一种水体不同分子量溶解性有机碳与重金属络合度评价方法

技术领域

本发明属于环境监测领域中的分析方法，具体涉及一种水体中溶解性有机物与金属离子络合度的评价方法。

背景技术

重金属具有稳定性、生物毒性及生物积累性，水系中重金属不仅存在于水体中，大部分进入水体的重金属在吸附、絮凝、沉淀等因子作用下富集于沉积物中。在水体中，溶解性有机碳（DOC）被认为是控制重金属迁移转化和归趋的主要因素之一。由于重金属污染跟其形态具有密切关系，故重金属与DOC的络合程度不仅可以用来反映重金属与DOC结合的能力，还可以用来简单评估存在于DOC-重金属络合物之中结合态重金属的潜在毒性大小。因此，评估DOC与重金属络合度对水体水质保护来说具有重要意义。

目前研究DOC不同分子量和重金属离子络合作用的研究方法很多，常见的方法有离子交换、平衡渗析、离子选择电极、紫外吸收光谱、三维荧光光谱技术和红外光谱技术等。这些技术都可以通过化学计量学方法，定量化研究DOC配体与金属离子之间的相互关系，如计算二者的稳定常数以及配体的络合容量等。其中平衡渗析和离子电极法所需实验装置简单、分子量可选择、成本低并且使用方便，原子吸收光谱可以快速测定溶液中金属离子浓度，使用荧光光谱法结合平行因子分析可较快获得DOC具体组分的变化等信息，这些技术虽然都有各自的优势之处，但是检测的方面都较为单一，得到的实验数据也较为片面，准确率低，因此在面对检测水体中复杂的组分，这几种方法结合使用可更为全面的获取水体不同分子量溶解性有机碳与重金属络合程度的信息，而不用进行复杂计算。

发明内容

本发明所要解决的实际问题是：针对目前检测方法操作复杂，检测方向单一，速度慢的问题，提供一种水体中不同分子量溶解性有机碳与重金属络合程度的评价方法，通过平衡渗析模拟实验来观测水体中不同分子量溶解性有机碳与重金属络合后结合态金属浓度变化，通过有机物与重金属共存的水体中污染物的源与汇，来评价水体中水质的变化和对人体健康的影响。

为实现上述目的，本发明提供的溶解性有机碳与重金属络合程度的评价方法，其具体步骤为：

（1）选取不同分子量的生物膜渗透袋(Spectra/Por CE，Fisher Scientific)在去离子水中浸泡30min以去除原先渗透袋上的保护液中的叠氮化钠；

（2）在烧杯中加入400 mL的重金属离子质量浓度为2 mg/L重金属硫酸盐溶液作为外部溶液；

（3）在渗透袋全部浸入外部溶液前，在袋中加入10mL提取的DOC溶液作为内部溶液，然后用自带夹子将其密封，最后将烧杯密封防止外部溶液蒸发；

（4）将盛有外部溶液和内部溶液的烧杯置于恒温箱中，时间持续12～15d，用磁力搅拌棒不断搅拌外部溶液使其达到充分均匀，所述恒温箱的温度为3～4℃；

（5）从恒温箱中取出烧杯中的外部溶液，用原子吸收光谱测定重金属总浓度，使用离子电极测量烧杯中外部溶液中自由态重金属离子浓度，每个分子段所含总重金属的多少减去渗透平衡后离子电极所测得的自由态重金属含量即可得到不同分子量段DOC中所含的结合态重金属的含量；利用这些结合态重金属含量变化来评价水中不同分子量DOC与重金属络合度；即某分子段结合态重金属含量越高，该分子段DOC与重金属络合程度越大；

（6）从恒温箱中取出烧杯中的外部溶液，用荧光光谱法检测每个烧杯中外部溶液中的DOC光谱，结合平行因子法即可推断和进一步检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度。

