一種土壤中硝基化合物的可視化原位分析方法

2023-05-10 00:57:56

一種土壤中硝基化合物的可視化原位分析方法
【專利摘要】一種土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，其步驟如下：1)將冷凍土壤微團聚體顆粒切片得到微切片樣品，並將其轉移到載玻片上；2)利用同步輻射傅立葉變換紅外顯微成像技術分析待測微切片樣品中硝基化合物、不同有機碳形態及黏土礦物組成與微區分布；3)對測定數據解譜，得到目標硝基化合物、不同形態有機碳、黏土礦物土壤中的賦存形態、微區分布譜圖；對譜圖進行分析，得到影響硝基化合物在土壤中結合位點、微區分布的關鍵因素信息。本發明具有形象直觀效果，實現土壤中硝基化合物的可視化觀測，為揭示相關反應機制及汙染土壤修復提供實驗證據和理論支持。
【專利說明】一種土壤中硝基化合物的可視化原位分析方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於有機汙染物分析化學領域，具體涉及汙染土壤中硝基化合物界面行為 的分析方法，同時包括待分析樣品的製備方法和分析參數等。

【背景技術】
[0002] 有機汙染物在土壤中的界面遷移與轉化行為與其在土壤介質上的結合位點及賦 存形態密切相關。這方面的研究一直是環境化學領域的熱點。以往的相關研究主要依賴於 化學提取、質譜分析等手段。這些方法不可避免地對土壤組成和結構造成擾動和破壞，難以 反映土壤中汙染物的真實分布情況。基於同步輻射光源的譜學技術具有空間解析度好、靈 敏度高等特點。隨著同步輻射譜學技術的發展與應用，使原位分析環境介質中有機汙染物 的結合位點和賦存形態成為可能，是探索土壤中汙染物環境界面反應機制的首選技術。
[0003] 以往研究表明硝基化合物在環境介質中的吸附反應和結合位點同時受有機碳含 量和形態及黏土礦物組成兩方面因素的影響。應用常規技術手段很難直接、同時分析硝基 化合物、不同形態有機碳及黏土礦物的在土壤中的結合位點及分布。應用同步輻射紅外成 像譜學技術，可以實現直接同時表徵硝基化合物及土壤有機碳不同形態、黏土礦物組成等 在土壤中的賦存形態、微區分布，進而為認識和預測硝基化合物在土壤中的環境行為提供 直接證據。利用同步輻射光源可以顯著提高紅外成像分析的檢測限和空間解析度。通過 該分析方法，可以直接建立硝基化合物在土壤中的結合位點、降解轉化等與土壤組分之間 的聯繫，從而形象直觀地揭示土壤中硝基化合物的結合位點、賦存形態、微區分布等反應機 制。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提供一種土壤中硝基化合物的可視化原位分析方法，以建立一種 可以在原位、微米尺度、形象直觀地分析土壤中硝基化合物的賦存形態和微區分布的方法。
[0005] 為實現上述目的，本發明提供的土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，其步 驟如下：
[0006] 1)將冷凍土壤微團聚體顆粒切片得到微切片樣品，並將其轉移到載玻片上；
[0007] 2)利用同步輻射傅立葉變換紅外顯微成像技術（FTIR)分析待測微切片樣品中硝 基化合物、不同有機碳形態及黏土礦物組成與微區分布；
[0008] 3)對測定數據解譜，得到目標硝基化合物、不同形態有機碳、黏土礦物土壤中的賦 存形態、微區分布譜圖；對譜圖進行分析，得到影響硝基化合物在土壤中結合位點、微區分 布的關鍵因素信息。
[0009] 所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法中，步驟1)中的冷凍土壤微團聚 體顆粒為土壤水飽和微團聚體，粒徑在50-800 μ m之間。
[0010] 所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法中，步驟1)微切片樣品厚度為 0· 1-10 μ m ;載波片為Low-E載玻片上；
