離子遷移譜現場觀測渤海和北黃海二甲基硫的研究

彭麗英，郭雨，婁婷婷，崔旭東，張桂成，傅曉婷，谷挺，馬興*，孫軍

( 1. 天津科技大學 海洋與環境學院，天津 300457；2. 天津科技大學 天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津 300457；3. 天津海關動植物與食品檢測中心，天津 300461；4. 中國地質大學（武漢） 海洋學院，湖北 武漢 430074；5. 中國地質大學（武漢） 生物地質與環境地質國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

1 引言

全球海洋二甲基硫（Dimethyl Sulfide, DMS）每年釋放通量（以硫計）約為28.1 Tg/a，相當于人類活動輸入硫含量的50%，對全球氣候變化產生重要的負反饋作用[1-2]，開展各海域DMS釋放通量的調查研究對加深認識其與全球氣候變化的相互作用具有重要意義[3-5]。黃、渤海是大陸架海區，亦是DMS的高產區域，開展該海區的調查研究有助于準確評估全球硫的釋放量[6]。基于模型估算和直接測量法的海-氣交換通量分析分別以表層海水和低層大氣中DMS濃度為基礎，對觀測技術的響應頻率和靈敏度要求較高[7-8]。目前，國內外測量DMS濃度的方法主要有氣相色譜法[9-11]、質譜法（MS）[12]、化學發光法[13-14]和基于聯用技術的方法[15]等，這些方法均能實現痕量DMS的分析并得到廣泛應用，但它們或多或少仍受限于較大的設備體積、較復雜的檢測過程及較長的分析時間。另一方面，海水中DMS濃度較低、性質不穩定且它的生產與生物活動密切相關，長時間的樣品保存對DMS濃度影響較大[16-17]，為避免這種不利影響，通常要求對海水樣品進行現場觀測。因此，操作簡單、便攜、快速、準確的現場觀測技術與方法對DMS釋放量的研究具有重要意義。

離子遷移譜（Ion Mobility Spectrometry, IMS）是20世紀70年代發展起來的一種大氣壓條件下的氣相離子分離分析技術，具有體積小、易便攜、快速靈敏、可連續在線監測等特點。近年來，IMS已廣泛應用于公共安全稽查、食品安全篩查、環境監測、臨床診斷及生物醫藥等領域中[18-22]。本文基于苯輔助光電離離子遷移譜技術（Benzene-assisted Photoionization Positive Ion Mobility Spectrometry，BAPI-PIMS），結合動態氣提-Nafion管在線除水進樣系統，消除背景水汽對檢測的干擾，建立了可現場檢測海水中DMS的方法，并應用于2019年秋季渤海、北黃海海域DMS的現場觀測，探究了海水樣品儲存過程中DMS濃度的變化及主要影響因素。

2 材料與方法

2.1 儀器和裝置

本文所采用的動態氣提-Nafion管在線除水苯輔助光電離離子遷移譜（Nafion-BAPI-PIMS）檢測平臺的主要結構與之前報道的相似[23]，主要由動態氣提系統、Nafion管及離子遷移譜儀組成，如圖1a所示。動態氣提系統主要由2個三通電磁閥和1個動態氣提瓶組成。離子遷移譜儀主要由VUV燈電離源離子遷移管、氣體凈化和流量控制系統、試劑分子發生裝置、數據采集與處理系統組成，其中氣體凈化系統主要包括硅膠、活性炭和分子篩。Nafion管可將潮濕樣品氣流中的水汽在線轉移到動態干燥空氣氛圍中，去除環境水汽對檢測的干擾。該檢測平臺采用單向氣流模式，并以苯為試劑分子通入VUV燈電離源中，苯分子在紫外光的照射下電離產生試劑離子。在測定樣品時，取5 mL海水（5 m以淺水層獲取）注入氣提瓶內；然后輸送一定流量凈化空氣進入水樣中，在該氣體的鼓泡剝離提取作用下，海水中的DMS動態釋放至氣流中。該氣流進一步經過Nafion管在線除水后進入遷移管反應區中，與試劑離子發生電離反應生成相應的產物離子，然后在電場力的作用下進入遷移區后，因遷移率差異被分離并由法拉第盤接收。法拉第盤接收到的離子流進一步被放大成相應的產物離子信號峰。加權平均每20次離子信號得到一個IMS圖，而單譜圖所需要的響應時間僅為0.3 s。IMS分析平臺的工作條件如下：遷移管電壓約為270 V，試劑分子發生裝置的溫度為30℃，遷移管溫度為100℃，單個水樣分析時間周期約2 min；經空氣凈化系統除去原有DMS等物質的空氣在質量流量控制器的作用下分為漂氣，即遷移管內的反向吹掃氣（600 mL/min）、試劑分子發生載氣（50 mL/min）、鼓泡氣（200 mL/min）及Nafion管內的反向吹掃氣（1 000 mL/min）。在單向氣流模式下，電離源中紫外光照射產生的臭氧可由漂氣和載氣吹掃并載帶出遷移管，從而消除其對DMS的影響。

圖1 動態氣提-Nafion管在線除水苯輔助光電離離子遷移譜（Nafion-BAPI-PIMS）檢測平臺（a）及2019年秋季渤海、北黃海海域調查站位（b）Fig. 1 Schematic of gas stripping-Nafion tube benzene-assisted photoionization positive ion mobility spectrometry (Nafion-BAPI-PIMS)(a) and locations of the sampling stations in the Bohai Sea and northern Yellow Sea in autumn 2019 (b)

