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裂解气相色谱-质谱法分析土壤有机质的化学组成

来源:金冠游戏 位置:经济管理论文时间:2020-12-22 11:0912

  摘 要 土壤有机质(SOM)是土壤的重要组成部分,对土壤的肥力、水分含量等各种性质具有重要作用。本研究采集了中国东部7个地区不同深度的土壤,采用直接进样-热裂解-气相色谱/质谱法(Py-GC/MS,直接进样法)和四甲基氢氧化铵衍生-热裂解-气相色谱/质谱法(TMAH-Py-GC/MS,TMAH衍生法),对土壤有机质进行了定性和半定量分析。TMAH衍生法采用25%TMAH的甲醇溶液浸没24 h进行衍生化,选择DB-5 ms(30 m×0.25 mm, 0.25 μm)色谱柱进行气相色谱-质谱分析,测试条件与直接进样法相同。TMAH衍生法和直接进样法分别鉴定出261种和117种土壤有机质的标识物,TMAH衍生法检测到的物质种类更多、结构更多样,显著提高了木质素类和脂质类标识物的数目。两种方法检测出的各类物质含量也存在差异,直接进样法中多糖(28%)、脂质(22%)占比较高;TMAH衍生法中脂质(33%)含量较高,其它类物质除酚类化合物外,含量均接近10%。烷烃、烯烃、脂肪酸等物质的色谱峰保留时间与碳原子数之间线性关系显著,相关系数(R2)均大于0.95。 同时还对比了两种方法所获得的六大类物质百分含量随土壤深度与纬度变化规律的异同。

  关键词 土壤有机质; 四甲基氢氧化铵; 化学组成; 热裂解-气相色谱/质谱法

化学论文发表

  1 引 言

  土壤有机质(SOM)是土壤中所有含碳有机物的总称,主要包括动植物残体、微生物及其分解和合成的各种有机物。土壤中的有机质含量虽然很低,但对土壤的肥力、水分含量、微生物活动都具有重要作用。由于土壤有机质的总含碳量巨大(其数值高于大气和植被含碳的总和),能够显著影响大气二氧化碳浓度和全球气候,因而受到广泛关注[1]。

  目前,研究土壤有机质化学组成的方法包括X射线吸收近边结构谱(XANES)[2]、热裂解场电离质谱(Py-FIMS)[3]、核磁共振(NMR)[4]等技术。XANES是研究分子化学结构和电子结构的有效工具, 利用不同元素有不同的吸收边能量的原理,分析物质的局域结构和局域电子特性,在矿物土壤的研究中可以分析碳和氮的形态构成[5]。Py-FIMS能够非靶向表征主要的土壤有机质,被认为比热裂解-气相色谱/质谱法(Py-GC/MS)在定量分析方面更具优势。但是, 在化合物的具体鉴定方面,Py-FIMS鉴定种类相对偏少[6]。NMR的原理是在磁场内的原子核吸收能量产生核磁共振,由电子云差异产生特征化学位移,进而对物质进行鉴定。固态13C核磁共振波谱在研究土壤有机质中较为常用,其优点是能够直接分析土壤样品中的化学组成,避免提取过程中如热解、萃取等带来的物质结构变化,使分析结果更为真实[7], 但仅能获取碳骨架信息,无法获得分子单体信息[8]。

  直接进样-热裂解-气相色谱/质谱法(Py-GC/MS,直接进样法)是研究土壤有机质化学组成的重要手段之一[9]。该方法通过高温裂解的办法,使有机质中的生物大分子裂解为可挥发的小分子,导入到GC/MS系统中进行分析,依据裂解产物的定性(质谱图,结合标准谱库)和定量(峰面积百分含量)信息,结合产物归属,研究土壤有机质的化学组成。由于各种物质在相同条件下进行热裂解,所产生的各种碎片的相对分子质量及其含量均稳定,因此该方法具有很好的可重复性[10]。

  直接进样法自身也存在一些缺点,其中最显著的是难以检出极性较大的物质。普通的非极性色谱柱难以吸附带有氨基、羟基、羧基的极性物质,同时相较其它物质而言,这些物质更难挥发[11]。为了解决这一问题,本研究采用了一种衍生化法对样品进行处理,即使用四甲基氢氧化铵(TMAH)将酚类与脂肪酸中的羟基甲基化[12],转化为甲氧基。四甲基氢氧化铵衍生-热裂解-气相色谱/质谱法(TMAH-Py-GC/MS,TMAH衍生法)在检测土壤脂肪酸(FAs)方面效果突出[13]。另外,由于TMAH衍生法在检测木质素(Lignin)、角质中的优势[14],以及在研究单宁类物质时,因其操作简便和效果突出,受到了越来越多的关注[15]。目前, 已有一些利用直接进样法或者TMAH衍生法研究土壤有机质化学组成的报道,但很少有研究同时利用这两种方法综合获取更全面的土壤有机质化学组成的信息,并对两种方法的结果进行详细的比较。

  由于纬度不同, 植被组成、温度、降水、光照等环境差异,可能对土壤有机质产生影响,进而产生有机质组成差异。在不同地区选择统一的栓皮栎树种(东亚分布最广树种之一),能够有效去除不同优势树种对土壤有机质化学组成的影响,从而集中探讨区域尺度上其它环境因素的影响。本研究以纬度梯度上不同深度的栓皮栎次生林土壤样品为研究对象,对直接进样法和TMAH衍生法的定性与定量结果进行比较与考察。同时, 因两种方法样品处理方式和目标化合物的差异,其分析结果可互相弥补,从而更加全面地分析土壤有机质化学组成随纬度和土壤深度的变化规律。

  2 实验部分

  2.1 儀器与试剂

  EGA/PY-3030D热裂解仪(PY, 日本Frontier公司); 7890B-5977B气相色谱-质谱仪(GC-MS, 美国Agilent公司)。

  分析纯TMAH(25%的甲醇溶液, 上海阿拉丁(Aladdin)公司)。

  2.2 取样时间、地点与方法

  土壤样品于2014年7月在中国东部的7个地区被采集,纬度跨越从北京(40.25°N, 117.12°E)至江西(29.09°N, 115.62°E)。所有地点均为天然次生栓皮栎森林,在至少50年内未受过人类直接活动以及野火的干扰。按照美国农业部土壤分类标准,这些土壤可分为3个土壤目:北京平谷(PG)、河北易县(HYS)和河北邢台(BA)为新成土,安徽宿州(HZY)和河南信阳(XY)为始成土,安徽黄山(HS)和江西永修(YS)为老成土[16]。

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