北部地區(qū)礦物源黃腐酸分子熒光性能探究

張彩鳳 侯玲杰 邢 露 張茹霞 米丹陽(yáng)

1 太原師范學(xué)院化學(xué)系 晉中 030619

2 山西省腐植酸工程技術(shù)研究中心 晉中 030619

腐植酸是自然界中最豐富的有機(jī)質(zhì)之一[1]。腐植酸包括黃腐酸、黑腐酸和棕腐酸，黃腐酸溶于水、酸、堿等[2]，黑腐酸不溶于水、酸、堿等，棕腐酸不溶于水，溶于醇，其鹽溶于水。由于黃腐酸結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)、稠環(huán)和多類雜環(huán)，各環(huán)之間以氫鍵連接，在環(huán)和支鏈中含有較多的酚羥基、羰基和羧基等活性基團(tuán)[3]，是一種生物活性較高[4]、藥用價(jià)值較好的有機(jī)酸，系腐植酸有效成分中的精華。黃腐酸與水結(jié)合成為親水的溶膠，在大多數(shù)情況下觀察到是由纖維、纖維素纏結(jié)而成的多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)酸堿度變化時(shí)，結(jié)構(gòu)更為疏松和開(kāi)放，不論是對(duì)金屬離子還是有機(jī)物、無(wú)機(jī)物都有較強(qiáng)的吸附作用。黃腐酸幾乎可以視為無(wú)毒，許多學(xué)者研究了黃腐酸的藥用價(jià)值，發(fā)現(xiàn)黃腐酸在畜禽養(yǎng)殖[5]和保健[6]、疾病治療[7～9]方面都有效果，在社會(huì)當(dāng)中應(yīng)用廣受關(guān)注。

隨著黃腐酸產(chǎn)品的增加，黃腐酸各方面的理論知識(shí)也越來(lái)越充實(shí)，關(guān)于黃腐酸的定性與定量的分析方法也越來(lái)越豐富[10]，給各種測(cè)定帶來(lái)極大方便。目前，主要通過(guò)紫外光譜、紅外光譜、核磁共振、凝膠色譜（GPC）、高效液相色譜（HPLC）、高效尺寸排阻色譜（HPSEC）等方法從不同角度來(lái)探討黃腐酸的各種性質(zhì)[10，11]。與上述方法相比，熒光分光光度法具有檢測(cè)靈敏度高、選擇性較強(qiáng)和使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，常用于微量甚至痕量物質(zhì)的定量分析，在生物醫(yī)學(xué)、藥物分析、臨床檢測(cè)等方面有著廣泛的應(yīng)用[12]，而且熒光光譜性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可以根據(jù)光譜波長(zhǎng)變化分析產(chǎn)品差異。但是，目前通過(guò)熒光發(fā)光性能研究腐植酸性質(zhì)的研究還比較少[13～15]。

黃腐酸的分子量和組分存在著不均一性，其分子上的各種基團(tuán)在不同的溶劑體系中解離程度不同，聚集程度也不同，會(huì)形成一些聚集體[16]。因此，不同的黃腐酸其熒光強(qiáng)度會(huì)有不同，放置時(shí)間不同的黃腐酸其性質(zhì)也會(huì)改變，不同的條件下測(cè)定黃腐酸的熒光強(qiáng)度也會(huì)有很大的不同。在黃腐酸制備提取過(guò)程中，原料的粒度和粒度分布以及化學(xué)結(jié)構(gòu)的不確定性都會(huì)直接影響黃腐酸提取的精度、準(zhǔn)確度等，進(jìn)而熒光強(qiáng)度、發(fā)射光譜也會(huì)發(fā)生改變。本文選擇了含黃腐酸的7種煤樣進(jìn)行分析，通過(guò)黃腐酸最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)以及黃腐酸濃度與熒光強(qiáng)度關(guān)系的測(cè)定，探討了不同來(lái)源黃腐酸熒光性能的差異，以期能夠進(jìn)一步豐富黃腐酸的理論研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

選用7種含黃腐酸的煤樣進(jìn)行黃腐酸的提取，這7種煤樣分別為內(nèi)蒙古泥炭（HHHT）、沈陽(yáng)泥炭（ZW）、蒙古褐煤（MGH）、黑龍江褐煤（BQ）、內(nèi)蒙古褐煤（HLH）、甘肅風(fēng)化煤（WV）、新疆風(fēng)化煤（FK），均由中國(guó)腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)腐植酸質(zhì)量檢測(cè)中心（太原）提供。

經(jīng)典黃腐酸原料中含有黃腐酸，黃腐酸溶于水。再生黃腐酸原料本身不含黃腐酸，需要通過(guò)催化氧化制備得到再生黃腐酸。因此，兩類黃腐酸制備方法不同，具體如下：

經(jīng)典黃腐酸測(cè)試樣品制備方法為：稱取泥炭樣品150 g，加入1500 mL水進(jìn)行提取，提取后剩余體積為1200 mL，對(duì)提取物中黃腐酸含量進(jìn)行測(cè)試，后用水逐級(jí)稀釋至所需濃度進(jìn)行熒光測(cè)試。

