我们介绍了用于评估环境中黑炭(PyC)的苯多羧酸(BPCA)方法。该化合物特异性方法能够同时提供关于黑炭的特征、含量及其同位素组成(13C 和 14C)的独有信息。
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我们介绍了用于评估环境中黑炭(PyC)的苯多羧酸(BPCA)方法。该化合物特异性方法能够同时提供关于黑炭的特征、含量及其同位素组成(13C 和 14C)的独有信息。
由燃烧产生的热解碳(PyC),有时称为黑碳(BC),是生物质和化石燃料燃烧后形成的碳质固体残留物,例如木炭和烟灰。由于热解碳在环境中具有持久性,因此广泛存在于自然环境中,且随着全球野火活动的预测性增加以及化石燃料的持续燃烧,其含量可能进一步上升。此外,有机废弃物的工业热解过程也越来越多地产生热解碳,用于制备炭基土壤改良剂(生物炭)。同时,纳米技术的发展也可能导致类似热解碳的化合物释放到环境中。因此,可靠地检测、表征和定量这些炭化物质已成为一项重要任务,以研究其环境特性并阐明其在碳循环中的作用。
本文介绍了苯多羧酸(BPCA)方法,该方法可同时评估黑炭(PyC)的特征、含量及其同位素组成13C 和 14C)的分子层面。该方法适用于多种环境样品材料,可检测燃烧连续体广泛范围内存在的黑炭(PyC), 即, 它对轻度炭化的生物质以及高温生成的焦炭和烟灰均具有敏感性。本文所介绍的BPCA方法操作简便、高度可重复,且易于根据特定需求进行扩展和修改。因此,该方法为多种学科领域中的黑炭研究提供了多功能工具,应用范围涵盖考古学、环境法医学,以及生物炭和碳循环研究。
在完全燃烧过程中,生物质或化石燃料会转化为 CO2、H2O 和无机残留物(灰分)。然而,在局部或暂时缺氧的条件下,燃烧变得不完全,发生热解反应,生成一种称为焦炭(char)的固态有机残留物1。这些炭化残留物也被称为热解有机质(pyrogenic organic matter, PyOM),主要成分为热解碳(pyrogenic carbon, PyC),亦称黑碳(black carbon, BC)2-4。炭化过程普遍存在,可发生于自然和人为燃烧过程中5-6。野火是一种重要的自然过程,内在于大多数生态系统之中,每年产生大量热解碳4,7-10。同样,工业和交通领域为能源生产而燃烧化石燃料,也是热解碳的重要人为来源11-13。这两类来源共同导致热解碳在环境中广泛分布:热解碳以气溶胶形式存在于大气中13-14,以颗粒态或溶解态有机质形式存在于水体中15-17,也存在于冰芯18-19、土壤20-21 和沉积物22-24 中,其尺寸范围从米级到纳米级不等(例如,森林火灾后残留的大型炭化树干,或从柴油发动机尾气中逸出的纳米级烟尘颗粒)。热解碳在环境中的广泛存在不仅源于其巨大的生成量,还因其具有较长的存留时间和对降解的相对稳定性25-26。尽管确切的周转时间尚未明确,且可能受特定环境条件影响27-28,但显然热解碳比大多数其他形式的有机碳更难分解为 CO229-30。这一现象对全球碳循环具有重要意义:由于炭化物质能够长期储存热解碳,从而将原本会迅速以 CO2 形式呼吸释放的碳以有机形式封存,长期来看有助于降低大气中温室气体浓度31-32。
除了减缓气候变化的作用外,生物炭还具有其他与环境相关的特性。其高孔隙度、巨大的比表面积以及负表面电荷能够固定有害化合物。33 并提高土壤肥力34-35将木炭视为一种潜在有益的土壤改良剂的认识,推动了所谓生物炭技术这一新兴领域的发展。36生物炭在未来几年可能会大规模生产,从而显著增加土壤中热解碳(PyC)的含量37此外,预计在整个21世纪,野火的发生以及化石燃料的燃烧仍将保持在较高水平。th 世纪以来,持续向环境中贡献大量PyC11,38-39另一个日益重要的PyC来源可能是纳米技术,该技术同样使用类似PyC的化合物。40-41因此,准确检测、表征和定量这些生热物质对于研究其性质并理解其在环境中的作用至关重要。
