地质环境中生物标志物 GDGTs 分析技术研究进展

甘油二烷基甘油四醚脂(GDGTs)是一类来自于微生物细胞膜脂的新兴生物标志物,广泛存在于海洋、湖泊、土壤、泥炭等环境。在活体细胞中,GDGTs通常以完整极性膜脂(IPL-GDGTs)的形式存在,而在地质环境中主要以脱去极性头基的核心脂(CL-GDGTs)的形式存在。CL-GDGTs结构稳定、不易降解,并且对环境变化响应敏感,因此被认为是重建古气候-古环境变化的有力工具。GDGTs结构复杂、种类多样,在环境中的含量通常较低且常与其他化合物共存,因此分析难度较高,现有技术和方法在其分离、纯化、定量等方面仍然面临挑战。本文总结了近年来GDGTs在分析技术方面的研究进展,概述了GDGTs的分类与结构,对环境中IPL-GDGTs和CL-GDGTs的分离、纯化等方法进行总结和比较,其中CL-GDGTs可选择多种提取方法,而极性较强、热稳定性较差的IPL-GDGTs应尽量选取Bligh-Dyer提取法。普通的分离、纯化通常采用柱层析法,而涉及GDGTs单体分离时,一般采用制备液相色谱法。液相色谱-质谱、核磁共振波谱、气相色谱-同位素比值质谱是GDGTs含量测定、结构鉴定、同位素分析的主要分析手段。本文评述了现有方法的特点和不足,并在此基础上,提出了GDGTs分析技术的发展方向,以期为地质环境中GDGTs的分析研究提供启示和参考。

中国东北干旱-半干旱地区湖泊沉积物木质素酚类化合物特征及其气候指示意义

木质素广泛分布于维管植物,经分解生成的酚类化合物可示踪有机质来源、评估木质素降解程度,进而用于反演古环境与古气候变化。采用合适的分析方法有效地分解木质素是推断母源植物类型、降解程度的技术基础,常规方法是木质素经碱(或酸)解后,利用气相色谱-质谱法(GC-MS)分析酚类单体化合物,但分解、提取过程复杂、易引入杂质。热裂解技术可在高温下快速分解有机质,裂解产物可通过GC-MS进行在线分析,具有用样量少、有机质提取比例高、重现性好、操作便捷的特点。本文选择地处亚洲夏季风影响区域的边缘的内蒙伊和沙日乌苏湖,采用热裂解GC-MS(Py-GC/MS)技术,对湖泊沉积物进行裂解分析,在对裂解温度(450℃、550℃和650℃)进行了优化的基础上,识别了21种酚类化合物,包括:4-甲基苯酚、2-乙基苯酚等9种烷基酚类(PHs),4-乙基-2-甲氧基苯酚、4-乙烯基-2,6-二甲氧基苯酚等9种烷基酚类(PHs)和12种甲氧基酚类(LGs)。结合沉积岩心样品AMS 14 C年龄的分析结果,6.7 ka以来沉积物中酚类化合物总量、PHs和LGs的变化趋势总体一致,呈现出6.7~4.0ka相对含量较高、4.0ka以来相对含量较低的特征。不同于PHs中邻(o-)-PHs、间(m-)-PHs、对(p-)-PHs的变化趋势与总量一致;但不同取代特征的LGs相对含量变化趋势存在差异,p-LGs在5.4ka前后就出现含量显著下降,3.8ka以来维持较低水平。根据微生物对木质素的“去甲基/去甲氧基”氧化反应途径,对位取代酚类化合物比值(p-PHs/p-LGs)可作为陆生高等植物降解指标,该值越大微生物降解作用越强。将p-PHs/p-LGs指标应用于伊和沙日乌苏沉积物样品结果显示,6.7ka以来p-PHs/p-LGs与正构烷烃单体碳同位素δ^(13) C_(27-33)变化趋势一致(R=-0.77),间接地指示了有效降水变化。即6.7ka以来气候整体转湿,区内陆生高等植物占据优势,充足的水分和有机质为微生物提供了适宜的生存环境和相对稳定的营养来源,降解作用整体呈增强趋势;6.3~5.5ka和4.1~3.6ka期间有效湿度降低,微生物对木质素的降解作用相对减弱。p-PHs/p-LGs指标对应了呼伦贝尔地区湿度变化特征,揭示了干旱-半干旱地区微生物降解与有效湿度变化的相关性,为探讨陆地生态系统对东亚季风北部边缘区气候变化的响应提供科学依据。