所述的重金属离子中，重金属种类包括但不限于Fe、Al、Ca、Mg、Cu、Pb、Cd、Ni和Hg。

所述DOC为不同分子量溶解性有机碳，溶解性有机碳包括类富里酸、腐殖酸、类蛋白质。

所述的不同分子量溶解性有机碳分别为：1000，2000，3500，7000Da。

所述的渗透容器为500 mL的烧杯。

所述的荧光光谱法，测定步骤包括：

（1）设对照组，用去离子水替代重金属离子硫酸盐溶液作为实验外部溶液；

（2）取对照组和重金属离子硫酸盐溶液实验组实验结束后每个烧杯中外部溶液，使用荧光光谱仪进行检测，获得三维荧光光谱；

（3）将三维荧光光谱进行分解，所有组分光谱特征与其他文献三维荧光光谱结果进行对比，确认识别的荧光组分所代表溶解性有机碳物质类型；

（4）荧光光谱结合平行因子法即可推断和进一步检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度。

所述的平行因子法，具体评价方法为：

使用Matlab软件运用平行因子分析法(PARAFAC)模型对水样中CDOM的三维荧光光谱图进行识别荧光组分特征。

本发明的有益效果：

目前DOC的测定需事先酸化除去无机碳，再分两步测定，先将有机物化成CO2，主要有湿化学氧化，光催化照射接触氧化、高温燃烧氧化法；接着测定产生的CO2，最普遍的是非色散红外光谱法，由于使用的仪器昂贵，操作复杂，不适宜常规检测，且不能测定DOC与重金属的络合程度，而本申请克服了上述缺点。本申请通过平衡渗析模拟实验确定水体中DOC与重金属结合的浓度变化，通过原子吸收光谱测定平衡溶液中总金属离子浓度，通过离子电极测定自由态金属离子浓度，则可以快速得到水体中DOC与重金属的络合程度；同时水体中DOC的具体组分主要分为类富里酸、类腐殖酸、类蛋白质三种组分，通过荧光光谱法测定水体中组分的荧光峰强度的变化，可较快分析水体中DOC在不同分子量下具体组分与重金属络合后导致荧光猝灭的变化信息，而不会破坏样品的结构，针对大量检测具有更好的准确率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

具体实施：取实际水样经过0.45μm滤膜过滤,得到DOC溶液备用。所有实验均用去离子水作为外部溶液进行对照实验，且每个实验均设3个重复样；选取不同分子量（1000，2000，3500，7000 Da）的生物膜渗透袋(Spectra/Por CE，Fisher Scientific)放在500mL烧杯中，用在去离子水中浸泡30~45min用于除去原先渗透袋上的保护液中的叠氮化钠；向烧杯中加入400 mL的重金属硫酸盐(如Cu2+浓度为2 mg/L)作为外部溶液（重金属以Cu为例）；设对照组，用去离子水替代重金属离子硫酸盐溶液作为实验外部溶液；在每个容器中放入一只渗透袋，在渗透袋全部浸入外部溶液前，在袋中加入10 mL提取的DOC溶液作为内部溶液，然后用自带夹子将其密封，最后将烧杯密封防止外部溶液蒸发；将盛有外部溶液和内部溶液的烧杯置于恒温箱中反应，用磁力搅拌棒不断搅拌外部溶液使其达到充分均匀，时间持续12～15d，恒温箱的温度维持在3～4℃。渗析从最小的分子量（1000Da）开始，达到渗析平衡后，分子量为1000Da渗析袋外部的溶液就是分子量＜1000Da组分，将分子量为1000Da的渗析袋转移到2000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是1000-2000Da组分，将分子量为2000Da的渗析袋转移到3500Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是2000-3500Da组分，将分子量为3500Da的渗析袋转移到7000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是3500-7000Da组分。

具体评价方法：取对照组和重金属离子硫酸盐溶液实验组实验结束后每个烧杯中外部溶液，用原子吸收光谱测定重金属总浓度，使用离子电极测量烧杯中外部溶液中自由态重金属离子浓度，每个分子段所含总重金属的多少减去渗透平衡后离子电极所测得的自由态重金属含量即可得到我们所需要的不同分子量段DOC中所含的结合态重金属的含量；使用荧光光谱仪进行检测，获得三维荧光光谱，使用Matlab软件运用平行因子分析法(PARAFAC)模型对水样中CDOM的三维荧光光谱图进行识别荧光组分特征，检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度。

