北部地区矿物源黄腐酸分子荧光性能探究

张彩凤 侯玲杰 邢 露 张茹霞 米丹阳

1 太原师范学院化学系 晋中 030619

2 山西省腐植酸工程技术研究中心 晋中 030619

腐植酸是自然界中最丰富的有机质之一[1]。腐植酸包括黄腐酸、黑腐酸和棕腐酸，黄腐酸溶于水、酸、碱等[2]，黑腐酸不溶于水、酸、碱等，棕腐酸不溶于水，溶于醇，其盐溶于水。由于黄腐酸结构中含有苯环、稠环和多类杂环，各环之间以氢键连接，在环和支链中含有较多的酚羟基、羰基和羧基等活性基团[3]，是一种生物活性较高[4]、药用价值较好的有机酸，系腐植酸有效成分中的精华。黄腐酸与水结合成为亲水的溶胶，在大多数情况下观察到是由纤维、纤维素缠结而成的多孔结构，当酸碱度变化时，结构更为疏松和开放，不论是对金属离子还是有机物、无机物都有较强的吸附作用。黄腐酸几乎可以视为无毒，许多学者研究了黄腐酸的药用价值，发现黄腐酸在畜禽养殖[5]和保健[6]、疾病治疗[7～9]方面都有效果，在社会当中应用广受关注。

随着黄腐酸产品的增加，黄腐酸各方面的理论知识也越来越充实，关于黄腐酸的定性与定量的分析方法也越来越丰富[10]，给各种测定带来极大方便。目前，主要通过紫外光谱、红外光谱、核磁共振、凝胶色谱（GPC）、高效液相色谱（HPLC）、高效尺寸排阻色谱（HPSEC）等方法从不同角度来探讨黄腐酸的各种性质[10，11]。与上述方法相比，荧光分光光度法具有检测灵敏度高、选择性较强和使用简便等特点，常用于微量甚至痕量物质的定量分析，在生物医学、药物分析、临床检测等方面有着广泛的应用[12]，而且荧光光谱性质与分子结构密切相关，可以根据光谱波长变化分析产品差异。但是，目前通过荧光发光性能研究腐植酸性质的研究还比较少[13～15]。

黄腐酸的分子量和组分存在着不均一性，其分子上的各种基团在不同的溶剂体系中解离程度不同，聚集程度也不同，会形成一些聚集体[16]。因此，不同的黄腐酸其荧光强度会有不同，放置时间不同的黄腐酸其性质也会改变，不同的条件下测定黄腐酸的荧光强度也会有很大的不同。在黄腐酸制备提取过程中，原料的粒度和粒度分布以及化学结构的不确定性都会直接影响黄腐酸提取的精度、准确度等，进而荧光强度、发射光谱也会发生改变。本文选择了含黄腐酸的7种煤样进行分析，通过黄腐酸最大激发波长和最大发射波长以及黄腐酸浓度与荧光强度关系的测定，探讨了不同来源黄腐酸荧光性能的差异，以期能够进一步丰富黄腐酸的理论研究。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

选用7种含黄腐酸的煤样进行黄腐酸的提取，这7种煤样分别为内蒙古泥炭（HHHT）、沈阳泥炭（ZW）、蒙古褐煤（MGH）、黑龙江褐煤（BQ）、内蒙古褐煤（HLH）、甘肃风化煤（WV）、新疆风化煤（FK），均由中国腐植酸工业协会腐植酸质量检测中心（太原）提供。

经典黄腐酸原料中含有黄腐酸，黄腐酸溶于水。再生黄腐酸原料本身不含黄腐酸，需要通过催化氧化制备得到再生黄腐酸。因此，两类黄腐酸制备方法不同，具体如下：

经典黄腐酸测试样品制备方法为：称取泥炭样品150 g，加入1500 mL水进行提取，提取后剩余体积为1200 mL，对提取物中黄腐酸含量进行测试，后用水逐级稀释至所需浓度进行荧光测试。