再生黃腐酸測(cè)試樣品制備方法：分別稱取褐煤和風(fēng)化煤樣品150 g，加入0.75 g金屬催化劑，500 mL 30%硝酸進(jìn)行氧化提取，提取后剩余體積約300 mL，用水稀釋至1200 mL，加氫氧化鈉調(diào)至pH=3左右，對(duì)提取物中黃腐酸含量進(jìn)行測(cè)試，后用水逐級(jí)稀釋至所需濃度進(jìn)行熒光測(cè)試。

黃腐酸含量由中國(guó)腐植酸工業(yè)協(xié)會(huì)腐植酸質(zhì)量檢測(cè)中心（太原）進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JY10002電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；JJ-1精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器（常州潤(rùn)華電器有限公司）；DZTW型電子調(diào)溫電熱套（天津工業(yè)實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司）；臺(tái)式低速離心機(jī)TD5K（長(zhǎng)沙東旺實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；雷磁pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；F-7000型熒光分光光度計(jì)（日本日立公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用F-7000熒光分光光度計(jì)分別對(duì)不同來(lái)源黃腐酸進(jìn)行測(cè)定，確定其最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)，研究其來(lái)源、本身濃度對(duì)黃腐酸熒光強(qiáng)度的影響，研究上述因素與黃腐酸的熒光特性的關(guān)系。此次實(shí)驗(yàn)激發(fā)狹縫和發(fā)射狹縫均為10 nm。

1.3.1 黃腐酸的最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)

分別取不同黃腐酸溶液用水稀釋至淡黃色，反復(fù)多次以不同激發(fā)波長(zhǎng)掃描其發(fā)射光譜，再以最大發(fā)射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)掃描其激發(fā)光譜，最后確定激發(fā)強(qiáng)度和發(fā)射強(qiáng)度最大的相匹配的一組峰為其熒光峰，確定其最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)。

1.3.2 黃腐酸濃度對(duì)其熒光強(qiáng)度的影響

用水稀釋不同黃腐酸提取液，分別配置一系列不同濃度的黃腐酸溶液，用1.3.1確定的最大激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)其進(jìn)行熒光掃描，測(cè)定黃腐酸濃度對(duì)其熒光強(qiáng)度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃腐酸熒光激發(fā)與發(fā)射光譜

煤的進(jìn)化歷程為泥炭—褐煤—風(fēng)化煤，不同來(lái)源的黃腐酸，其組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)明顯不同[17]。因此，我們選用了7種含黃腐酸且具有代表性的煤樣進(jìn)行黃腐酸的提取，并考察了不同產(chǎn)地黃腐酸的熒光參數(shù)。按照1.3.1所描述的步驟測(cè)定黃腐酸的最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 各種黃腐酸的熒光參數(shù) Tab.1 Fluorescence parameters of various fulvic acids nm

內(nèi)蒙古泥炭黃腐酸最大發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定在421 nm左右，最大激發(fā)波長(zhǎng)穩(wěn)定在310 nm左右；沈陽(yáng)泥炭黃腐酸與內(nèi)蒙古泥炭黃腐酸相比，最大發(fā)射波長(zhǎng)和最大激發(fā)波長(zhǎng)均非常相近；蒙古褐煤黃腐酸最大發(fā)射波長(zhǎng)在430 nm左右，最大激發(fā)波長(zhǎng)為265 nm；黑龍江褐煤黃腐酸最大發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定在440 nm左右，最大激發(fā)波長(zhǎng)與蒙古褐煤黃腐酸一致；內(nèi)蒙古褐煤黃腐酸與黑龍江褐煤黃腐酸、蒙古褐煤黃腐酸最大激發(fā)波長(zhǎng)較接近，最大發(fā)射波長(zhǎng)為450 nm。甘肅風(fēng)化煤黃腐酸和新疆風(fēng)化煤黃腐酸最大激發(fā)波長(zhǎng)均為275 nm，最大發(fā)射波長(zhǎng)分別為511 nm和452 nm。通過(guò)對(duì)不同來(lái)源黃腐酸最大發(fā)射、激發(fā)波長(zhǎng)進(jìn)行比較，其中2種泥炭黃腐酸最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)較為相近，且最大激發(fā)波長(zhǎng)較其他來(lái)源黃腐酸最大激發(fā)波長(zhǎng)長(zhǎng)，可能是因2種黃腐酸來(lái)源相似且提取工藝均為水提的緣故。從褐煤、風(fēng)化煤中提取的黃腐酸最大激發(fā)波長(zhǎng)較為相近。甘肅風(fēng)化煤中提取的黃腐酸最大發(fā)射波長(zhǎng)較其他的長(zhǎng)，可能是由于其提取出的溶液里既含黃腐酸又含棕腐酸。褐煤和風(fēng)化煤提取出的溶液可能含有較多棕腐酸和黃腐酸的鹽成分，需較大激發(fā)能量，因此激發(fā)波長(zhǎng)較小。

