差分吸收光谱-高斯拟合法研究富里酸质子化

宋凡浩,吴丰昌,冯伟莹,王国静,陈 曲,喻文强,3,雷啟焘,白英臣* (.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 000；.中国海洋大学,海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛 6600；3.南昌大学资源环境与化工学院,江西 南昌 33003)

富里酸(FA)是溶解性有机质(DOM)中一类含有羟基和羧基等多种官能团的非均质有机混合物.FA具有较强的络合、吸附和氧化还原能力,能够影响环境介质中营养物质、重金属和有机污染物等化学物质的迁移转化和生物有效性[1-7].在水体环境中,FA的物理化学行为受到pH值、温度和离子强度等因素的控制和影响.前人研究表明,水体 pH值控制着 FA的质子化过程,进而影响FA的分子结构、构型构象、分子内反应及官能团特性[8-11].例如,FA质子化能改变分子电负性,进而影响分子结构和分子间的内反应.FA的质子化还能引起分子结构的扩展、收缩和新分子的聚合,从而导致分子体积改变[9-10].此外,FA质子化还能通过改变酚羟基和羧基官能团形态,影响 FA的紫外吸光度[8,10-11].但是,FA是一种大分子有机混合物,组成和结构十分复杂,且在天然水体中含量较低,痕量FA质子化机理研究较少.

紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱已成为研究DOM分子结构、发色团特性及其环境行为的重要手段之一[2,8,11-12].差分吸收光谱(DAS)具有反映UV-Vis光谱特征微小动态变化的优势[8,11,13-18],可用来探究水体中痕量 DOM 的质子化行为,表征DOM 分子内羧基和酚羟基两类主要发色团的特征[8,11].高斯多峰拟合法能够有效地提取和简化UV-Vis光谱或DAS的特征信息,建立高斯峰与羧基和酚羟基等发色团的相关性.高斯多峰拟合法已被应用于探究 DOM 在外界环境干扰因素影响下的分子结构动态变化[19-21].高斯多峰拟合法还可应用于DOM与金属离子(如Na+,K+,Cu2+,Mg2+,Al3+)相互作用机理研究[5,16,22-25].由于痕量DOM在自然水体中具有分子多相性和结构复杂性的特点,寻求快速和有效的方法来研究 DOM 的环境行为及其与污染物相互作用机理显得尤为重要.因此,本研究利用DAS结合高斯多峰拟合法来探究痕量土壤富里酸(SFA)在水溶液中的质子化行为,建立不同类型的高斯峰与 DAS光谱特征之间的关系,揭示高斯峰与SFA分子结构、官能团以及分子构型构象之间的联系.

1 材料与方法

1.1 样品采集与SFA提取

SFA样品为我国标样SFA,样品采集和SFA提取与纯化步骤详见林樱等研究[1-2,26].土壤样品采自北京市鹫峰国家森林公园 0～15cm 的表层,借助XAD-8吸附树脂柱,用HCl和NaOH提取土壤样品中的FA,经HF/HCl去灰分、H+-阳离子交换树脂纯化、冷冻干燥得到纯净的SFA样品.

1.2 紫外-可见吸收光谱测定

在25℃下,配置SFA浓度为10mg/L,离子强度为0.05mol/L KClO4的样品溶液.在SFA溶液表面通氮气的条件下,用少量 HClO4和 NaOH将溶液pH值以 0.5个单位进行梯度调节,调节范围为3.0～11.0.天然水体中FA浓度一般介于2～20mg/L,本文选择10mg/L的SFA,既反映自然环境浓度下的FA质子化行为,又避免SFA在高浓度时因发生聚合作用而导致吸收光谱变化[15,24,27].条件实验表明,SFA质子化反应能在 15min内达到平衡,本实验保持SFA溶液pH值稳定15min,保证了SFA与质子反应完全[24].利用紫外-可见分光光度计(Agilent-8453)进行SFA溶液的UV-Vis光谱的测定,测试光谱范围为 225～425nm,光谱数据 3次测定取平均值.所有实验化学试剂均为分析纯,所有溶液均用Milli-Q超纯水配置.

1.3 差分吸收光谱

基于不同 pH值条件下所测得的原始UV-Vis光谱数据,DAS中的差分吸光度ΔA(λ)可以表示为[11-15,25-26]：式中：在特定波长 λ(nm)下,A(λ)和 Aref(λ)分别为特定pH值和参考pH值条件下的SFA吸光度;l为石英比色皿的光程长度,cm;C为SFA的浓度, mg/L.

1.4 差分吸收光谱高斯多峰拟合

基于不同pH值条件下所计算得到的DAS光谱数据,DAS光谱高斯多峰拟合可以表示为[15,23,29-30]：

不同 pH值条件下的差分吸光度ΔA(E)可以表示为：

式中：i为高斯峰(i=0,1,2…);E为每个高斯峰的强度,eV;Eoi为每个高斯峰的位置,eV;Aoi为每个高斯峰吸光度强度,eV;Wi为每个高斯峰的宽度,nm.

