基于三維熒光光譜的大氣顆粒物水溶性有機物對pH值響應(yīng)特性研究

覃園園，肖 康，楊艷蓉，秦娟娟，周雪明，3，郭送軍，陳榮志，譚吉華*，余金蘭，賀克斌

1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004 2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012 4.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100084

引 言

水溶性有機物(water-soluble organic compounds，WSOC)是大氣氣溶膠的重要組成部分[1]，通常占大氣有機氣溶膠的10%～80%。WSOC含有各種復(fù)雜官能團，因其復(fù)雜多樣的光學(xué)特性能夠?qū)夂蜃兓a(chǎn)生直接或間接影響而受到廣泛關(guān)注[2]。三維熒光光譜(three dimensional excitation-emission matrix，3DEEM)分析作為一種新型光譜分析技術(shù)，具有高靈敏、高識別和不破壞樣品結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于表征可溶性有機物，但這些研究主要集中在水環(huán)境，對大氣顆粒物中WSOC熒光特性的研究較少[2-4]。Qin等通過3DEEM發(fā)現(xiàn)WSOC存在與水環(huán)境中水溶性有機物(dissolved organic matter，DOM)相似的熒光峰[2]，Mladenov等采用3DEEM并結(jié)合平行因子分析法(parallel factor analysis，PARAFAC)首次對城市大氣中WSOC的光學(xué)特性進行分類[4]。但這些研究僅局限于熒光強度及其指標(biāo)研究。

pH值是影響WSOC形成、傳輸和轉(zhuǎn)化的重要因素之一，此外，pH值還是影響DOM熒光強度的關(guān)鍵因素之一。目前已有學(xué)者研究pH值對秸稈和滲瀝液等樣品中水溶性有機物熒光特性的影響[5]，發(fā)現(xiàn)在不同pH值條件下熒光強度會發(fā)生變化。因此研究pH值對大氣顆粒物中WSOC熒光特性的影響具有重要意義。盡管大氣顆粒物pH值易受排放源、氣象條件和大氣化學(xué)過程的影響，存在較大的變化范圍(pH 0～9)[6]，但pH值對WSOC熒光特性影響的研究還未見報道。本研究通過收集北京大氣細粒子，提取其水溶性有機物，采用3DEEM首次研究pH值對大氣顆粒物中WSOC熒光特性的影響。研究結(jié)果對于加深了解WSOC的環(huán)境效應(yīng)以及化學(xué)結(jié)構(gòu)組成具有重要意義，同時為對WSOC進一步研究提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 采樣

采樣點設(shè)在故宮博物院大氣環(huán)境監(jiān)測站點(39°55′N，116°24′E)，周圍沒有明顯污染源。PM2.5樣品使用大流量采樣器(Graseby-Andersen，GMW High Volume Air采樣器)采集。采樣前將Whatman石英濾膜放入馬弗爐中進行高溫處理以去除殘留有機物，采樣后將樣品用鋁箔紙包好，并置于冰箱中冷藏保存。

1.2 樣品處理

選取2片夏季濾膜(S1，S2)和2片冬季濾膜(W1，W2)用沖子切取后放入螺口瓶中。用超純水超聲提取，再經(jīng)0.22 μm濾膜過濾，最終得到WSOC提取液。移取上述WSOC提取液于玻璃瓶中，用NaOH和HCl溶液將樣品pH值分別調(diào)節(jié)至2～8。使用pH計(Bante902，上海)測定溶液pH值(每次使用前均用pH 4.00，6.86和9.18標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進行兩點校正)。

1.3 方法

WSOC濃度：采用TOC分析儀(multi N/C3100，耶拿，德國)測定。

3DEEM分析：采用熒光分光光度計(F-7000，日立，日本)測定WSOC溶液3DEEM。設(shè)定條件為：電壓為700 V，掃描速度為2 400 nm·min-1，激發(fā)波長(Ex)為200～400 nm，發(fā)射波長(Em)為250～500 nm，Ex和Em的掃描間隔均為5 nm。并采用紫外-可見分光光度計(UV-2401PC，島津，日本)在波長為200～500 nm測定吸收光譜。