近红外漫反射光谱在沉积物化学成分分析中的研究进展

沉积物中有机质及相关元素含量、重金属含量等是研究环境污染和古环境的依据。利用近红外漫反射光谱测定沉积物中的化学成分,方法简便、快捷、价廉。本文概述了近红外漫反射光谱测定沉积物中化学成分的基本流程、样品制备及建模方法,介绍了如何通过选择建模样品、利用光谱预处理及回归分析等方法提高近红外光谱模型的定量能力,综述了近红外漫反射光谱分析沉积物中的有机碳、总氮、总磷、生物硅、重金属含量等方法。但是利用近红外光谱分析沉积物中的化学成分研究起步较晚,仍存在很多问题,有必要深入探讨近红外光谱分析沉积物的化学成分时产生误差的机理,进一步开展建模样品的计算机选择方法、光谱预处理方法和数学模型优化等方面的研究,提高近红外漫反射光谱分析沉积物中化学成分的精密度和准确度。

基于Py-GC/MS的沙漠湖泊直链脂肪族化合物分析及古气候应用初探

湖泊沉积物中直链脂肪族化合物(MCCs)对气候变化响应敏感,环境条件的变化可促使MCCs在游离态和结合态间发生转化,是古气候重建的重要生物标志物。以往研究中对样品前处理通常采用混合溶剂提取法得到MCCs游离态组分,而以化学键合、物理吸附等形式赋存的结合态组分无法通过溶剂提取,不能获取结合态组分特征对气候环境变化的指示信息。本文将热裂解这一有机质高效分解技术与气相色谱-质谱(GC-MS)联用,实现了对内蒙古伊和沙日乌苏湖泊沉积物有机质组成的精细刻画,并识别、分析了共计3类、71项结合态MCCs化合物。结果表明:热解温度是影响热裂解-气相色谱-质谱(Py-GC/MS)分析沉积物样品中结合态MCCs分布特征的主要因素,450℃以下热解能量较低导致结合态MCCs解析不充分,550℃和650℃下各类结合态MCCs(含正构烷烃、正构烯烃及α-正构脂肪酮)充分解析,可经GC-MS实现在线分离、识别;随着热解温度升高,裂解产物中MCCs平均链长趋于降低,过高的裂解能量影响了产物中MCCs化合物链长特征对气候变化指示的敏感性。经研究各类MCCs分布特征发现,550℃下正构烷烃平均链长特征与传统气候替代指标游离态正构烷烃单体碳同位素δ^(13)C_(27~33)具有较好的相关性(R=0.83)。结合态正构烷烃ACL_(25~31)指标响应了区域有效降水变化特征,识别了区域内5.6ka、3.9ka前后的干旱期,反映了东亚夏季风强度变化,对应了北半球中纬度有效降水变化。

应用近红外光谱法研究泻湖湿地沉积物重金属活动态特征及生态风险评价

沉积物中的重金属元素经自然作用下可以活动态进行迁移,具有潜在生物可利用性及潜在的区域生态风险。利用近红外光谱(NIRS)技术开展不同基体类型样品响应机理研究,可为评估重金属活动态提供无损、快速的分析方法,为生态风险研究提供依据。天津七里海泻湖湿地沉积物具有低有机质-高黏土含量的特征,本文基于近红外光谱分析技术,建立了沉积物中Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb重金属活动态组分含量近红外光谱-偏最小二乘回归预测模型。实验结果表明:样品在7290~6390cm^-1和4683~4000cm^-1波段存在的双羟基O—H伸缩振动、AlAl—OH及Al(Mg)—OH弯曲振动特征吸收,间接指示了重金属元素活动态含量。光谱预测结果显示,近百年来七里海沉积物中Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb活动态组分的变化特征对应了当地1934—1948年、1956—1963年、1976年至今三次较明显的升温过程,也对应了1980年七里海水库建设等大型人为扰动。本研究样品中Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb总量及活动态均低于国家标准中规定的生态风险阈值,七里海内村镇及周边农田来自湿地释放的重金属生态风险极低。