1.5 数据分析

利用Origin 9.1软件对SFA的原始UV-Vis光谱和DAS光谱进行绘制,并对DAS光谱的特征参数进行相关性分析.DAS光谱的高斯多峰拟合利用Origin 9.1软件进行,并采用拟合相关系数R2来检验DAS光谱多峰拟合的有效性与精确性.

2 结果与讨论

2.1 SFA的差分光谱特征

SFA的原始UV-Vis光谱吸光度均随波长增加而逐渐降低,在λ=280～290nm附近出现象征芳香结构的肩峰(图1).在特定波长下,光谱吸光度随溶液pH值的增加而减小(图1),这些光谱特征也出现在其他研究报道中[2,8,24,27]. UV-Vis光谱的单一特征变化是 SFA中众多不同类型的发色团组分与其电子跃迁相关的各个吸收带之间相互结合的结果[8,13,15,33-34].

基于在pH=3.0～11.0(以0.5个单位为间隔)条件下测得的SFA的原始UV-Vis光谱数据,根据公式(1)计算得到 SFA 的 DAS 光谱(图2),其中,以pH=3.0条件下所测得的UV-Vis光谱作为参考光谱.在特定波长下,DAS光谱吸光度随pH值增大而增加.典型光谱特征有：在波长225～ 250nm范围内,出现一个狭窄的波峰,其峰位置出现在235nm处;在波长 250～305nm 范围内,出现一个狭窄的波峰,其峰位置出现在280nm处;在波长305～350nm范围内,出现一个较宽的波峰,其峰位置约在 320nm处,该波峰特征在pH＞6.5的条件下较为明显;在波长 350～370nm 范围内,出现一个狭窄且尖锐的波峰,其峰位置出现在360nm处;在波长370～425nm范围内,差分吸光度随波长增加呈现单调下降趋势.Dryer等[8]研究 Suwannee River FA(SRFA)的质子化/去质子化行为时,也出现上述相似的DAS光谱特征：3个波峰位置出现在 240nm、280nm 和330nm 处;在 λ＞330nm 的范围内,差分吸光度随波长增加也呈现单调下降趋势[8].

图1 不同pH条件下SFA的紫外-可见吸收光谱Fig.1 UV-Vis spectra of SFA at various pH conditions

图2 不同pH值条件下SFA的DASFig.2 Differential absorbance spectra of SFA at various pH conditions

2.2 差分光谱高斯多峰拟合

利用高斯多峰拟合法来识别DAS光谱的高斯特征峰,深入研究pH值变化对DAS光谱特征的影响.不同pH值条件下,SFA的DAS光谱能够拟合得 6类高斯峰(R2＞0.983),其峰位置分别为A0(5.87eV;211.19nm),A1((5.20±0.02)eV;(238.62±1.13)nm),A2((4.51±0.02)eV;(274.78±1.50)nm),A3((4.02±0.05)eV;(308.31±3.74)nm),A4((3.51±0.04)eV;(353.72±3.67)nm),A5((2.96±0.01)eV;(419.44±1.64)nm)和 A6((3.18±0.02)eV;(389.82±2.57)nm)(表1).高斯峰A1～A6出现在DAS光谱的特征波峰位置附近,其位置Eoi和宽度Wi的变化程度分别为 3.18～10.50nm 和 3.36～19.08nm,标准方差分别为 σ=1.13～3.74nm 和 σ=1.33～9.54nm.另外,高斯峰 A3和 A4位置 Eoi变化程度(10.13～10.50nm)大于高斯峰 A1、A2、A5和 A6位置Eoi变化程度(3.18～5.50nm),说明高斯峰 A3和A4的位置Eoi受pH值影响的程度大于高斯峰A1、A2、A5和 A6;高斯峰 A1和 A2宽度 Wi变化程度(3.36～ 8.49nm)小于高斯峰 A3～A6宽度Wi变化程度(10.86～19.08nm),说明高斯峰A1和A2的宽度Wi受pH值影响的程度要小于高斯峰 A3～A6.

