環(huán)境樣品中黑炭檢測(cè)方法研究進(jìn)展和生物監(jiān)測(cè)展望分析

摘要：主要以環(huán)境樣品中黑炭檢測(cè)方法研究進(jìn)展和生物監(jiān)測(cè)展望為重點(diǎn)進(jìn)行闡述，首先進(jìn)行黑炭與炭黑的基本概述，其次從應(yīng)用化學(xué)熱氧化法、應(yīng)用其他化學(xué)氧化法、應(yīng)用分子標(biāo)志物法、應(yīng)用光學(xué)分析法幾個(gè)方面深入說明并探討環(huán)境樣品中黑炭檢測(cè)方法，最后闡述由黑炭檢測(cè)引發(fā)的生物監(jiān)測(cè)展望思考。

關(guān)鍵詞：環(huán)境樣品；黑炭檢測(cè)方法；生物監(jiān)測(cè)；展望思考

黑炭，即顆粒物體內(nèi)具備吸收光性能的一個(gè)成分。不管是化石燃料的燃燒，或者是生物質(zhì)燃料的燃燒，都有可能生成黑炭?？梢岳斫鉃椋汉谔渴窃跓崃呀馇闆r下生成的不規(guī)則與微晶狀石墨結(jié)構(gòu)。機(jī)體吸入黑炭之后，在血液循環(huán)系統(tǒng)的作用下，黑炭和機(jī)體的多個(gè)器官相結(jié)合，打破了生物屏障并侵害機(jī)體靶標(biāo)組織，具備顯著的毒性。在環(huán)境樣品的管理中，研究黑炭檢測(cè)方法，對(duì)生物監(jiān)測(cè)過程進(jìn)行展望和研究具有重要意義。

1黑炭與炭黑的基本概述

結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)資料，黑炭定義尚未比較確切，其作為顆粒物中存在一定吸收光性能的成分，特別是化石、生物質(zhì)等燃料燃燒，黑炭顆粒的基本尺寸在10 nm～1 mm，且煙塵之內(nèi)的碳元素含量不超過顆?？傎|(zhì)量的50%。分析黑炭的三維體系，以納米到毫米的范圍呈現(xiàn)出不相同的層狀結(jié)構(gòu)，一般通過細(xì)顆粒物的狀態(tài)和大氣接觸，對(duì)大氣產(chǎn)生污染內(nèi)的黑炭粒徑為0.01～1.00 nm，在一定程度上可以被人體吸收［1］。沒有全部燃燒的副產(chǎn)品，在沉降的作用下會(huì)和土壤或者巖石結(jié)合，甚至和海水相結(jié)合。黑炭的特征有3種，首先是土壤內(nèi)芳香族碳含量超過非黑炭物質(zhì)內(nèi)的碳含量指數(shù)；其次是黑炭屬于混合物，不只是有低炭化的組成成分，還有微晶石墨的組成成分，特別是通過熱解條件影響；最后是高比表面積的多孔縫隙結(jié)構(gòu)。在實(shí)際操作中，如果過多使用含碳材料，會(huì)增加人們對(duì)黑炭以及炭黑兩種物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分的難度。炭黑和黑炭的本質(zhì)差異是，炭黑屬于商業(yè)化碳?xì)浠衔锶紵漠a(chǎn)物，對(duì)應(yīng)的粒徑以及顆粒聚集程度有所差異。且與純?cè)靥嫉氖问接兴嗨?，可萃取無機(jī)物的含量相對(duì)少一些［2］。換言之，黑炭以及炭黑都是以碳元素為主要成分，含有一定的氧元素和氫元素，利用電子顯微鏡或者投射電子顯微鏡加以觀察和檢測(cè)，能夠初步了解到各自物質(zhì)的粒子形態(tài)和粒子大小。在環(huán)境健康的分析中，相關(guān)人員需要從兩種物質(zhì)的本質(zhì)入手，對(duì)黑炭進(jìn)行概念總結(jié)，即不完全燃燒物質(zhì)和空氣中接觸的含有碳元素顆粒，統(tǒng)一理解為黑炭。