再生黄腐酸测试样品制备方法：分别称取褐煤和风化煤样品150 g，加入0.75 g金属催化剂，500 mL 30%硝酸进行氧化提取，提取后剩余体积约300 mL，用水稀释至1200 mL，加氢氧化钠调至pH=3左右，对提取物中黄腐酸含量进行测试，后用水逐级稀释至所需浓度进行荧光测试。

黄腐酸含量由中国腐植酸工业协会腐植酸质量检测中心（太原）进行检测。

1.2 实验仪器

JY10002电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；JJ-1精密定时电动搅拌器（常州润华电器有限公司）；DZTW型电子调温电热套（天津工业实验室仪器有限公司）；台式低速离心机TD5K（长沙东旺实验仪器有限公司）；雷磁pH计（上海仪电科学仪器股份有限公司）；F-7000型荧光分光光度计（日本日立公司）。

1.3 实验方法

利用F-7000荧光分光光度计分别对不同来源黄腐酸进行测定，确定其最大激发波长和最大发射波长，研究其来源、本身浓度对黄腐酸荧光强度的影响，研究上述因素与黄腐酸的荧光特性的关系。此次实验激发狭缝和发射狭缝均为10 nm。

1.3.1 黄腐酸的最大激发波长和最大发射波长

分别取不同黄腐酸溶液用水稀释至淡黄色，反复多次以不同激发波长扫描其发射光谱，再以最大发射强度对应的波长扫描其激发光谱，最后确定激发强度和发射强度最大的相匹配的一组峰为其荧光峰，确定其最大激发波长和最大发射波长。

1.3.2 黄腐酸浓度对其荧光强度的影响

用水稀释不同黄腐酸提取液，分别配置一系列不同浓度的黄腐酸溶液，用1.3.1确定的最大激发波长对其进行荧光扫描，测定黄腐酸浓度对其荧光强度的影响。

2 结果与讨论

2.1 黄腐酸荧光激发与发射光谱

煤的进化历程为泥炭—褐煤—风化煤，不同来源的黄腐酸，其组成、结构及性质明显不同[17]。因此，我们选用了7种含黄腐酸且具有代表性的煤样进行黄腐酸的提取，并考察了不同产地黄腐酸的荧光参数。按照1.3.1所描述的步骤测定黄腐酸的最大激发波长和最大发射波长，测定结果如表1所示。

表1 各种黄腐酸的荧光参数 Tab.1 Fluorescence parameters of various fulvic acids nm

内蒙古泥炭黄腐酸最大发射波长稳定在421 nm左右，最大激发波长稳定在310 nm左右；沈阳泥炭黄腐酸与内蒙古泥炭黄腐酸相比，最大发射波长和最大激发波长均非常相近；蒙古褐煤黄腐酸最大发射波长在430 nm左右，最大激发波长为265 nm；黑龙江褐煤黄腐酸最大发射波长稳定在440 nm左右，最大激发波长与蒙古褐煤黄腐酸一致；内蒙古褐煤黄腐酸与黑龙江褐煤黄腐酸、蒙古褐煤黄腐酸最大激发波长较接近，最大发射波长为450 nm。甘肃风化煤黄腐酸和新疆风化煤黄腐酸最大激发波长均为275 nm，最大发射波长分别为511 nm和452 nm。通过对不同来源黄腐酸最大发射、激发波长进行比较，其中2种泥炭黄腐酸最大激发波长和最大发射波长较为相近，且最大激发波长较其他来源黄腐酸最大激发波长长，可能是因2种黄腐酸来源相似且提取工艺均为水提的缘故。从褐煤、风化煤中提取的黄腐酸最大激发波长较为相近。甘肃风化煤中提取的黄腐酸最大发射波长较其他的长，可能是由于其提取出的溶液里既含黄腐酸又含棕腐酸。褐煤和风化煤提取出的溶液可能含有较多棕腐酸和黄腐酸的盐成分，需较大激发能量，因此激发波长较小。