熔融制样-波长色散和能量色散X射线荧光光谱仪应用于硅酸盐类矿物及疑难样品分析

目前硅酸盐类样品中主量元素一般采用熔融制样X射线荧光光谱法(XRF)测定,不仅单元素测定结果不能超差,而且百分数加和也要满足要求。但对于矿化样品,由于微量元素较高,往往造成不能满足加和质量要求。充分利用波长色散(WD)和能量色散(ED)复合式X射线荧光光谱仪同时波谱、能谱测定的优势,可使分析人员快速掌握样品组成信息,对评估矿化样品数据质量具有重要意义。本文利用波长-能量色散X射线荧光光谱仪,可在测定主量元素的同时加入更多的微量元素进行测定,而分析时间不延长。主量元素采用波长色散定量,次量元素主要采用能量色散测定,在保证主量元素准确度的情况下,合理设置测量条件,延长能谱测量时间,实现在波长色散12min左右测定主量元素的同时,能够提供14个微量元素如Rb、Sr、Y、Zr、Ba、Cu、Zn的测定结果和10个线性范围较窄或含量较低元素如Co、Ge、Pr、Ta的参考结果,24个微量元素最大检出限为16.76μg/g。通过准确度考核,主量元素测定结果与认定值基本一致,高含量微量元素测定结果亦满足定量分析要求。该方法可使分析人员快速掌握样品组成信息,为提供更加准确、可靠的数据奠定基础,有效地解决矿化疑难样品主量元素测定问题。

粉末压片-X射线荧光光谱法分析富硒土壤样品中的硒及主次量元素

目前土壤中Se主要采用原子荧光光谱法测定,存在用酸量大、前处理相对复杂等缺点,对于高含量Se的测定则需要高倍稀释,无疑会扩大分析误差。本文采用粉末压片波谱-能谱复合X射线荧光光谱法测定湖北富硒土壤样品中的Se等17个主次量元素,波谱分析10个元素的同时,能谱分析As、Cu、Rb、Sr、Zr、Ba、Ni等7个元素,大幅节省了测定时间。通过将不同国家标准物质按比例混合的方式配置混合标准样品,解决了现有Se标准物质在5~72μg/g含量范围不足的问题。对于高含量Se的测定,通过谱图分析,波谱数据优于能谱数据,对其精密度、准确度考核,相对标准偏差(RSD)小于10%,高含量Se样品的RSD小于0.70%,能够满足Se含量大于3.00μg/g土壤样品的定量分析要求,同时可提供16个主次量元素的定量或近似定量分析结果。

生物膜作用下沉积物-水界面溶液中pH和磷含量变化

采集城市排污水渠中的沉积物样品和底栖生物样品,应用微电极原位pH测量技术测量沉积物-水界面溶液的pH值,电感耦合等离子体发射光谱法测定沉积物提取液中上覆水和空隙水中生物可利用磷的含量,研究了沉积物表面的生物膜对城市河流沉积物-水界面微环境中pH值和磷含量的影响。研究表明沉积物表面的生物膜由藻类(蓝藻门颤藻属Oscillatoria和硅藻门的菱形藻Nitzschia)和微生物组成,由于藻类的光合作用和微生物作用,沉积物空隙水中的溶解氧和CO2发生变化,因而改变了界面附近的pH值、氧化还原电位等物理化学条件,同时改变了界面附近溶液中磷的浓度和浓度梯度。在生物膜作用下,剖面中空隙水的pH和pH变化梯度、磷的浓度和浓度梯度高于非生物作用条件下。磷在生物藻垫的空隙水中高度富集。在生物膜存在情况下,在空隙水中形成了与非生物作用下相反的pH值和磷浓度的耦合关系。无生物作用的沉积物空隙水中pH越偏离中性,沉积物中磷的释放量增加,空隙水中磷含量增加;在生物膜作用下,pH由弱酸性向中性变化时,沉积物中磷的释放量增加,空隙水中磷含量增加。依据界面附近pH值和磷的变化规律,可以将沉积物-水界面附近的生物作用分为生物膜的固定作用区和攫取作用区。