表1 不同pH条件下SFA的差分吸收光谱高斯多峰拟合参数Table 1 Parameters of multi-peaks Gaussian fitting in differential absorbance spectra of SFA at various pH conditions

典型实验 DAS光谱与高斯多峰拟合 DAS光谱之间具有很高拟合度(R2＞0.996)(图3).DAS(pH 4.5)中 A1和 A3对其光谱形状贡献率最大,DAS(pH 7.5)中A1～A4对其光谱形状贡献率相近.DAS(pH 4.5和7.5)中A5为负值,且对光谱形状的贡献率最小.DAS(pH 10.5)中 A6对光谱形状的贡献率最小[15,17].另外,DAS仅在pH 10.5条 件 下 拟 合 出 高 斯 峰 A0(Eoi=5.87eV;λ=211.19nm).结合前人的研究报道,SFA和SRFA的DAS光谱均在波长位置210,240,275,310,390nm附近拟合得到高斯峰,且光谱干扰因素(如,羟基等其他无机离子)在 Eoi＞5.3eV (λ＜230nm)区域内存在,A0的准确位置和特性很难去研究[13,22,25].因此,本研究只讨论 Eoi＜5.3eV (λ＞230nm)的光谱高斯峰.

高斯峰A1～A4能够分别有效拟合DAS光谱中 235,280,320,360nm处的特征波峰.DAS光谱中235,280,320nm处的特征峰分别与酚羟基、羧基和酚羟基发色团有关[8,27].同时,研究发现,磺基水杨酸和单宁酸等物质的 DAS光谱在 5.32eV(233nm)、4.50eV(275nm)和 3.89eV(318nm)位置处出现明显的特征峰,其峰位置与高斯峰A1～A3的位置相似(表1)[8,11,13],说明高斯峰A1～A3分别与分子中的酚羟基,羧基和酚羟基发色团有关.根据Dryer等[8,24]研究报道,DAS光谱中360nm处的特征峰和高斯峰A4与发色团之间的内反应有关.同时,DAS光谱高斯峰A5～A6与SFA分子构型构象变化有关,且受分子电荷转移和发色团相互作用的影响[8,11,13,27].

DAS光谱中235,280,320,360nm处的特征波峰差分吸光度ΔA(235)、ΔA(280)、ΔA(320)和ΔA(360)均与溶液 pH 值存在显著性正相关关系(R2=0.855～0.995)(图4),说明 SFA 中酚羟基和羧基发色团所引起的吸光度随pH值增加而线性增加.DAS 光谱中ΔA(280)、ΔA(320)和ΔA(360)与pH值的相关性(R2=0.979～0.995)要明显大于ΔA(235),说明 DAS 光谱长波段(280～360nm)处的波峰吸光度能更有效地反映发色团的动态变化情况.反映发色团间内反应波峰吸光度ΔA(360)也随 pH值增加而呈现显著性的线性增加趋势(R2=0.982)(图4).为研究反映分子构型构象的高斯峰与DAS光谱指标之间的关系,本研究选择位置相对稳定的高斯峰 A4与ΔA(360)的对数值lnΔA(360)进行相关性分析.研究表明,高斯峰 A4位置与 lnΔA(360)存在显著性正相关关系(R2=0.938)(图5).这表明DAS光谱lnΔA(360)指标可用来反映高斯峰A4位置随pH值的变化情况,指示发色团间相互作用.

图3 DAS高斯多峰拟合Fig.3 Multi-peaks Gaussian fitting of differential absorbance spectra

图4 DAS 光谱ΔA(235)、ΔA(280)、ΔA(320)、ΔA(360)与pH值的相关性分析Fig.4 Correlations analysis between ΔA(235), ΔA(280),ΔA(320), ΔA(360) in DAS and pH values

图5 高斯峰A4位置与DAS光谱中lnΔA(360)的相关性分析Fig.5 Correlations analysis between Gaussian peak A4position and lnΔA(360) in DAS spectra

3 结论

3.1 DAS光谱主要在235,320,280,360nm处出现特征波峰.DAS光谱的差分吸光度随pH值增大而增大,随波长(λ=370～425nm 范围内)的增加而单调下降.不同pH值条件下的DAS拟合得到6 类高斯峰(A1～A6)(R2＞0.983).

3.2 高斯峰A1～A6的Eoi和Wi受pH值影响的变化程度分别为3.18～10.50nm和3.36～19.08nm.A1和A2的Wi受pH值影响的变化程度(3.36～8.49nm)小于 A3～A6 的 Wi变化程度(10.86～19.08nm).A3和A4的Eoi受pH值影响的变化程度(10.50～10.13nm)大于 A1、A2、A5和 A6的Eoi变化程度(3.18～5.50nm).A1～A3 分别与分子中的酚羟基、羧基和酚羟基发色团有关;A4与发色团之间的内反应有关;A5和A6主要与分子构型构象的变化有关,受分子电荷转移和发色团相互作用的影响.

3.3 DAS光谱的特征波峰吸光度ΔA(235)、ΔA(280)、ΔA(320)和ΔA(360)与 pH 值均存在显著性正相关关系(R2=0.855～0.995).A4的 Eoi与lnΔA(360)存在显著性正相关关系(R2=0.938),说明lnΔA(360)能反映A4位置随pH值的变化情况,指示发色团间相互作用.Biogeochemistry, 2012,108(1)：109-118.

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