2環(huán)境樣品中黑炭檢測(cè)方法介紹

對(duì)環(huán)境樣品中的黑炭濃度進(jìn)行分析，不僅可以促進(jìn)氣候變化研究工作的開展，還可以強(qiáng)化空氣質(zhì)量監(jiān)督效率，對(duì)社會(huì)和諧建設(shè)帶來積極影響。環(huán)境樣品中的黑炭檢測(cè)，包含多樣化的檢測(cè)方法，可是環(huán)境專家對(duì)檢測(cè)方法的可行性和認(rèn)可度依舊需要達(dá)成共識(shí)，若不相同的研究隊(duì)伍人員對(duì)相同樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，存在形成共識(shí)和數(shù)據(jù)共享難度［3］。所以檢測(cè)黑炭過程中，應(yīng)采取科學(xué)的手段，比如關(guān)聯(lián)環(huán)境健康尺度對(duì)黑炭污染情況與機(jī)體疾病生成的關(guān)系進(jìn)行呈現(xiàn)，挖掘黑炭顆粒物的毒性效應(yīng)。

2.1應(yīng)用化學(xué)熱氧化法

把黑炭以及炭黑進(jìn)行對(duì)比，化學(xué)熱氧化法通過熱穩(wěn)定性的指標(biāo)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，一般來講此種方式與無機(jī)碳去除的化學(xué)干預(yù)流程息息相關(guān)，化學(xué)熱氧化法以無機(jī)碳的去除條件、溫度是350 ℃，燃燒12 h等提高物質(zhì)檢測(cè)準(zhǔn)確性，從而發(fā)揮碳元素分析的效用，落實(shí)黑炭的分離。對(duì)于化學(xué)熱氧化法，更多運(yùn)用在土壤檢測(cè)之中以及沉積物的黑炭檢測(cè)之中，第一個(gè)形式：借助氫氧化鈉和硝酸對(duì)非黑炭的OC進(jìn)行去除，處于340攝氏度的環(huán)境實(shí)施氧氣流熱氧化2 h的操作，結(jié)論是黑炭的氫碳比不超過0.2，代表著芳香性指數(shù)比較高；第二個(gè)形式：借助HCl預(yù)處理的方式處于375攝氏度溫度中進(jìn)行熱氧化操作18小時(shí)，結(jié)論是熱氧化之前利用鹽酸處理的過程，完全釋放有機(jī)物，黑炭放射性碳信號(hào)和熱原多環(huán)芳烴存在相似性［4］；第三個(gè)形式：通過預(yù)處理以及原位濕預(yù)處理等方式，關(guān)聯(lián)化學(xué)熱氧化法標(biāo)準(zhǔn)加入法，結(jié)論是金屬氧化物存在催化作用，引出基質(zhì)效應(yīng)強(qiáng)化氧化過程，對(duì)溫度調(diào)整在360攝氏度的指數(shù)，讓柴油煙塵的物質(zhì)回收率滿足98%左右的指數(shù)。375攝氏度條件下金屬氧化物的回收率在76%，標(biāo)準(zhǔn)加入法能夠直接對(duì)不同含量的黑炭加以檢測(cè)；第四種形式：處于60～600攝氏度環(huán)境中實(shí)施熱氧化18小時(shí)，對(duì)沉積物的含量進(jìn)行評(píng)估，起到黑炭定量催化的效果、結(jié)論是化學(xué)熱氧化法可作用在煙塵的檢測(cè)之中，或者分析高溫環(huán)境中焦炭的含量，若溫度是375攝氏度，測(cè)量黑炭難以保障穩(wěn)定性，在小于溫度指數(shù)時(shí)，能夠在被人工檢測(cè)的形式下被判斷為細(xì)菌纖維素。即使是在經(jīng)常運(yùn)用的方式中，化學(xué)熱氧化法存在不足，尤其是黑炭的含量比較高，由于燃燒過程非黑炭有機(jī)物炭化過程會(huì)形成全新的黑炭，應(yīng)嘗試?yán)脴悠啡轿谎心ズ谔?，促使其存在于空氣中排除炭化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2應(yīng)用其他化學(xué)氧化法