实例1

取实际水样经过0.45μm滤膜过滤,得到DOC溶液备用。所有实验均用去离子水作为外部溶液进行对照实验，且每个实验均设3个重复样；选取不同分子量（1000，2000，3500，7000Da）的生物膜渗透袋(Spectra/Por CE，Fisher Scientific)放在500mL烧杯中，用在去离子水中浸泡30min用于除去原先渗透袋上的保护液中的叠氮化钠；向烧杯中加入400 mL的CuSO4 (Cu2+浓度为2 mg/L)作为外部溶液；设对照组，用去离子水替代重金属离子硫酸盐溶液作为实验外部溶液；在每个容器中放入一只渗透袋，在渗透袋全部浸入外部溶液前，在袋中加入10 mL提取的DOC溶液作为内部溶液，然后用自带夹子将其密封，最后将烧杯密封防止外部溶液蒸发；将盛有外部溶液和内部溶液的烧杯置于恒温箱中反应，用磁力搅拌棒不断搅拌外部溶液使其达到充分均匀，时间持续12d，恒温箱的温度维持在4℃。渗析从最小的分子量（1000Da）开始，达到渗析平衡后，分子量为1000Da渗析袋外部的溶液就是分子量＜1000Da组分，将分子量为1000Da的渗析袋转移到2000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是1000-2000Da组分，将分子量为2000Da的渗析袋转移到3500Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是2000-3500Da组分，将分子量为3500Da的渗析袋转移到7000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是3500-7000Da组分。取对照组和重金属离子硫酸盐溶液实验组实验结束后每个烧杯中外部溶液，用原子吸收光谱测定重金属总浓度，使用离子电极测量烧杯中外部溶液中自由态重金属离子浓度，使用荧光光谱仪进行检测，获得三维荧光光谱，使用Matlab软件运用平行因子分析法(PARAFAC)模型对水样中CDOM的三维荧光光谱图进行识别荧光组分特征，检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度，确认识别出2个荧光组分；2个荧光组分分别为C1、C2，其中C1的荧光峰为（275~290/400~440 nm）、C2的荧光峰为（230~240/340~360 nm），C1属于类富里酸荧光组分，C2为典型的类色氨酸荧光组分。

实例2

取实际水样经过0.45μm滤膜过滤,得到DOC溶液备用。所有实验均用去离子水作为外部溶液进行对照实验，且每个实验均设3个重复样；选取不同分子量（1000，2000，3500，7000Da）的生物膜渗透袋(Spectra/Por CE，Fisher Scientific)放在500mL烧杯中，用在去离子水中浸泡30min用于除去原先渗透袋上的保护液中的叠氮化钠；向烧杯中加入400 mL的CaSO4 (Ca2+浓度为2 mg/L)作为外部溶液；设对照组，用去离子水替代重金属离子硫酸盐溶液作为实验外部溶液；在每个容器中放入一只渗透袋，在渗透袋全部浸入外部溶液前，在袋中加入10 mL提取的DOC溶液作为内部溶液，然后用自带夹子将其密封，最后将烧杯密封防止外部溶液蒸发；将盛有外部溶液和内部溶液的烧杯置于恒温箱中反应，用磁力搅拌棒不断搅拌外部溶液使其达到充分均匀，时间持续12d，恒温箱的温度维持在4℃。渗析从最小的分子量（1000Da）开始，达到渗析平衡后，分子量为1000Da渗析袋外部的溶液就是分子量＜1000Da组分，将分子量为1000Da的渗析袋转移到2000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是1000-2000Da组分，将分子量为2000Da的渗析袋转移到3500Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是2000-3500Da组分，将分子量为3500Da的渗析袋转移到7000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是3500-7000Da组分。取对照组和重金属离子硫酸盐溶液实验组实验结束后每个烧杯中外部溶液，用原子吸收光谱测定重金属总浓度，使用离子电极测量烧杯中外部溶液中自由态重金属离子浓度，使用荧光光谱仪进行检测，获得三维荧光光谱，使用Matlab软件运用平行因子分析法(PARAFAC)模型对水样中CDOM的三维荧光光谱图进行识别荧光组分特征，检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度，确认识别出2个荧光组分；2个荧光组分分别为C1、C2，其中C1的荧光峰为（270~290/437~456 nm）、C2的荧光峰为（227~243/338~357 nm），C1属于类腐殖酸荧光组分，C2为典型的类色氨酸荧光组分。