本文介绍了一种先进的化合物特异性方法,用于分析各类样品中的黑炭(PyC):即最新一代的苯多羧酸(BPCA)方法。42该方法在PyC研究领域具有广泛适用性,因其直接针对 "骨架" PyC的多环缩合结构,其在热处理过程中形成43-45 因此是所有各种形式的PyC所固有的5,46然而,由于这些结构的尺寸和异质性,无法通过色谱方法直接检测。为了对这类生烟化合物进行色谱分析,首先需在高温高压条件下用硝酸消化PyC,将大分子多环结构降解为其基本组成单元,即单个的BPCAscf. 图1经过几步纯化后,BPCAs 可用于色谱分析。20,42因此,可以对PyC进行分子水平的分离和分析,并用于量化其在环境组分中的丰度20,42此外,通过比较B3-、B4-、B5-和B6CA的相对产率,BPCA方法还可对所研究的热解碳进行表征。参见 图 1不同羧基化BPCAs的相对比例与原始多环结构的大小相关,因此可指示热解碳(PyC)的质量和热解温度44,47-48此外,所介绍的方法还可用于测定碳同位素组成(13C 和 14C) 的 PyC,因为单个 BPCA 来自纯的 PyC 结构,分离后可进行同位素分析(参见 图1,步骤5和6)49. 黑碳的化合物特异性同位素分析备受关注50 因为它可以被使用, 例如, 以区分热带地区生物炭前体生物质的差异51-52,以测定炭化材料的年代53-54 或使用同位素标记在碳循环研究中追踪黑炭(PyC)26,55-56有关PyC以及BPCA方法的历史、发展和具体应用的进一步信息,可参见Wiedemeier, 201457,上述部分段落和讨论内容由此处汇编而成。
1. 一般注意事项和准备工作
2. HNO3 消解
3. 阳离子的去除
4. 非极性化合物的去除
5. 色谱法
6. 纯化BPCA的湿法氧化以进行后续的13C和14C分析
我们建议通过测量一系列已有充分描述的热解碳材料(“黑碳参考物质”),来验证方法的建立,这些材料在文献中已被广泛用于各种方法的开发和比较44,48,69-77。有关参考物质的信息可从苏黎世大学获取(http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials)。
所描述的程序可实现所有BPCA目标化合物通过高效液相色谱(HPLC)的基线分离。参考物质“chernozem”(含显著含量的黑炭的粉质土壤)和草本木炭(由 Oryza sativa如图所示 图2通过调整色谱参数 表1 和 2 (例如, 色谱温度、溶剂A的pH值或流速 等等。),可根据具体需求进一步调整分离条件42,63.
使用外标法对参比材料的色谱图进行定量分析(步骤 5.3)应得到如图所示的 PyC 值 图3请注意,实验步骤中的细微变化(例如, 在特定情况下省略步骤3或步骤4可能导致更高的PyC值。通常应使用纯BPCA标准品检查回收率:添加标准物质的参照材料有助于检测步骤3和步骤4中不成比例的损失,并提供有关步骤5中色谱性能的信息 42,63.
表3 显示 13C 和 14在参考物质的纯化BPCA经过第6步后分析其碳同位素含量时所获得的C值。为获得可靠结果,必须收集足量的BPCA-C例如, > 30 µg 适用于当前加速器质谱仪的BPCA-C, 参见 图 4并采取一切可能措施,最大限度减少外来污染物对样本的污染 49.