通過其他化學(xué)氧化法，也是檢測(cè)環(huán)境樣品中黑炭含量的思路，即以黑炭以及非黑炭具備的穩(wěn)定性差異進(jìn)行區(qū)分，引進(jìn)不相同氧化強(qiáng)度的試劑進(jìn)行具體劃分，方式可包含過氧化氫類型、酸性重鉻酸鹽類型以及硝酸類型。在一些化學(xué)熱氧化法的應(yīng)用過程中，為增加化學(xué)與處理流程對(duì)有機(jī)物進(jìn)行排除，一些處理流程有可能出現(xiàn)黑炭粒徑損失［5］。第一種類型：過氧化氫氫氧化鉀溶液氧化、紅外分光光度計(jì)檢測(cè)黑炭，結(jié)論是此種模式更多適用于天然材料的檢測(cè)；第二種類型：濃硝酸化學(xué)氧化，對(duì)黑炭的元素含量進(jìn)行研究，結(jié)論是氧化60小時(shí)對(duì)沉積物內(nèi)的非黑炭加以排除，所以可適當(dāng)延長(zhǎng)氧化時(shí)間，達(dá)到物質(zhì)去除的目的；第三種類型：和基礎(chǔ)方式互相對(duì)比，處于23攝氏度環(huán)境引進(jìn)酸性重鉻酸鉀溶液進(jìn)行氧化處理，按照元素研究黑炭檢測(cè)的思路，統(tǒng)計(jì)碳損失以及氧化時(shí)間兩者的實(shí)際關(guān)系，結(jié)論是因?yàn)檠趸胨テ诘牟町?，即油煙的溫度? 500 h左右、商用木炭在500 ℃左右，基于50攝氏度的環(huán)境加以化學(xué)氧化，檢測(cè)黑炭的濃度是有所相似的［6］?；诖?，利用過氧化氫法對(duì)環(huán)境樣品中的黑炭進(jìn)行檢測(cè)，能夠?qū)㈦y熔的材料碳分離出來，對(duì)經(jīng)常作用在土壤之內(nèi)的黑炭進(jìn)行檢測(cè)。酸性重鉻酸鹽法是化學(xué)氧化的典型模式，可是由于環(huán)境樣品的種類呈現(xiàn)差異，所以相關(guān)人員要給予不相同樣品的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需要消耗一定的時(shí)間以及精力。