水中氯代烃单体碳同位素分析中预富集方法进展

高精度准确测定氯代烃单体碳同位素对示踪污染物来源,了解污染物的生物降解过程具有重要意义。在环境转化过程中,有机污染物的同位素组成可能是稳定不变的,也有可能发生改变。若污染物的同位素组成在迁移转化过程中不变,根据其同位素组成可以示踪污染物的来源;若同位素组成变化,根据同位素分馏结果,可以评价环境中有机污染物降解发生的可能性和程度。本文综述了固相微萃取、静态顶空进样、吹扫-捕集、多级串联技术等前处理方法与气相色谱-燃烧-同位素比值质谱仪(GC-C-IRMS)联用分析水中氯代烃单体碳同位素的研究进展,比较了分析方法的优缺点。液-液萃取较少用于水中氯代烃的单体同位素分析。静态顶空进样、固相微萃取、吹扫-捕集都是无溶剂富集技术,与GC-C-IRMS联用分析水中氯代烃单体同位素过程中不存在或存在小且恒定的可校正的同位素分馏,分析精度一般优于1‰,没有二次污染,降低了杂质干扰,提高了GC-C-IRMS的分辨率和分析精度,降低了检测限。从静态顶空进样、固相微萃取、吹扫-捕集,到多级串联等技术与GC-C-IRMS联用分析水中氯代烃单体同位素比值,检测限逐渐降低。目前,吹扫-捕集-GC-C-IRMS在分析水中氯代烃中应用最广泛,重现性好、检测限低。针内微萃取、管内微萃取、搅动棒吸附萃取和顶空进样吸附萃取等前处理方法与GC-C-IRMS仪联用具有一定的应用前景。

5A分子筛吸附混合溶剂洗脱-气相色谱-同位素质谱分析土壤中正构烷烃单体碳同位素

利用5A分子筛吸附,环己烷-正戊烷混合溶剂洗脱分离富集正构烷烃,用气相色谱法测定正构烷烃含量,气相色谱-气体同位素质谱(GC-C-IRMS)测定土壤样品中正构烷烃单体碳同位素。实验优化了5A分子筛用量和洗脱剂的比例,需要络合的正构烷烃的量与分子筛加入量呈线性关系,络合x mg的正构烷烃,需加入2.75x g分子筛,络合环己烷-正戊烷最佳比例为9∶91。探讨了络合过程中5A分子筛对不同链长正构烷烃的络合规律,短链正构烷烃被5A分子筛优先吸附,长链正构烷烃的络合相对滞后。正构烷烃的络合洗脱回收率为44%～72%,精密度(RSD,n=6)为4%～8%;正构烷烃单体碳同位素分析精度为0.04‰～0.38‰(1σ)。采用5A分子筛净化混合溶剂洗脱方法,分析加油站附近的实际土壤样品,未分峰基本消除,获得良好的净化效果,满足正构烷烃单体碳同位素分析的要求。

柱色谱分离-分子筛络合洗脱过程中正构烷烃单体碳同位素分馏研究

应用气相色谱-气体同位素质谱(GC-C-IRMS)分析正构烷烃单体碳同位素之前,需要对饱和烃样品中正构烷烃和异构烷烃进行预分离、富集,在预分离和富集过程中正构烷烃单体碳同位素是否发生分馏是高精度分析正构烷烃单体碳同位素比值(δ13C)的关键。本文以正构烷烃混合溶液为对象,利用柱色谱、5A分子筛络合、环己烷-正戊烷混合溶剂两次洗脱,GC-C-IRMS分析正构烷烃单体碳同位素,研究前处理过程中正构烷烃单体碳同位素是否发生分馏。结果表明:使用柱色谱分离前后,多数正构烷烃单体碳同位素比值相差-0.2‰~0.2‰;当5A分子筛不完全络合时,未络合的正构烷烃单体碳同位素比值偏重约0.7‰,可能发生了微弱的碳同位素分馏,但并未影响洗脱后的正构烷烃单体碳同位素比值;使用环己烷-正戊烷混合溶剂洗脱前后,碳同位素比值相差-0.2‰~0.5‰,以同样方式洗脱第二次,获得的正构烷烃单体碳同位素比值与模拟样品相差-0.3‰~0.2‰。分析不同回收率(>20%)正构烷烃的单体碳同位素比值,处理前后的差值基本在0.3‰以内,可见当正构烷烃回收率低至20%左右时,其单体碳同位素仍未发生明显分馏。柱色谱分离-5A分子筛络合-混合溶剂洗脱方法适用于回收率大于20%的正构烷烃单体碳同位素分析。