除了使用上述参考物质检查方法建立情况外,强烈建议对样品进行重复制备和测定,包括用于PyC定量(步骤5)以及后续BPCAs的化合物特异性13C和14C分析(步骤6)。

图1: BPCA分析流程。 在实验方案的步骤2中,PyC的多环芳香稠合结构被降解,生成不同的BPCAs,随后进一步纯化(步骤3和4),并通过色谱法进行分析与分离(步骤5)。经过湿法氧化(步骤6)后,纯化的BPCAs可用于在同位素比值质谱仪上进行化合物特异性同位素分析(13C 和 14C)。请点击此处查看该图的放大版本。

图2: BPCA 分离的色谱图。 图中显示了黑碳标准物质“chernozem”(a) 和“grass char”(b) 的结果。所有目标 BPCA 化合物(B6CA;B5CA;1,2,4,5-、1,2,3,5-、1,2,3,4-B4CA;1,2,4-、1,2,3-B3CA)均实现了基线分离42。有关黑碳标准物质的信息可从苏黎世大学获取(http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials)。本图改编自 Wiedemeier et al. 201342,经 Elsevier 许可转载。请点击此处查看此图的放大版本。

图3: 不同黑碳标准物质的重复PyC测定结果。 实验室重复测量的误差棒小于符号尺寸,变异系数平均为5%(最小值:1%,最大值:10%)。该图改编自Wiedemeier et al. 201342,经Elsevier许可转载。 请点击此处查看此图的放大版本。

图4: 从现代和化石木炭中分离出的B5CA和B6CA的放射性碳(14C)值。 所给出的误差包括仪器加速器质谱仪本底校正以及湿氧化空白校正。实心灰色线表示相应样品的实际F14C值与测定的外部平均污染值混合后的理想化曲线。该图改编自Gierga et al. 201449,经Elsevier许可转载。请点击此处查看此图的放大版本。
| 流动相 A | 980 ml 超纯水中加入 20 ml 正磷酸(85%) |
| 流动相 B | 乙腈 |
| 色谱柱 | C18 反相色谱柱(cf. 材料清单了解详情) |
| 柱温 | 15 °C |
| 流速 | 0.4 ml min-1 |
| 定性分析 | 保留时间,216 nm 处的紫外吸收 |
| 定量分析 | BPCAs 外标法 |
| 压力 | ca. 120 bar |
表1: 色谱设置。
| 时间 | 流动相 B |
| [min] | [vol %] |
| 0 | 0.5 |
| 5 | 0.5 |
| 25.9 | 30 |
| 26 | 95 |
| 28 | 95 |
| 28.1 | 0.5 |
| 30 | 0.5 |
表2:流动相的梯度混合。
| 块体木炭 | 苯多环芳烃碳分析法(BPCA) | |||
| δ13C [‰ vs. VPDB] | ||||
| 栗木木炭 | -27.4a | ±0.4a | -27.7 | ±0.8 |
| 玉米木炭 | -12.9 | ±0.4 | -13.0 | ±0.4 |
| F14C [%] | ||||
| 现代木炭 | 1.142b | ±0.004b | 1.13 | ±0.013 |
| 化石木炭 | 0.003b | ±0.001b | 0.014 | ±0.001 |
表3:碳同位素值(δ13C 和 F14参考炭质材料的碳同位素值及相应苯多环羧酸化合物的单体同位素分析 BPCA 值代表在步骤 5 中同时采集的 B6CA 和 B5CA。然而,当 BPCA 被分别收集时,也可采用类似方法对单个 BPCA 进行同位素分析。总炭屑数据来自 Yarnes 等 (2011) 73 中国台湾栗色炭棒菌 (a) 以及来自 Gierga 等 (2014) 49 化石与现代香鱼 (b). 误差对于 δ13C 测量值为三次重复实验的标准误差,而 F 的误差14C 测量值(块体炭:ETH-50456,ETH-50458;BPCA:ETH-62324,ETH-62335)源自误差传递64.