2.3應(yīng)用分子標(biāo)志物法

在環(huán)境樣品中黑炭的檢測(cè)上，以苯多羧酸分子為標(biāo)志物，以高溫高壓為基礎(chǔ)進(jìn)行黑炭的氧化處理，苯環(huán)會(huì)有所裂解以及氧化。其中羧酸以及硝基被運(yùn)用在苯環(huán)的處理上，構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的多羧酸。結(jié)合檢測(cè)苯多羧酸分子標(biāo)志物法，內(nèi)在結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，可以初步描述黑炭的性質(zhì)，對(duì)黑炭的起源充分研究。部分研究可以明確，在稠環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)氧化時(shí)，黑炭會(huì)朝著苯多羧酸分子標(biāo)志物分子方向變化。部分苯多羧酸分子標(biāo)志物分子不會(huì)在自然狀態(tài)中生成，所以要通過特異性的模式實(shí)現(xiàn)黑炭指代，研究工作者要結(jié)合特異性苯多羧酸分子標(biāo)志物的含量實(shí)現(xiàn)黑炭的指代，苯多羧酸分子標(biāo)志物法目前可作用在土壤檢測(cè)、煤焦檢測(cè)、沉積物檢測(cè)以及水的檢測(cè)上。苯多羧酸分子標(biāo)志物法利用黑炭的生成物濃度對(duì)黑炭水平的評(píng)測(cè)4種形式：第一種形式，對(duì)環(huán)境樣品加以170攝氏度的溫度預(yù)處理4小時(shí)，隨后把碳酸鹽以及多價(jià)陽(yáng)離子去除，借助170攝氏度的溫度實(shí)現(xiàn)濃硝酸消化處理，這樣稠環(huán)芳香結(jié)構(gòu)可有機(jī)變?yōu)楸蕉圄人岱肿訕?biāo)志物，還可通過氣相色譜法轉(zhuǎn)變?yōu)楸蕉圄人岱肿訕?biāo)志物；第二種形式，因?yàn)猷彵蕉姿嵩趶?qiáng)酸環(huán)境內(nèi)具備顯著穩(wěn)定性，所以要把鄰苯二甲酸實(shí)施濃硝酸處理，起到取替檸檬酸的作用；第三種形式，通過固相萃取富集黑炭的方法，不需要實(shí)施鹽酸以及三氟乙酸的處理，直接把硝化溫度設(shè)定在160攝氏度，時(shí)間延長(zhǎng)到9小時(shí)，后續(xù)借助二極管陣列進(jìn)行苯多羧酸分子標(biāo)志物的檢測(cè)［7］；第四種形式，化合物放射性碳研究苯多羧酸分子標(biāo)志物，涉及稠環(huán)芳香烴實(shí)際的氧化過程、苯多羧酸分子標(biāo)志物提取過程以及苯多羧酸分子標(biāo)志物凈化過程，借助氣體離子添加器進(jìn)行二氧化碳測(cè)量，起到檢測(cè)環(huán)境樣品中黑炭檢測(cè)的效果。即便理論層面黑曲霉菌可能生成苯六羧酸，高溫的情況下會(huì)引起硝酸氧化分解，包含大量雙鍵化合物會(huì)朝著苯環(huán)形式轉(zhuǎn)變。同位素分析作為追溯黑炭的先進(jìn)技術(shù)，借助穩(wěn)定碳同位素以及放射性碳同位素互相結(jié)合的操作，精確化實(shí)現(xiàn)黑炭的來源追蹤，那么苯多羧酸分子標(biāo)志物法可更多實(shí)現(xiàn)黑炭的氧化操作以及定量操作，充當(dāng)比較規(guī)范化的一種手段。

2.4應(yīng)用光學(xué)分析法

光學(xué)分析法對(duì)環(huán)境樣品中黑炭進(jìn)行檢測(cè)，主要應(yīng)用的是激光誘導(dǎo)白光發(fā)射的手段，通過生物檢測(cè)獲取環(huán)境中的樣品，內(nèi)在原理是采取多光子激光掃描顯微鏡進(jìn)行黑炭顆粒照射，此顆?？沙霈F(xiàn)非白熾光，所以應(yīng)結(jié)合白光光斑的形式對(duì)黑炭顆粒進(jìn)行全方位計(jì)數(shù)。無標(biāo)記的檢測(cè)思路存在一定優(yōu)勢(shì)，即利用多光子顯微方式記錄3D剖面圖，直接對(duì)黑炭顆粒進(jìn)行可視化研究，這一個(gè)方式更多應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)上，實(shí)現(xiàn)了黑炭的檢測(cè)。不足之處是激光誘導(dǎo)白光發(fā)射需要建立在顯微平臺(tái)的應(yīng)用基礎(chǔ)之上，針對(duì)宣傳到生物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室之中體現(xiàn)出顯著局限，并且因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，生物組織體系內(nèi)的顆粒物特征識(shí)別也會(huì)造成假陽(yáng)性結(jié)果，為此需要研究者有所關(guān)注。