实例3

取实际水样经过0.45μm滤膜过滤,得到DOC溶液备用。所有实验均用去离子水作为外部溶液进行对照实验，且每个实验均设3个重复样；选取不同分子量（1000，2000，3500，7000Da）的生物膜渗透袋(Spectra/Por CE，Fisher Scientific)放在500mL烧杯中，用在去离子水中浸泡30min用于除去原先渗透袋上的保护液中的叠氮化钠；向烧杯中加入400 mL的MgSO4 (Mg 2+浓度为2 mg/L)作为外部溶液；设对照组，用去离子水替代重金属离子硫酸盐溶液作为实验外部溶液；在每个容器中放入一只渗透袋，在渗透袋全部浸入外部溶液前，在袋中加入10 mL提取的DOC溶液作为内部溶液，然后用自带夹子将其密封，最后将烧杯密封防止外部溶液蒸发；将盛有外部溶液和内部溶液的烧杯置于恒温箱中反应，用磁力搅拌棒不断搅拌外部溶液使其达到充分均匀，时间持续12d，恒温箱的温度维持在4℃。渗析从最小的分子量（1000Da）开始，达到渗析平衡后，分子量为1000Da渗析袋外部的溶液就是分子量＜1000Da组分，将分子量为1000Da的渗析袋转移到2000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是1000-2000Da组分，将分子量为2000Da的渗析袋转移到3500Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是2000-3500Da组分，将分子量为3500Da的渗析袋转移到7000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是3500-7000Da组分。取对照组和重金属离子硫酸盐溶液实验组实验结束后每个烧杯中外部溶液，用原子吸收光谱测定重金属总浓度，使用离子电极测量烧杯中外部溶液中自由态重金属离子浓度，使用荧光光谱仪进行检测，获得三维荧光光谱，使用Matlab软件运用平行因子分析法(PARAFAC)模型对水样中CDOM的三维荧光光谱图进行识别荧光组分特征，检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度，确认识别出2个荧光组分；2个荧光组分分别为C1、C2，其中C1的荧光峰为（310~370/400~436 nm）、C2的荧光峰为（225~237/309~321nm），C1属于类富里酸荧光组分，C2为典型的类酪氨酸荧光组分。

实例4

取实际水样经过0.45μm滤膜过滤,得到DOC溶液备用。所有实验均用去离子水作为外部溶液进行对照实验，且每个实验均设3个重复样；选取不同分子量（1000，2000，3500，7000Da）的生物膜渗透袋(Spectra/Por CE，Fisher Scientific)放在500mL烧杯中，用在去离子水中浸泡30min用于除去原先渗透袋上的保护液中的叠氮化钠；向烧杯中加入400 mL的CdSO4 (Cd2+浓度为2 mg/L)作为外部溶液；设对照组，用去离子水替代重金属离子硫酸盐溶液作为实验外部溶液；在每个容器中放入一只渗透袋，在渗透袋全部浸入外部溶液前，在袋中加入10 mL提取的DOC溶液作为内部溶液，然后用自带夹子将其密封，最后将烧杯密封防止外部溶液蒸发；将盛有外部溶液和内部溶液的烧杯置于恒温箱中反应，用磁力搅拌棒不断搅拌外部溶液使其达到充分均匀，时间持续12d，恒温箱的温度维持在4℃。渗析从最小的分子量（1000Da）开始，达到渗析平衡后，分子量为1000Da渗析袋外部的溶液就是分子量＜1000Da组分，将分子量为1000Da的渗析袋转移到2000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是1000-2000Da组分，将分子量为2000Da的渗析袋转移到3500Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是2000-3500Da组分，将分子量为3500Da的渗析袋转移到7000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是3500-7000Da组分。取对照组和重金属离子硫酸盐溶液实验组实验结束后每个烧杯中外部溶液，用原子吸收光谱测定重金属总浓度，使用离子电极测量烧杯中外部溶液中自由态重金属离子浓度，使用荧光光谱仪进行检测，获得三维荧光光谱，使用Matlab软件运用平行因子分析法(PARAFAC)模型对水样中CDOM的三维荧光光谱图进行识别荧光组分特征，检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度，确认识别出2个荧光组分；2个荧光组分分别为C1、C2，其中C1的荧光峰为（272~290/405~440 nm）、C2的荧光峰为（230~240/340~360nm），C1属于类富里酸荧光组分，C2为典型的类色氨酸荧光组分。

