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.廣西大學資源環境與材料學院，廣西 南寧 530004 2.中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049 3.中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012 4.清華大學環境學院環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，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含有各種復雜官能團，因其復雜多樣的光學特性能夠對氣候變化產生直接或間接影響而受到廣泛關注[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，具有高靈敏、高識別和不破壞樣品結構等優點，被廣泛應用于表征可溶性有機物，但這些研究主要集中在水環境，對大氣顆粒物中WSOC熒光特性的研究較少[2-4]。Qin等通過3DEEM發現WSOC存在與水環境中水溶性有機物(dissolved organic matter，DOM)相似的熒光峰[2]，Mladenov等采用3DEEM并結合平行因子分析法(parallel factor analysis，PARAFAC)首次對城市大氣中WSOC的光學特性進行分類[4]。但這些研究僅局限于熒光強度及其指標研究。

pH值是影響WSOC形成、傳輸和轉化的重要因素之一，此外，pH值還是影響DOM熒光強度的關鍵因素之一。目前已有學者研究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]，發現在不同pH值條件下熒光強度會發生變化。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。研究結果對于加深了解WSOC的環境效應以及化學結構組成具有重要意義，同時為對WSOC進一步研究提供一定的基礎數據和理論依據。

1 實驗部分

1.1 采樣

采樣點設在故宮博物院大氣環境監測站點(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值分別調節至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標準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。設定條件為：電壓為700 V，掃描速度為2 400 nm·min-1，激發波長(Ex)為200～400 nm，發射波長(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 數據處理

原始3DEEM數據的校正和標準化經過如下處理[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軟件結合插值技術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濾效應的校正；(4)最后熒光強度以純水的拉曼峰積分進行標準化，其結果以拉曼單位(R.U.)表示。

采用SPSS軟件對不同pH值的熒光指標進行Spearman相關性分析。

2 結果與討論

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

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，說明腐殖質表示的官能團易受氫離子釋放的影響。相反，夏季T峰發射波長隨pH升高略有紅移現象，表明WSOC類蛋白物質分子結構中苯環增多，共軛度增加。He等[9]研究也發現水環境DOM中T峰隨溶液堿度的增加而發生紅移。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值能導致WSOC單位TOC平均熒光強度發生明顯變化。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在pH為3左右。當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相反趨勢，有研究表明腐殖質組分中的羧基和酚類基團的解離常數約在3.6～8和7～10.5范圍[10]，推測是樣品腐殖質組分中羧基或酚類基團密度較高，當pH為7時，羧基或酚類基團發生解離而產生高熒光強度。冬季WSOC熒光強度對溶液的酸堿度較敏感，由于不同季節WSOC結構及化學組成成分存在差異，導致其受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的影響

三維熒光指標經常被用來推斷熒光物質來源或其轉化過程。HIX一般用來指示物質腐殖化程度；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。但熒光指標是否適用于指示不同pH值的物質遷移轉化，還需進一步驗證。

本研究中熒光指標隨pH值變化如圖4所示。為進一步探討熒光指標變化與pH值關系，對pH值與熒光指標進行Spearman相關性分析，結果列于表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值呈顯著正相關性(p<0.01)，隨pH值的增大而升高，可能意味著WSOC熒光基團結構具有季節性差異。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。三維熒光指標變化表明pH值對WSOC組分遷移轉化有重要影響。

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

表1 pH值與熒光指標相關性分析Table 1 The correlation analysis between pH value and fluorescence indices

注：**在0.01水平顯著相關(雙側)，*在0.05水平顯著相關(雙側)

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值的響應關系。在大氣環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雜多變。有必要進一步探討pH值對WSOC三維熒光光譜響應機制。

在pH值為2～3時，WSOC熒光強度逐漸增強，推測是由于羧基質子化在pH為3時達到最強，導致熒光強度增強。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pH在8至10之間，酚醛基團的影響占主導地位[11]。另外，可激發電子分子軌道的改變也會使熒光強度發生變化[12]。隨pH的進一步增大(3～8)，可能是分子間與分子內的氫鍵作用增強使熒光分子聚集，導致熒光強度隨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，從而導致WSOC出現熒光猝滅現象。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果。HIX在pH 4時出現較大值，可能是腐殖質中的羧基發生解離造成的。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。

3 結 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，類腐殖質熒光強度最強，因此受pH值影響最明顯。此外，夏季WSOC類色氨酸熒光峰隨pH值升高略有紅移現象。

(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，可能與熒光基團結構有關。當pH>3時，分子間與分子內的氫鍵作用增強，導致熒光強度隨pH值增大而下降。

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