3由黑炭檢測(cè)引發(fā)的生物監(jiān)測(cè)展望思考

黑炭顆粒研究技術(shù)，起始是通過環(huán)境分析領(lǐng)域中實(shí)施的，相關(guān)科研工作者不間斷地開發(fā)以及整合，依次檢測(cè)土壤樣品、沉積物樣品、空氣樣品以及氣溶膠樣品，依舊缺少系統(tǒng)性信息對(duì)多個(gè)檢測(cè)模式的對(duì)比過程。后續(xù)的環(huán)境樣品黑炭檢測(cè)，需要傾向于特殊物質(zhì)開發(fā)認(rèn)證的模式運(yùn)用，在環(huán)境內(nèi)納米尺度顆粒釋放濃度不斷增加的形勢(shì)下，人們?cè)絹碓蕉嚓P(guān)注了納米黑炭能夠?qū)θ梭w健康產(chǎn)生的影響。納米黑炭直接和人體接觸，同時(shí)以多種類型的生物屏障破壞機(jī)體的靶器官，要想促進(jìn)納米顆粒生成的效應(yīng)，需要提高機(jī)體內(nèi)部穿越生物屏障能力等，急需對(duì)環(huán)境樣品中納米黑炭的定量研究技術(shù)加以開發(fā)，順應(yīng)黑炭效應(yīng)精準(zhǔn)化評(píng)估的基本需求。舉例來講，黑炭是替代生物標(biāo)志物的一種類型，應(yīng)結(jié)合本文的闡述具體分析多樣化黑炭檢測(cè)技術(shù)使用關(guān)鍵點(diǎn)，隨后增加環(huán)境樣品的研究容量，讓檢測(cè)過程更加具備有效性和時(shí)效性。

第一點(diǎn)，由于環(huán)境樣品中黑炭熱解態(tài)條件呈現(xiàn)差異性，進(jìn)入機(jī)體之中的黑炭成熟度指數(shù)出現(xiàn)差異，考慮到生物機(jī)體內(nèi)黑炭結(jié)構(gòu)可能存有匱乏化學(xué)特征，思考到生物體具備吸收外源污染物情況和外源污染物代謝情況，黑炭在人體中不相同器官的分布結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同，排除自身繁瑣的芳香結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)邊緣之鏈會(huì)在機(jī)體生成反應(yīng)，攜帶未知基團(tuán)。鑒于黑炭的特征，把黑炭檢測(cè)形式應(yīng)用在環(huán)境樣品的檢測(cè)上，甚至是對(duì)全新的黑炭檢測(cè)方法進(jìn)行開發(fā)，都是存在可行性與可靠性的。

第二點(diǎn)，在生物體不斷消化和遷移結(jié)束后，樣品中黑炭的具體含量可能小于環(huán)境樣品，事先對(duì)IC進(jìn)行清除，化學(xué)熱氧化法以及其他檢測(cè)方法，分別基于固定溫度燃燒或者利用氧化分解的過程對(duì)樣品內(nèi)有機(jī)質(zhì)加以分解，從而實(shí)現(xiàn)黑炭的分離。由于生物樣品的基質(zhì)以非黑炭有機(jī)物為主，燃燒時(shí)即便生成少量黑炭，都應(yīng)該記錄效果不理想［8］。

第三點(diǎn)，質(zhì)量研究元素儀器的應(yīng)用上，靈敏度作為影響黑炭檢測(cè)效果的一個(gè)因素，制約了痕量研究領(lǐng)域的有效應(yīng)用。通過分子標(biāo)志物的應(yīng)用，也應(yīng)該引進(jìn)樣品預(yù)處理模式，由于包含有機(jī)質(zhì)的樣品能夠在消解流程中有所轉(zhuǎn)化，那么相關(guān)人員要借助預(yù)處理的手段實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)去除，不然會(huì)引出黑炭損失。對(duì)生物基質(zhì)完全分解，后續(xù)采取富集的方法采集黑炭顆粒，這也是科學(xué)的預(yù)處理環(huán)境樣品中黑炭的技術(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

站在化學(xué)領(lǐng)域以及環(huán)境領(lǐng)域的視角，檢測(cè)環(huán)境樣品中黑炭涉及較多方式和技術(shù)，然而可以作用在生物檢測(cè)過程中的方式比較少。從環(huán)境衛(wèi)生的保護(hù)上，研究開發(fā)黑炭檢測(cè)方式十分可行，后續(xù)發(fā)展中要全面研究黑炭分子水平的毒理學(xué)特點(diǎn)以及流行病學(xué)特點(diǎn)，相關(guān)研究者不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，爭(zhēng)取為美好環(huán)境的建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

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