新方法用于黑碳物質的跨圏層示蹤

近日，中國科學院廣州地球化學研究所博士研究生怡欣在研究員張干和副研究員鐘廣財的指導下，建立了苯多羧酸單體雙碳同位素分析技術新方法。相關成果發表于《應用地球化學》（Applied Geochemistry），并被遴選為當期編輯推薦論文。

黑碳物質廣泛存在于地球表層系統各圈層介質，是地表慢碳循環碳庫的重要組成部分，在全球碳循環中占據重要地位。針對不同圏層介質的研究（如大氣、水體、土壤）和在不同目標導向下的黑碳物質研究，對黑碳物質的表征方法存在很大差異，妨礙了黑碳物質物質生物地球化學循環的跨圈層對接。

苯多羧酸單體雙碳同位素分析用于示蹤黑碳物質的分析技術方法。研究團隊供圖

為了深入了解地表不同圈層介質中黑碳物質的來源及其地球化學行為，該研究基于表征黑碳物質稠合芳香結構的苯多羧酸法，建立了跨圈層介質的苯多羧酸單體雙碳同位素分析技術體系，為黑碳物質來源和跨圈層地球化學過程的示蹤，提供了新工具。

目前用于制備苯多羧酸單體的制備液相色譜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，所以制備液中會存在磷酸殘留。因此，后續對苯多羧酸進行雙碳同位素測定前，只能先對樣品進行濕氧化，將苯多羧酸單體轉化為CO₂，再在真空系統中將一部分CO₂氣體定量分離出來，利用GC-IRMS測定苯多羧酸-δ¹³C，另一部分用于制備石墨靶、并在加速器質譜（AMS）上測定苯多羧酸單體Δ¹⁴C。在實踐上，由于CO₂氣體分樣，這往往會導致苯多羧酸單體Δ¹⁴C分析面臨碳量不足的問題，或帶來較大的AMS ¹⁴C測量偏差。

建立了苯多羧酸單體雙碳同位素分析技術新方法，在使用液相色譜制備苯多羧酸單體時，以三氟乙酸水溶液作為色譜流動相，不僅保證了不同苯多羧酸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。這樣，可通過高效液相色譜-同位素比值質譜儀直接測定已純化制備的苯多羧酸單體的δ¹³C，一方面，極大減少因樣品中其他有機酸未完全氧化而導致液相色譜-同位素比值質譜儀氧化室堵塞的問題，另一方面，最大程度地將寶貴的苯多羧酸單體碳量留給AMS ¹⁴C分析。而且，苯多羧酸-Δ¹⁴C分析也不再局限于濕氧化，而是可以采用經典的氧化銅高溫氧化法將苯多羧酸轉化為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。

該方法可以很好地反映不同環境介質中苯多羧酸母體黑碳物質的來源。特別是將黑碳物質的雙碳同位素組成繪制在二維坐標軸上時，不同來源黑碳物質的特征范圍差別顯著。城市灰塵樣品中的黑碳物質主要來源于煤燃燒；河流天然有機質樣品中的溶解性黑碳主要來源于現代C3植物的燃燒；而海洋沉積物樣品中的黑碳物質主要來自煤燃燒和/或歷史的C3植物燃燒。此外，在典型的國際標準環境參考物質中，不同苯多羧酸單體的單體雙碳同位素特征普遍存在一定差異，表明不同稠合度的黑碳物質可能具有不同的來源和地球化學行為。

該研究認為，單體苯多羧酸的雙碳同位素分析可以在分子同位素水平上為黑碳物質的來源和過程示蹤提供新視角。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2024.106062