实例5

取实际水样经过0.45μm滤膜过滤,得到DOC溶液备用。所有实验均用去离子水作为外部溶液进行对照实验，且每个实验均设3个重复样；选取不同分子量（1000，2000，3500，7000Da）的生物膜渗透袋(Spectra/Por CE，Fisher Scientific)放在500mL烧杯中，用在去离子水中浸泡30min用于除去原先渗透袋上的保护液中的叠氮化钠；向烧杯中加入400 mL的PbSO4 (Pb2+浓度为2 mg/L)作为外部溶液；设对照组，用去离子水替代重金属离子硫酸盐溶液作为实验外部溶液；在每个容器中放入一只渗透袋，在渗透袋全部浸入外部溶液前，在袋中加入10 mL提取的DOC溶液作为内部溶液，然后用自带夹子将其密封，最后将烧杯密封防止外部溶液蒸发；将盛有外部溶液和内部溶液的烧杯置于恒温箱中反应，用磁力搅拌棒不断搅拌外部溶液使其达到充分均匀，时间持续12d，恒温箱的温度维持在4℃。渗析从最小的分子量（1000Da）开始，达到渗析平衡后，分子量为1000Da渗析袋外部的溶液就是分子量＜1000Da组分，将分子量为1000Da的渗析袋转移到2000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是1000-2000Da组分，将分子量为2000Da的渗析袋转移到3500Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是2000-3500Da组分，将分子量为3500Da的渗析袋转移到7000Da的烧杯中，达到渗析平衡后，该烧杯中溶液就是3500-7000Da组分。取对照组和重金属离子硫酸盐溶液实验组实验结束后每个烧杯中外部溶液，用原子吸收光谱测定重金属总浓度，使用离子电极测量烧杯中外部溶液中自由态重金属离子浓度，使用荧光光谱仪进行检测，获得三维荧光光谱，使用Matlab软件运用平行因子分析法(PARAFAC)模型对水样中CDOM的三维荧光光谱图进行识别荧光组分特征，检验在各分子段DOC被重金属猝灭的具体组分和程度，确认识别出2个荧光组分；2个荧光组分分别为C1、C2，其中C1的荧光峰为（370~390/460~480 nm）、C2的荧光峰为（233~240/340~357nm），C1属于类富里酸荧光组分，C2为典型的类色氨酸荧光组分。

检测方法：溶解性有机碳（DOC）用TOC仪测定，样品过0．45μm滤膜，检出限为0.01mg/L；总氮的测定用过硫酸钾消解，紫外分光光度法（GB11894—89）测定；总Cu浓度用火焰原子吸收光谱测定，检出限低于0.07 mg/L；自由态Cu用离子选择性电极（ISE）测定，检出限为6.4×10

评价方法：评估不同分子量组分DOC结合Cu的能力，通过从总Cu浓度中减去自由态Cu离子的浓度计算不同分子量DOC组分结合Cu的络合度，公式为：

络合度=C

不同分子量溶解性有机碳的平均测定值测定方法：样品处理和分析使用分析纯化学药品和去离子水。所有的玻璃器皿用稀硝酸浸泡，去离子水冲洗5遍．3个重复的相对偏差低于5%，标准样品回收率在90%—100%。分析结果取每组3个实验数据的平均测定值。

表一 实施例水体中不同分子量溶解性有机碳的平均测定值

表二 实施例水体中出现的荧光峰组分

综上所述，本发明实施例1中水样不同分子量DOC浓度随着分子量的增大而减少，分子量（＜1000Da）DOC占总量的31.3%，分子量组分（1000~2000Da）DOC占总量的28.6%，分子量组分（2000~3500Da）DOC占总量的21.6%，分子量组分（3500~7000Da）DOC占总量的18.5%，同时本发明能快速检测出水体中溶解性有机碳，还能利用荧光光谱法测定水体中溶解性有机碳具体组分和强度，由荧光峰的变化解析出水体中溶解性有机碳各荧光组分的最大荧光强度，同时通过荧光光谱图推断在不同分子量下，溶解性有机碳被重金属猝灭的具体组分，可知在低分子量下DOC更容易与重金属络合。