2.2 黄腐酸浓度对其荧光强度的影响

用不同来源的黄腐酸分别配制一系列不同浓度的黄腐酸溶液，分别测试其在最大发射波长处黄腐酸荧光强度随着浓度变化的趋势。测定结果如图1、图2、图3所示。

从图1、图2、图3可知，在一定的浓度范围内，不同来源黄腐酸的荧光强度均随着其浓度的增大而逐渐增强。这可能是由于黄腐酸中含有大量带有各种官能团的芳香环结构[3]以及未饱和脂肪链，而物质之所以具有荧光特性正是由于其结构中具有大的共轭双键体系且有助色团以及生色团共轭效应的产生。随着腐植酸的浓度越大，分子振动和转动的自由度减小，从而增大了发光的效率，导致荧光增强[18]。内蒙古泥炭黄腐酸在浓度为0.0055 g/mL时荧光强度最强，沈阳泥炭黄腐酸在浓度为0.0153 g/mL时荧光强度最强，蒙古褐煤黄腐酸在浓度为0.0035 g/mL时荧光强度最强，黑龙江褐煤黄腐酸在浓度为0.0060 g/mL时荧光强度最强，内蒙古褐煤黄腐酸在浓度为0.0001 g/mL时荧光强度最强，甘肃风化煤黄腐酸在浓度为0.0281 g/mL时荧光强度最强，新疆风化煤黄腐酸在浓度为0.0020 g/mL时荧光强度最强。

图1 内蒙古褐煤制备的黄腐酸浓度与荧光强度关系图 Fig.1 Relational graph between fulvic acid concentration and fluorescence intensity of Inner Mongolia lignite

图2 内蒙古泥炭、沈阳泥炭和甘肃风化煤制备的黄腐酸浓度与荧光强度关系图 Fig.2 Relational graph between fulvic acid concentration and fluorescence intensity of Inner Mongolia peat, Shenyang peat and Gansu weathered coal

图3 新疆风化煤、黑龙江褐煤、蒙古褐煤制备的黄腐酸浓度与荧光强度关系图 Fig.3 Relational graph between fulvic acid concentration and fluorescence intensity of Xinjiang weathered coal, Heilongjiang lignite, Mongolia lignite

不同来源的黄腐酸在某一浓度时荧光强度出现峰值，之后随着黄腐酸浓度的增加，荧光强度反而减小，出现浓度效应。这可能是由于浓度过高时，黄腐酸分子之间靠氢键生成了团簇结构，导致分子刚性平面减少，从而降低了黄腐酸的荧光强度。另外，高浓度时，黄腐酸分子之间可能发生聚集作用，形成基态分子间的聚合物，或者激发态分子与其基态分子的二聚物，或者激发态分子与其他溶质分子的复合物，从而导致荧光强度下降。此外，当溶液浓度增大时也会促进自吸收，从而导致荧光强度下降，黄腐酸分子的浓度越高，其猝灭现象越明显[19]。

2.3 不同煤样中黄腐酸含量

不同煤样中黄腐酸含量如表2所示。从泥炭中提取经典黄腐酸，沈阳泥炭黄腐酸含量大于内蒙古泥炭黄腐酸。从风化煤和褐煤中提取再生黄腐酸，甘肃风化煤中黄腐酸含量最高，其次是黑龙江褐煤黄腐酸、蒙古褐煤黄腐酸和新疆风化煤黄腐酸，内蒙古褐煤黄腐酸含量相对最低。说明黄腐酸含量可能与煤样形成有关，也可能与其提取方式、存在环境因素不同有关。从表2中还可以看出，一般煤样中黄腐酸含量越高，其荧光强度峰值所对应的浓度越大。

表2 不同煤样中黄腐酸含量 Tab.2 The content of fulvic acid in different coal samples

3 结论

本文考察了不同来源黄腐酸的最大激发波长和最大发射波长，由于不同黄腐酸的组成、结构及性质不同，因此其荧光参数不同。不同来源黄腐酸的荧光强度均随着其浓度的增大而逐渐增强，某一浓度时荧光强度出现峰值，之后随着黄腐酸浓度的增加荧光强度减小。相同方法从不同煤样中提取黄腐酸，煤样中黄腐酸含量越高，其荧光强度峰值所对应的浓度越大。因此，通过最大激发波长和最大发射波长的测定，根据荧光强度峰值所对应的浓度变化可以为分析黄腐酸的来源及含量判断提供一种新的研究思路。