[0011] 所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法中，步驟2)中分析待測微切片樣 品的測定步長為5-30 μ m ;測定模式為反射模式。
[0012] 所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法中，步驟3)是通過Omnic軟體對測 定數據解譜。
[0013] 本發明的土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，可以直接反映汙染物在土壤 中的結合位點，避免因複雜前處理造成對土壤中汙染物結合位點、微區分布及賦存形態等 信息的幹擾，為土壤中汙染物的反應機制研究提供直接的科學證據。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是實施例1中1，3-二硝基苯在汙染棕壤中可視化分布及與不同形態有機碳、 黏土礦物微區分布的關係；其中硝基作為1，3-二硝基苯的示蹤基團；圖中a為汙染土壤微 切片光學顯微圖片及硝基熱點示意圖，b為硝基（N0 2) (15 36〇1^)，(：為芳香基碳（1613CHT1)， d 為羧基碳（1730cm-1)，e 為脂肪基碳（2922cm-1)，f 為黏土礦物（0-H) (3621cm-1)。
[0015] 圖2是實施例1中1，3-二硝基苯及芳香基碳在汙染棕壤中可視化分布疊加圖。
[0016] 圖3是實施例1中1，3-二硝基苯及其在兩種汙染土壤中熱點區域的紅外譜圖。 [0017] 圖4是實施例2中1，3-二硝基苯在汙染黑土中可視化分布及與不同形態有機 碳、黏土礦物微區分布的關係；其中硝基作為1，3-二硝基苯的示蹤基團；圖中a為汙染黑 土微團聚體微切片光學顯微圖片及硝基熱點示意圖，b為硝基（N0 2) (15 36CHT1)，c為芳香 基碳（161300, d為羧基碳（17300^), e為脂肪基碳（2922CHT1)，f為黏土礦物（0-H) (3621cm 〇。
[0018] 圖5是實施例2中1，3-二硝基苯及芳香基碳在汙染黑土中可視化分布疊加圖。

【具體實施方式】
[0019] 本發明提供的技術方案主要包括：
[0020] 1)測樣前一周內，調節汙染土壤含水量至田間持水量，並保持過夜（>12小時），通 過放大鏡及光學顯微鏡選擇粒徑大小合適（50-800 μ m)的穩定微團聚體，用於冷凍切片， 製備0. 1-10 μ m厚度微切片樣品，置於Low-E載玻片，於乾燥皿內避光保存，備測；
[0021] 2)應用FTIR顯微成像技術分析微切片樣品中硝基化合物、不同形態有機碳及 黏土礦物的組成和微區分布信息，測定步長為5-30 μ m，測定模式為反射模式，解析度為 1-4CHT1，掃描 32-128 次；
[0022] 3)利用數據處理軟體Omnic分別獲取目標硝基化合物、不同形態有機碳、黏土礦 物等在土壤中的賦存形態、微區分布譜圖，對譜圖進行分析，得到硝基汙染物微區分布及相 關影響因素息。
[0023] 本發明的微團聚體粒徑在50-800 μ m之間，以滿足在微米尺度上獲得足夠空間分 布信息，方便進行有效統計分析和比較。
[0024] 本發明的土壤微切片厚度在0. 1-10 μ m之間，以滿足不同性質土壤對紅外光譜吸 收性能和目標檢測物檢測限濃度的要求。
[0025] 以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案作詳細描述。
[0026] 本發明為一種土壤中硝基化合物的可視化原位分析方法，為驗證該方法的可行 性，分別分析了 1，3-二硝基苯在兩種土壤（黑土、棕壤）中的結合位點。所有分析結果均 顯示，本發明提出的基於同步輻射譜學分析方法可以實現原位可視化表徵硝基化合物在土 壤中的結合位點，為分析土壤中汙染物的反應機制、預測汙染物環境行為提供直接的證據 支持。
[0027] 實施例1
[0028] 按下列步驟執行：
[0029] 1) 土壤樣品製備：
[0030] 1，3-二硝基苯（DNB)汙染棕壤，汙染濃度為1200mg/kg ;待混合均勻後，再加入無 菌水至田間持水量，過夜後，以備切片。
