怡欣等-AG: 苯多羧酸單體雙碳同位素分析技術(shù)用于黑碳物質(zhì)的跨圏層示蹤
黑碳物質(zhì)(BC)廣泛存在于地球表層系統(tǒng)各圈層介質(zhì),是地表慢碳循環(huán)碳庫的重要組成部分,在全球碳循環(huán)中占據(jù)重要地位。針對不同圏層介質(zhì)的研究(如,大氣、水體、土壤)和在不同目標導(dǎo)向下的BC研究,對BC的表征方法存在很大差異,妨礙了BC物質(zhì)生物地球化學循環(huán)的跨圈層對接。為了深入了解地表不同圈層介質(zhì)中BC的來源及其地球化學行為,本研究基于表征BC稠合芳香結(jié)構(gòu)的苯多羧酸法(BPCA法),建立了跨圈層介質(zhì)的BPCA單體雙碳同位素(δ13C-Δ14C)分析技術(shù)體系,為BC來源和跨圈層地球化學過程的示蹤,提供了新工具。
目前用于制備BPCA單體的制備液相色譜(prep-HPLC)方法通常使用磷酸水溶液作為水相流動相,由于磷酸不能揮發(fā),所以制備液中會存在磷酸殘留。因此,后續(xù)對BPCA進行雙碳同位素測定前,只能先對樣品進行濕氧化,將BPCA單體轉(zhuǎn)化為CO2,再在真空系統(tǒng)中將一部分CO2氣體定量分離出來,利用GC-IRMS測定BPCA-δ13C,另一部分用于制備石墨靶、并在加速器質(zhì)譜(AMS)上測定BPCA單體Δ14C。在實踐上,由于CO2氣體分樣,這往往會導(dǎo)致BPCA單體Δ14C分析面臨碳量不足的問題,或帶來較大的AMS 14C測量偏差。
中國科學院廣州地球化學研究所博士研究生怡欣在張干研究員和鐘廣財副研究員的指導(dǎo)下,建立了BPCA單體雙碳同位素(δ13C-Δ14C)分析技術(shù)新方法(圖1),在使用prep-HPLC制備BPCA單體時,以三氟乙酸(TFA)水溶液作為色譜流動相,不僅保證了不同BPCA單體獲得良好的基線分離,同時還可通過高純氮氣吹掃,完全去除餾分收集液中的流動相(TFA)。這樣,可通過高效液相色譜-同位素比值質(zhì)譜儀(HPLC-C-IRMS)直接測定已純化制備的BPCA單體的δ13C,一方面,極大減少因樣品中其他有機酸未完全氧化而導(dǎo)致HPLC-C-IRMS氧化室堵塞的問題,另一方面,最大程度地將寶貴的BPCA單體碳量留給AMS 14C分析。而且,BPCA-Δ14C分析也不再局限于濕氧化,而是可以采用經(jīng)典的氧化銅(CuO)高溫氧化法將BPCA轉(zhuǎn)化為CO2,進而合成石墨靶、以AMS測定14C,這也顯著提高了實驗的可操作性和測試效率。

圖1 苯多羧酸單體雙碳同位素分析用于示蹤黑碳物質(zhì)的分析技術(shù)方法

圖2 環(huán)境參考物質(zhì)中BC的δ13C-Δ14C同位素組成特征
該方法可以很好地反映不同環(huán)境介質(zhì)中BPCA母體BC的來源。特別是將BC的雙碳同位素組成(δ13C和Fm)繪制在二維坐標軸上時,不同來源BC的特征范圍差別顯著(圖2)。從圖中可以判識,城市灰塵(SRM 1649b)樣品中的BC主要來源于煤燃燒;河流天然有機質(zhì)(NOM 2R101N)樣品中的溶解性黑碳(DBC)主要來源于現(xiàn)代C3植物的燃燒;而海洋沉積物(SRM 1941b)樣品中的BC主要來自煤燃燒和/或歷史的C3植物燃燒。此外,在典型的國際標準環(huán)境參考物質(zhì)中,不同BPCA單體的δ13C-Δ14C特征普遍存在一定差異,表明不同稠合度的BC可能具有不同的來源和地球化學行為。本研究認為,單體BPCA的雙碳同位素分析可以在分子同位素水平上為BC的來源和過程示蹤提供新視角。
研究成果被《應(yīng)用地球化學》(Applied Geochemistry)遴選為當期編輯推薦(Editor’s Choice)論文。本項研究受到國家自然科學基金(編號:42192511和2030715)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(編號:2023B0303000007和2023B1515020067)以及中國科學院青年創(chuàng)新促進會(編號:2022359)的資助。
論文信息:Xin Yi, Guangcai Zhong, Xiaofei Geng, Jiao Tang, Boji Lin, Sanyuan Zhu, Shutao Gao, Chuxin Yao, Zhineng Cheng, Shizhen Zhao, Jun Li, Gan Zhang, Dual-carbon isotope analysis of benzene polycarboxylic acids for tracking black carbon across different environments, Applied Geochemistry, Volume 170, 2024, 106062
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2024.106062

新聞動態(tài)