2.2 黃腐酸濃度對(duì)其熒光強(qiáng)度的影響

用不同來(lái)源的黃腐酸分別配制一系列不同濃度的黃腐酸溶液，分別測(cè)試其在最大發(fā)射波長(zhǎng)處黃腐酸熒光強(qiáng)度隨著濃度變化的趨勢(shì)。測(cè)定結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1、圖2、圖3可知，在一定的濃度范圍內(nèi)，不同來(lái)源黃腐酸的熒光強(qiáng)度均隨著其濃度的增大而逐漸增強(qiáng)。這可能是由于黃腐酸中含有大量帶有各種官能團(tuán)的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)[3]以及未飽和脂肪鏈，而物質(zhì)之所以具有熒光特性正是由于其結(jié)構(gòu)中具有大的共軛雙鍵體系且有助色團(tuán)以及生色團(tuán)共軛效應(yīng)的產(chǎn)生。隨著腐植酸的濃度越大，分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度減小，從而增大了發(fā)光的效率，導(dǎo)致熒光增強(qiáng)[18]。內(nèi)蒙古泥炭黃腐酸在濃度為0.0055 g/mL時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，沈陽(yáng)泥炭黃腐酸在濃度為0.0153 g/mL時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，蒙古褐煤黃腐酸在濃度為0.0035 g/mL時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，黑龍江褐煤黃腐酸在濃度為0.0060 g/mL時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，內(nèi)蒙古褐煤黃腐酸在濃度為0.0001 g/mL時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，甘肅風(fēng)化煤黃腐酸在濃度為0.0281 g/mL時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，新疆風(fēng)化煤黃腐酸在濃度為0.0020 g/mL時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖1 內(nèi)蒙古褐煤制備的黃腐酸濃度與熒光強(qiáng)度關(guān)系圖 Fig.1 Relational graph between fulvic acid concentration and fluorescence intensity of Inner Mongolia lignite

圖2 內(nèi)蒙古泥炭、沈陽(yáng)泥炭和甘肅風(fēng)化煤制備的黃腐酸濃度與熒光強(qiáng)度關(guān)系圖 Fig.2 Relational graph between fulvic acid concentration and fluorescence intensity of Inner Mongolia peat, Shenyang peat and Gansu weathered coal

圖3 新疆風(fēng)化煤、黑龍江褐煤、蒙古褐煤制備的黃腐酸濃度與熒光強(qiáng)度關(guān)系圖 Fig.3 Relational graph between fulvic acid concentration and fluorescence intensity of Xinjiang weathered coal, Heilongjiang lignite, Mongolia lignite

不同來(lái)源的黃腐酸在某一濃度時(shí)熒光強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，之后隨著黃腐酸濃度的增加，熒光強(qiáng)度反而減小，出現(xiàn)濃度效應(yīng)。這可能是由于濃度過(guò)高時(shí)，黃腐酸分子之間靠氫鍵生成了團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致分子剛性平面減少，從而降低了黃腐酸的熒光強(qiáng)度。另外，高濃度時(shí)，黃腐酸分子之間可能發(fā)生聚集作用，形成基態(tài)分子間的聚合物，或者激發(fā)態(tài)分子與其基態(tài)分子的二聚物，或者激發(fā)態(tài)分子與其他溶質(zhì)分子的復(fù)合物，從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降。此外，當(dāng)溶液濃度增大時(shí)也會(huì)促進(jìn)自吸收，從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度下降，黃腐酸分子的濃度越高，其猝滅現(xiàn)象越明顯[19]。

2.3 不同煤樣中黃腐酸含量

不同煤樣中黃腐酸含量如表2所示。從泥炭中提取經(jīng)典黃腐酸，沈陽(yáng)泥炭黃腐酸含量大于內(nèi)蒙古泥炭黃腐酸。從風(fēng)化煤和褐煤中提取再生黃腐酸，甘肅風(fēng)化煤中黃腐酸含量最高，其次是黑龍江褐煤黃腐酸、蒙古褐煤黃腐酸和新疆風(fēng)化煤黃腐酸，內(nèi)蒙古褐煤黃腐酸含量相對(duì)最低。說(shuō)明黃腐酸含量可能與煤樣形成有關(guān)，也可能與其提取方式、存在環(huán)境因素不同有關(guān)。從表2中還可以看出，一般煤樣中黃腐酸含量越高，其熒光強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的濃度越大。

表2 不同煤樣中黃腐酸含量 Tab.2 The content of fulvic acid in different coal samples

3 結(jié)論

本文考察了不同來(lái)源黃腐酸的最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)，由于不同黃腐酸的組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)不同，因此其熒光參數(shù)不同。不同來(lái)源黃腐酸的熒光強(qiáng)度均隨著其濃度的增大而逐漸增強(qiáng)，某一濃度時(shí)熒光強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，之后隨著黃腐酸濃度的增加熒光強(qiáng)度減小。相同方法從不同煤樣中提取黃腐酸，煤樣中黃腐酸含量越高，其熒光強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的濃度越大。因此，通過(guò)最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)的測(cè)定，根據(jù)熒光強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的濃度變化可以為分析黃腐酸的來(lái)源及含量判斷提供一種新的研究思路。