[0031] 選擇大小合適、穩定的微團聚體，利用Microm HM525冷凍切片機，直接對微團聚體 進行切片，切片厚度為〇. 1-10 μ m，轉移到Low-玻璃載玻片，以備譜學分析。
[0032] 2) FTIR顯微成像分析：
[0033] 利用臺灣光源（NSRRC) 14A1光束線直接分析DNB汙染棕壤微切片樣品，分析步長 為5-30 μ m，解析度為1-4CHT1，掃描32-128次；通過Omnic 8. 0對成像數據進行解譜得到硝 基（153601^)5有機碳芳香基（Ι^ΠαιΓ1)、羧基（ΠβΟαιΓ 1)、脂肪基（292201^1)官能團及黏土 礦物（棕壤主要黏土礦物為伊利石，其0-H位置為3621CHT 1)在微切片上的微區分布圖（如 圖1所示）。
[0034] 3)通過相關分析及Image-Pro Plus，可以得到1，3-二硝基苯在棕壤中微區分布 主要受芳香基含碳官能團控制（如圖2所示）。
[0035] 4)通過對微區分布熱點（硝基含量較高區域，圖la中"A"所示區域）進行提取紅 外全譜譜圖，如圖3所示，可以確認，DNB在實驗周期內（二周），無菌、黑暗條件下，在棕壤 中沒有發生硝基降解轉化反應。
[0036] 實施例2
[0037] 1) 土壤樣品製備：
[0038] 1，3-二硝基苯汙染黑土 ：汙染濃度為1200mg/kg ;待混合均勻後，再加入無菌水至 田間持水量，過夜後，以備切片。土壤微切片製備方法同實例1。
[0039] 2) FTIR顯微成像分析：
[0040] 主要分析儀器及參數同實例1。通過Omnic 8.0對成像數據進行解譜得到硝基 (154301^)5有機碳芳香基（Ι^ΠαιΓ1)、羧基（ΠβΟαιΓ1)、脂肪基（292201^ 1)官能團及黏土礦 物（黑土主要黏土礦物為伊利石，其0-H位置為3621CHT1)在微切片上的微區分布圖（如圖 4所示）。
[0041] 3)通過相關分析及Image-Pro Plus,可以得到1，3-二硝基苯在黑土中微區分布 也主要受芳香基含碳官能團控制（如圖5所示）。
[0042] 4)通過提取微區分布熱點（硝基含量較高區域，圖4a中"B"所示區域）紅外全譜 譜圖，如圖3所示，可以確認，DNB在實驗周期內（二周）、無菌、黑暗條件下，在黑土中也沒 有發生硝基降解、轉化反應。
【權利要求】
1. 一種土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，其步驟如下： 1) 將冷凍土壤微團聚體顆粒切片得到微切片樣品，並將其轉移到載玻片上； 2) 利用同步輻射傅立葉變換紅外顯微成像技術分析待測微切片樣品中硝基化合物、不 同有機碳形態及黏土礦物組成與微區分布； 3) 對測定數據解譜，得到目標硝基化合物、不同形態有機碳、黏土礦物土壤中的賦存形 態、微區分布譜圖；對譜圖進行分析，得到影響硝基化合物在土壤中結合位點、微區分布的 關鍵因素信息。
2. 根據權利要求1所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，其中，步驟1)中的 冷凍土壤微團聚體顆粒為土壤水飽和微團聚體，粒徑在50-800 μ m之間。
3. 根據權利要求1所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，其中，步驟1)微切 片樣品厚度為〇. 1-10 μ m ;載波片為Low-E載玻片上。
4. 根據權利要求1所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，其中，步驟2)中分 析待測微切片樣品的測定步長為5-30 μ m ;測定模式為反射模式。
5. 根據權利要求1所述土壤中硝基化合物的原位可視化分析方法，其中，步驟3)是通 過Omnic軟體對測定數據解譜。
【文檔編號】G01N21/3563GK104215600SQ201410409595
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】羅磊, 呂繼濤, 溫蓓, 張淑貞 申請人:中國科學院生態環境研究中心