腐殖酸色谱分析

天然环境中腐殖酸的色谱分析(陈文龙岳兰秀),
【摘要】腐殖酸是一种成分复杂的有机物的混合物,其普遍存在于天然环境中。

在天然环境中腐殖酸对重金属和有机污染物的迁移起着重要的作用;同时腐殖酸对天然环境中的生物的生长也起着重要的作用。

腐殖酸分离的一般方法简单方便,是常用的方法之一,但是其准确度不够精确,分离效果一般,对于特殊要求的分离不能完成。

本文就腐殖酸的几种分离方法进行了分析,介绍了它们的原理和适用条件。

【关键词】腐殖酸体积排阻色谱电泳分离
在天然环境中存在着一种组成相似、结构不同的复杂的有机物,是天然水和土壤以及沉积物中有机物的主要组成部分,一般被称为腐殖酸。

目前,公认的腐殖酸的定义是“腐殖酸是一类自然产生的、非均匀的有机物,一般为黄色到黑色的多电解质物质组成的,一般为高分子量的难溶物质[1]”。

通常根据腐殖酸在水中的溶解性质将其分为三部分:富里酸,是由中等分子量组分的有机物组成,在任何pH
条件下都溶于水的部分;胡敏酸,一般具有较大分子量的有机物,其在pH值小于2的条件下不溶于水,而在pH值大于2时溶于水的部分;在土壤和沉积物中存在,在任何pH条件下都不溶于水的部分,我们称为胡敏素[1,2]。