与其它现有的生炭(PyC)方法相比,BPCA 方法具有多个重要优势78-79:i) 它可在较宽的燃烧连续体范围内检测生炭,即,对轻度炭化的生物质以及高温生成的炭和烟炱均具有灵敏性42,70;ii) 可同时对生炭进行表征16,44,80-81、定量20,42以及同位素分析49-50,66,73,82-83;iii) 适用于极为广泛的环境样品材料42,70;iv) 其方法学已受到广泛评述,并可与其他生炭检测方法的评估结果建立一致的框架44,47,70,84-85。基于上述所有原因,BPCA 方法可以说是迄今为止最通用的生炭分析方法,其基本假设条件明确,且已通过与其他方法的持续比对得到验证。
上述方案整合了先前BPCA方法的优点,形成了一套单一的操作流程,具有高度可重复性,操作简便,并可根据特定需求轻松扩展和修改。例如,当色谱分析采用pH梯度而非有机溶剂时,可实现BPCA的在线同位素比值监测42,从而无需进行湿法氧化步骤。类似地,若已知某些样品中不含阳离子和/或非极性化合物,则可省略去除阳离子和/或非极性化合物的步骤(步骤3和4)(例如,在某些实验室制备的炭材料中)。
与所有热解碳(PyC)分析方法一样,BPCA 方法也存在一些局限性。需要特别指出的是,BPCA 方法在本质上会低估样品中总的 PyC 含量:该方法通过破坏 PyC 的多环结构以提取其 BPCA 结构单元,因此无法以 BPCA 形式定量回收全部的 PyC。20,86过去曾提出使用转换系数将BPCA产量转化为总PyC含量。然而,由于大多数炭中芳香缩合程度具有异质性,实际上不可能找到一个准确的转换系数。41,48,80,86在许多情况下,样品的PyC含量是相互比较的42,81,87-88我们建议不要使用任何转换系数,而直接报告BPCA数据 "如所测量的"48在特定情况下,当利用BPCA产量来估算绝对的PyC含量时24,89-90,最初发表的转换系数20 2.27 的数值似乎是合适的,因为它可将 BPCA 产量转换为 PyC 含量的保守估计值86.
PyC方法的另一个难点在于,它们可能对干扰性非PyC物质敏感,和/或在分析过程中自身产生PyC,从而导致对样品中实际PyC含量的高估70BPCA 方法对这类干扰物质具有很强的抗干扰能力70,本身不产生任何PyC16,70,86 且具有保守性(参见 上一段所述)。即使是化学性质与热解碳非常相似但成因上属于岩源的石墨,也不会干扰BPCA测定。(Schneider, M. P. W. 未发表结果 苏黎世,(2013)目前,BPCA方法已知的唯一非PyC干扰物是一些真菌产生的缩合芳香色素。91,对于绝大多数研究而言,其定量影响应可忽略不计86BPCA 方法具有同时进行定性、定量和 13C 和 14因此,碳同位素信息是研究各种学科中黑碳(PyC)的有力工具。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者们衷心感谢以下资助方的支持:苏黎世大学研究重点计划“全球变化与生物多样性”、瑞士国家科学基金会项目 134452、131922、143891、119950 和 134847,以及深部碳观测计划——深部能源奖 60040915。
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| HNO3 (65%) p.a. | Sigma Aldrich | 84378 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/84378?lang=de®ion=CH |
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| 2 M NaOH | Sigma Aldrich | 71691 | 与超纯水混合配制成 2 M 溶液 |
| 甲醇 | Sigma Aldrich | 34860 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34860?lang=de®ion=CH |
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| 正磷酸 | Sigma Aldrich | 79606 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/79606?lang=de®ion=CH |
| 乙腈 | Sigma Aldrich | 34851 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34851?lang=de®ion=CH |
| C18 反相色谱柱 | Agilent Technologies | 685975-902 | Agilent Poroshell 120 SB-C18 (4.6 x 100 mm) |
| Na2S2O8, 过硫酸钠 | Sigma Aldrich | 71890 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/71890?lang=de®ion=CH |
| BPCA 标准品 | |||
| 偏苯三酸 | Sigma Aldrich | 92119 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/92119?lang=de®ion=CH |
| 间苯二甲酸 | Sigma Aldrich | 51520 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/51520?lang=de®ion=CH |
| 均苯四酸 | Sigma Aldrich | 83181 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search? term=83181&interface=All& N=0&mode=match%20partialmax& lang=de®ion=CH&focus=product |
| 苯五羧酸 | Sigma Aldrich | S437107 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/s437107?lang=de®ion=CH |
| 苯六甲酸 | Sigma Aldrich | M2705 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/m2705?lang=de®ion=CH |
| 氧化标准品 | |||
| 邻苯二甲酸 | Sigma-Aldrich | 80010 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/80010?lang=de®ion=CH |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S7903 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s7903?lang=de®ion=CH |
| 黑碳标准物质 | 苏黎世大学 | N/A | http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials |
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