1.4 數(shù)據(jù)處理

原始3DEEM數(shù)據(jù)的校正和標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)過如下處理[7]：(1)將樣品的三維熒光值減去空白值進行背景校正；(2)利用MATLAB軟件結(jié)合插值技術(shù)扣除一階和二階瑞利和拉曼散射光；(3)以紫外-可見吸收光譜來進行內(nèi)濾效應(yīng)的校正；(4)最后熒光強度以純水的拉曼峰積分進行標(biāo)準(zhǔn)化，其結(jié)果以拉曼單位(R.U.)表示。

采用SPSS軟件對不同pH值的熒光指標(biāo)進行Spearman相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對大氣顆粒物中水溶性有機物三維熒光光譜的影響

為了明確WSOC三維熒光光譜分區(qū)特性和化學(xué)組成，分析了故宮大氣WSOC樣品的3DEEM(pH 6.01)，如圖1所示。區(qū)域Ⅰ和Ⅱ代表芳香性蛋白類色氨酸和酪氨酸物質(zhì)，區(qū)域Ⅲ代表富里酸類物質(zhì)，區(qū)域Ⅳ代表可溶性微生物類物質(zhì)，區(qū)域Ⅴ代表腐殖酸類物質(zhì)。強熒光峰A(Ex=225～265 nm，Em=349～435 nm)被歸類于紫外區(qū)類腐殖質(zhì)。位于Ⅳ區(qū)域的吸收峰屬于類色氨酸物質(zhì)(T峰)。另一個熒光峰為β峰，被認為是新生成有機物質(zhì)[8]。說明WSOC熒光主要成分包括類腐殖質(zhì)、類色氨酸和新生成有機物質(zhì)。

圖1 大氣顆粒物中WSOC三維熒光光譜Fig.1 3DEEM of WSOC in atmospheric particles

3DEEM在一定程度上能反映WSOC的化學(xué)組成與官能團情況。不同pH值WSOC的3DEEM如圖2所示。相對于其他熒光峰，熒光主峰A熒光強度最強，因此受pH值影響最顯著，說明腐殖質(zhì)表示的官能團易受氫離子釋放的影響。相反，夏季T峰發(fā)射波長隨pH升高略有紅移現(xiàn)象，表明WSOC類蛋白物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中苯環(huán)增多，共軛度增加。He等[9]研究也發(fā)現(xiàn)水環(huán)境DOM中T峰隨溶液堿度的增加而發(fā)生紅移。弱肩峰α被歸類為老化有機物，在低pH值下的熒光光譜中能被觀察到，當(dāng)pH值為8時，α峰幾乎消失。由此可見pH對不同熒光峰影響程度不同。

2.2 pH值對大氣顆粒物中水溶性有機物熒光強度的影響

故宮大氣顆粒物WSOC提取液原始pH值分別為5.87，5.86，6.01和5.75。如圖3所示，pH值能導(dǎo)致WSOC單位TOC平均熒光強度發(fā)生明顯變化。隨pH值增大，WSOC熒光強度先升高后降低。熒光強度最高值出現(xiàn)在pH為3左右。當(dāng)pH值大于3時，熒光強度隨pH值增大而逐漸減弱。而S2樣品在pH為7時熒光強度變化呈現(xiàn)相反趨勢，有研究表明腐殖質(zhì)組分中的羧基和酚類基團的解離常數(shù)約在3.6～8和7～10.5范圍[10]，推測是樣品腐殖質(zhì)組分中羧基或酚類基團密度較高，當(dāng)pH為7時，羧基或酚類基團發(fā)生解離而產(chǎn)生高熒光強度。冬季W(wǎng)SOC熒光強度對溶液的酸堿度較敏感，由于不同季節(jié)WSOC結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成成分存在差異，導(dǎo)致其受pH值影響程度不同。因此pH值對WSOC熒光基團的影響不容忽視。

圖2 不同pH值WSOC三維熒光光譜Fig.2 3DEEM of WSOC under different pH value

圖3 不同pH值WSOC單位TOC平均熒光強度Fig.3 Fluorescence intensity per TOC of WSOC with different pH value