尽管腐殖酸在环境中有很重要的作用,但是,腐殖酸的结构特点仍是值得争论的问题。

腐殖酸的化学结构与所分析的方法有关。

目前用来分析腐殖酸结构的方法主要有元素分析法、氧化还原降解、紫外光谱分析、核磁共振光谱、高效体积排阻色谱法、液相色谱法、高温裂解气相色谱法等。

本文主要研究腐殖酸的几种色谱分析技术。

从广义上来讲,腐殖酸的色谱分析也是一种分离技术。

1 腐殖酸的一般分离方法
天然环境中的腐殖酸必须进行提取才能进行色谱分析。

把腐殖酸进行酸化到pH 为2的条件下,通过非极性溶剂的萃取可以将其提取出来。

进行酸化的目的是为了抑制酸性官能团的分解。

此外,通过非离子型吸附剂的吸附也可以将腐殖酸提取出来。

水溶液中腐殖酸的含量一般用液-液萃取,或最近常用的固-液萃取来测定。

而土壤和沉积物中的腐殖酸一般用强碱性的萃取剂来提取,典型的有NaOH
溶液。

这种方法还可以提取煤和泥炭中的腐殖酸[3,4]。

有时,也用焦磷酸盐或其和NaOH的混合液来提取腐殖酸。

国际腐殖酸协会制定了一套提取腐殖酸的方法[5]。

然而,要得到纯净的富里酸和胡敏酸还要需要更精细的步骤,例如,预沉降作用,和HCl/HF处理来去除无机杂质。

从水溶液中提取腐殖质,一般用XAD吸附的过程,这个过程的原理就是从酸性溶液中把腐殖质吸附到非离子型大空隙的吸附剂上。

利用梯度洗脱的方法可以得到更细微的分离。

洗脱液的pH值逐渐升高,吸附到XAD树脂上腐殖酸就可以被释放出来。

这种方法就是利用大范围内的酸碱平衡原理,多用于多种官能团的腐殖酸分子的分离。

Crutis 等试图利用pH的线性梯度洗脱来特征合成腐殖酸和商业用
的腐殖酸[5]。

梯度洗脱还可以用在稳定金属离子亲合色谱中,用来特征和分离富里酸。

除了标准的XAD提取方法,其它的吸附剂也可以用来提取腐殖酸。

在弱的阳离子交换剂上进行吸附,如DEAE-纤维素,是一种传统的用来分离大体积水中的腐殖
酸的方法。

这种方法有几个优点,如吸附速度比较快;且不用事先进行酸化。

2 体积排阻色谱
体积排阻色谱主要用来分离腐殖酸,以得到不同分子量的组分。

目前,用来研究腐殖酸化学性质的最重要的液相色谱法是体积排阻色谱和凝胶渗透色谱
(SEC/GPC)。

自从上世纪60年代,GPC和SEC被广泛应用于特征水和土壤中腐殖物质的分子量,此外,还应用于腐殖物质的分离以用于更深的研究。

体积排阻色谱法是利用多孔凝胶固定相的独特特性而产生的一种主要依据分子尺寸的差异来进行分离的方法。

其分离原理可用排斥理论来解释,即在凝胶颗粒上有大小不同的细孔,比细孔大的分子不能扩散到空的内部,被凝胶排斥在外,他们在穿过色谱柱时,所经过的距离最短,首先流出。

而小的分子则能可以扩散到全部细孔,所经距离最长,最后流出。

中间大小的分子则在这二者之间流出。

由于UV-Vis的简单和灵敏性,其成为GPC/SEC方法中最重要的检测手段。

在GPC/SEC实验中,腐殖物质的结构特征可以通过检测单个组分的UV波谱特征得到。

色谱柱中洗脱液的UV吸收(在特定波长条件下)与其浓度和摩尔吸光度成正比。

因为,对于不同摩尔质量的组分,其波谱特征不完全一致,所以在不同检测波长下,GPC/SEC洗脱曲线的性状也不相同。

前人的研究可知,随着检测波长的增大,腐殖物质的平均分子量也相应增大[5]。

3 电泳分离
电泳也是分离腐殖酸的一种方法,其分散介质中的带电粒子在直流电场的作用下,向着与其电性相反的电极移动的现象称为电泳。

带电颗粒或离子在水溶液中的迁移是由于在阴极和阳极之间存在一个电场,带电离子在电场中的迁移技术被广泛应用于研究天然聚合物质的性质。

上世纪50年代,纸色谱和凝胶电泳的引入,电泳技术才逐渐得到应用。

电泳的分离在不同的介质中进行,如纸电泳、凝胶电泳,要么在单一的缓冲溶液中(区域电泳),或者在更复杂的缓冲系统中,如圆盘电泳法、等速电泳法等。

与圆盘电泳法相似,通过等速电泳分离,富里酸含有10个组分,胡敏酸含有13个组分。

利用GPC分离的土壤中的胡敏酸,圆盘电泳和红外光谱方法对其各分组分进一步分析。

尽管纸电泳在一定范围内适应腐殖酸的分离,但是,凝胶电泳成为最流行的分离技术,仍应用于腐殖物质的分离和特征。

通过利用非连续性的隔离物(无机和有机酸、氨基酸)和光度检测法,腐殖物质的毛细管等速电泳的分离技术得到了很大的提高,但是,通过等速电泳得到的数据信息具有相似的特征。

参考文献
[1] Berden, M. and Berggren, D. Gel filtration chromatography of HS in soil solutions using HPLC determination of the molecular weight distribution. J. Soil Science, 1990, 41:61-72.
[2] F.C. Wu, R.D. Evans, P.J. Dillon. Fractionation and characterization of fulvic acid by immobilized metal ion affinity chromatography. Analytica Chimica Acta, 2002, 452: 85-93.
[3] F. Wu, Eiichiro Tanoue. Molecular mass distribution and fluorescence characteristics of dissolved organic ligands for copper (II) in lake Biwa, Japan. Organic Geochemistry, 2001, 32: 11-20.
[4] J.H. Campbell and R.D. Evans. Inorganic and organic ligand binding of lead and cadmium and resultant implications for bioavailability. Sci. Tot. Environ., 1987, 62: 219-227.
[5] C.T. Chiou, R.L. Malcolm, T.I. Brinton and D.E. Kile. Water solubility enhancement of some organic pollutants and pesticides by dissolved humic and fulvic acids. Environ. Sci. Technol., 1986, 20(5): 502-508.。