离子吸附型稀土监控样定值研究

离子吸附型稀土矿是中国极其重要、世界罕见的矿床类型,是中国的优势矿产资源。目前现有的稀土标样全部为稀土矿石成分分析标样,稀土元素以氧化物形式稳定存在,无法淋滤浸取,不能对离子吸附型稀土淋滤过程进行监控。为进一步满足离子吸附型稀土资源勘查和评价需要,本文按照导则《标准物质定值的通用原则及统计学原理》(JJF 1343—2012),制备了三种岩性共9个离子吸附型稀土监控样。样品采自南岭地区典型富轻稀土(HREE)离子吸附型稀土风化壳,经干燥、球磨至200目后混合机混匀,以硫酸铵淋滤、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测试离子相稀土元素含量,检验样品均匀性,结果表明F值小于临界值F0.05(19,20),样品均匀性良好。在两年内对样品进行4次稳定性检验,在95%置信度时│β1│<t0.05×s(β1),未发现明显不稳定变化,表明稳定性良好。由8家技术权威的实验室进行协作定值,经过统计计算给出各离子相稀土元素含量的加权平均值和扩展不确定度,定值结果涵盖除Sc以外的15种稀土元素。该系列监控样的研制能够为离子吸附型稀土矿产资源评价和有效利用等工作提供计量支撑。

土壤硒的存在特征及分析测试技术研究进展

硒是重要的生命健康微量元素之一,土壤硒的空间异质性是造成各种病害和环境问题的主要原因。全球土壤硒分布不均匀,大部分属于低硒土壤,土壤硒含量平均值为0.4mg/kg,典型高硒地区土壤硒含量为346~2018mg/kg。准确分析土壤硒含量是开展土壤硒研究的基础,土壤样品来源特征和硒存在形式是土壤硒分析测试方法的选择依据,合理使用标准物质能够有效监控分析质量。本文阐述了土壤硒的主要来源、分布特征和存在形式,总结了近年来土壤硒形态提取方法、硒含量分析技术研究进展和土壤硒标准物质研制现状。指出当前对硒迁移转化机理研究尚不完善,分步提取态的提出为研究土壤硒形态分布和迁移转化提供了新途径,但因未能完全解决提取专一性和提取过程中硒形态转化的问题,该方法仍在进一步发展。光谱技术尤其是原子荧光光谱是中国分析土壤硒含量的主流方法;高精密度、低检出限的质谱技术,以及具备原位形态分析能力的同步辐射X射线技术,在超痕量分析和形态分析领域具有显著优势。针对当前具有硒含量定值的土壤标准物质能覆盖的土壤基体和硒含量的范围有限,本文提出有待加强研制具备硒梯度含量变化和硒形态含量定值的系列标准物质,以满足分析质量监控需求。

离子吸附型稀土淋滤方法研究及监控样制备

离子吸附型稀土中稀土元素以羟基或水合羟基的形式吸附在黏土矿物上,可与强电解质(Mg2+、NH4+等)交换解吸进入溶液(Xiao Yanfei,2016;Georgiana,2013),其准确测定对稀土矿体资源评价具有重要意义。前人以硫酸铵为淋滤液,实现了离子相稀土的解吸、提取,但在溶液浓度、浸取过程等方面选择各异(施意华,2014;黄万抚,2015;时晓露,2016;Hu Guhua,2017),淋滤浸取率(60%~90%)差异大(Hu Guhua,2017;Yan Huashan,2018),未形成高效、统一的浸取方法,不利于离子相稀土元素的精确测定。同时,淋滤过程中缺乏相应监控样及标样,分析过程无法准确计量。因此,本文针对离子吸附型稀土进行淋滤方法研究并以此为基础制备多种监控样,为今后相应标准方法及标准物质的建立奠定基础。