅速增大可能与这些官能团有关。

3 结论

(1) pH值显著影响WSOC荧光特性。 pH值对不同荧光峰的影响有所不同, 类腐殖质荧光强度最强, 因此受pH值影响最明显。 此外, 夏季WSOC类色氨酸荧光峰随pH值升高略有红移现象。

(2) pH值显著影响WSOC荧光强度。 影响过程可分为两个阶段, pH值为2~3时, 荧光强度增强, 可能与荧光基团结构有关。 当pH> 3时, 分子间与分子内的氢键作用增强, 导致荧光强度随pH值增大而下降。

(3) pH值显著影响三维荧光指标。 BIX与Peak T/C对pH取值敏感, 与pH值呈显著相关性。 荧光指标变化表明WSOC来源属于微生物与陆源混合输入。

参考文献
[1] Xiang P, Zhou X, Duan J, et al. Atmospheric Research, 2017, 183: 104. [本文引用:1]
[2] Qin J, Zhang L, Zhou X, et al. Atmospheric Environment, 2018, 184: 203. [本文引用:4]
[3] Fu P, Kawamura K, Chen J, et al. SCI REP, 2015, 5(5): 9845. [本文引用:1]
[4] Mladenov N, Reche I, Olmo F J, et al. Journal of Geophysical Research Biogeosciences, 2010, 115: 11. [本文引用:2]
[5] ZHENG Shu-ping, LI Ya-jing, SUN Li-ping(郑淑平, 李亚静, 孙力平). Environmental Engineeing(环境工程), 2013, 31(4): 123. [本文引用:1]
[6] Phillips S M, Bellcross A D, Smith G D. Environmental Science & Technology, 2017, 51(12): 6782. [本文引用:1]
[7] Xiao K, Sun J Y, Shen Y X, et al. RSC Advances, 2016, 6(29): 24050. [本文引用:1]
[8] Xiao K, Liang S, Xiao A, et al. Environmental Science: Water Research & Technology, 2018, 4: 281. [本文引用:1]
[9] He X S, Xi B D, Wei Z M, et al. Journal of Hazardous Materials, 2011, 190(1): 293. [本文引用:1]
[10] Xiao K, Shen Y, Liang S, et al. Journal Membrane Science, 2014, 467(467): 206. [本文引用:1]
[11] Ballesteros S G, Costante M, Vicente R, et al. Photochemical & Photobiological Sciences, 2017, 16(1): 38. [本文引用:1]
[12] Henderson R K, Baker A, Murphy K R, et al. Water Research, 2009, 43(4): 863. [本文引用:1]
[13] ZHANG Peng, HE Xiao-song(张鹏, 何小松). Environmental Chemistry(环境化学), 2016, 35(7): 1500. [本文引用:1]