2.3 pH值對大氣顆粒物中水溶性有機物三維熒光指標(biāo)的影響

三維熒光指標(biāo)經(jīng)常被用來推斷熒光物質(zhì)來源或其轉(zhuǎn)化過程。HIX一般用來指示物質(zhì)腐殖化程度；BIX用來衡量原生生物活性；FI具有指示微生物來源的作用；Peak T/C能反映有機物生物降解性。但熒光指標(biāo)是否適用于指示不同pH值的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化，還需進一步驗證。

本研究中熒光指標(biāo)隨pH值變化如圖4所示。為進一步探討熒光指標(biāo)變化與pH值關(guān)系，對pH值與熒光指標(biāo)進行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果列于表1中。HIX和FI隨pH值的增大先升高后降低，其值變化范圍分別為1.6～3.64和0.8～1.94，表明WSOC來源屬于微生物與陸源輸入混合[2]。BIX與pH值之間呈顯著負相關(guān)性，隨pH值的增大明顯下降。冬季Peak T/C與pH值呈顯著正相關(guān)性(p<0.01)，隨pH值的增大而升高，可能意味著WSOC熒光基團結(jié)構(gòu)具有季節(jié)性差異。前文已論述pH值(3～8)越大，熒光峰熒光強度越弱，說明相對于T峰，C峰受pH影響程度更強，因此低pH值不利于有機物的生物降解。三維熒光指標(biāo)變化表明pH值對WSOC組分遷移轉(zhuǎn)化有重要影響。

圖4 不同pH值WSOC熒光指標(biāo)變化Fig.4 Fluorescence indices of WSOC with different pH value

表1 pH值與熒光指標(biāo)相關(guān)性分析Table 1 The correlation analysis between pH value and fluorescence indices

注：**在0.01水平顯著相關(guān)(雙側(cè))，*在0.05水平顯著相關(guān)(雙側(cè))

Note：**Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed)，*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed)

2.4 pH值對大氣顆粒物中水溶性有機物三維熒光光譜影響機制分析

本文在一定程度上揭示了WSOC熒光光譜與pH值的響應(yīng)關(guān)系。在大氣環(huán)境中受其他因素干擾下，pH值對WSOC的影響往往比實驗條件下更復(fù)雜多變。有必要進一步探討pH值對WSOC三維熒光光譜響應(yīng)機制。

在pH值為2～3時，WSOC熒光強度逐漸增強，推測是由于羧基質(zhì)子化在pH為3時達到最強，導(dǎo)致熒光強度增強。已有研究表明pH在3～5之間，羧基對熒光變化有重要影響，當(dāng)pH在8至10之間，酚醛基團的影響占主導(dǎo)地位[11]。另外，可激發(fā)電子分子軌道的改變也會使熒光強度發(fā)生變化[12]。隨pH的進一步增大(3～8)，可能是分子間與分子內(nèi)的氫鍵作用增強使熒光分子聚集，導(dǎo)致熒光強度隨pH增大而降低。另一方面，WSOC含有羰基等配位基團，pH能對WSOC與污染物相互作用造成影響，從而導(dǎo)致WSOC出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。但S2樣品在pH為7時熒光強度明顯增強，可能是弱羧基或強酚類官能團解離的結(jié)果。HIX在pH 4時出現(xiàn)較大值，可能是腐殖質(zhì)中的羧基發(fā)生解離造成的。除了羧基和酚類基團外，烯醇化合物也能影響分子構(gòu)型，其pKa在6～9之間[13]，Peak T/C在pH為6時迅速增大可能與這些官能團有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1) pH值顯著影響WSOC熒光特性。pH值對不同熒光峰的影響有所不同，類腐殖質(zhì)熒光強度最強，因此受pH值影響最明顯。此外，夏季W(wǎng)SOC類色氨酸熒光峰隨pH值升高略有紅移現(xiàn)象。

(2) pH值顯著影響WSOC熒光強度。影響過程可分為兩個階段，pH值為2～3時，熒光強度增強，可能與熒光基團結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)pH>3時，分子間與分子內(nèi)的氫鍵作用增強，導(dǎo)致熒光強度隨pH值增大而下降。

(3) pH值顯著影響三維熒光指標(biāo)。BIX與Peak T/C對pH取值敏感，與pH值呈顯著相關(guān)性。熒光指標(biāo)變化表明WSOC來源屬于微生物與陸源混合輸入。