2.2 調查站位與DMS樣品

本次調查依托國家自然科學基金委2017-2020年黃海中部春季浮游植物水華進程及其對生物碳匯貢獻研究，于2019年10月12-22日搭乘“北斗號”科學考察船對渤海、北黃海海域進行調查，具體調查站位如圖1b所示，調查區域為37°～39.50°N，118.50°～124.50°E，共28個站位。各調查站位的現場水溫、鹽度、水深等信息由直讀式CTD獲取，離海平面10 m高處的真實風速由船載自動氣象站同步測得。DMS海水樣品由5 L CTD采水器采集，然后用經過酸洗的T型硅膠管一端連接CTD采水器，另兩端插入2個40 mL棕色采樣瓶底緩慢盛接海水，待海水溢出量達到瓶體積一半時，緩慢抽出硅膠管并加蓋擰緊。其中一瓶立即運回船艙采用IMS檢測平臺進行現場檢測，從盛接水樣到完成檢測約需30 min；另一瓶則在瓶口纏上Parafilm膜封口，放置在4℃下密封避光保存[24]，待運回實驗室后立即檢測，整個過程約需1個月。

2.3 環境和生物參數樣品

浮游植物水樣為CTD采水器中的海水直接倒入250 mL PE寬口瓶中，然后加入中性甲醛溶液固定（最終體積分數為2%），避光保存。待運回實驗室后，浮游植物樣品利用MoticAE2000型倒置顯微鏡并基于Uterm?hl方法[25]進行鏡檢計數，其中物種鑒定參照山路勇[26]和金德祥等[27]的書目，記錄中所用物種中文名稱和拉丁文名稱參照孫軍和劉東艷[28]的研究。營養鹽樣品為罩杯式濾器過濾（GF/F膜）后的100 mL海水濾液, 存放于酸（鹽酸∶純水=1∶5）洗過的100 mL PE瓶中，于-20℃保存，然后基于J-GOFS標準，使用SEAL Analytical AA3儀器對營養鹽樣品（磷酸鹽、硅酸鹽、銨鹽、硝酸鹽）進行測定[29]。

2.4 試劑與方法

Nafion管購買于美國博純責任有限公司，型號為MD-070-24。試劑分子苯（分析純，國藥化學試劑天津有限公司）密封在5 mL的棕色小瓶中（安捷倫科技有限公司），并將其存放于6 mL的不銹鋼發生裝置中，小瓶中的苯蒸汽可通過瓶蓋上的PDMS膜滲透到50 mL/min的吹掃氣流中，最終得到含30×10-6苯的氣流進入離子遷移譜中。含772.80×10-9DMS的標準母氣由30 mL/min的干凈空氣連續吹掃稀釋60 mL玻璃瓶內的DMS標準品（存于2 mL棕色瓶）蒸汽得到。不同濃度的DMS氣態標準樣品用不同流量的凈化空氣或濕空氣依次稀釋母氣獲得。不同濕度的潮濕空氣由不同量水蒸汽與干燥空氣混合配制產生。另外，采用乙二醇（分析純，國藥化學試劑天津有限公司）稀釋標準品配制得到2.30 mmol/L DMS標準母液，然后通過逐級稀釋該母液得到二級、三級母液，最后用不同體積的人工海水稀釋三級母液得到系列濃度的DMS標準溶液。

2.5 約化遷移率和海氣交換通量的計算

2.5.1 約化遷移率K0的計算

DMS產物離子峰的約化遷移率K0計算公式為

式中，ts和tDMS分別為校準物和分析物DMS的遷移時間；校準物甲基膦酸二甲酯（DMMP）的約化遷移率K0s為1.40 cm2/(V·s)，它在相同條件下檢測得到的遷移時間ts為6.02 ms。

2.5.2 海-氣交換通量

本文采用滯膜模型及相關經驗公式進行DMS海-氣交換通量估算[3,30]，公式為

式中，F為DMS海-氣交換通量（單位：μmol/（m2·d））；kDMS為海-氣傳輸速率常數；cw和cg分別為表層海水和低層大氣中DMS濃度；H為亨利常數，由于海水中DMS濃度遠大于大氣中的濃度，故大氣DMS的貢獻可忽略不計，得式（3）。速率常數kDMS采用N2000進行估算[31-32]，公式為

式中，u為各調查站位的真實風速；Sc為DMS氣體在溫度T時的Schmidt常數；T為海水溫度。

3 結果與討論

3.1 海水中DMS的Nafion-BAPI-PIMS測定

型號為MD-070-24的Nafion管可以將1 L/min濕空氣的濕度穩定在26%濕度以下，并且隨著流速減小，濕度進一步呈現指數下降[33]。因此，可利用該Nafion管在線去除環境水汽對BAPI-PIMS檢測DMS的干擾。圖2a為5 mL人工海水中濃度為10 nmol/L DMS樣品的離子遷移譜圖。從DMS遷移譜圖中可以得到DMS的兩個產物離子峰DMS 1和DMS 2的約化遷移率K0值分別為2.27 cm2/(V·s)和1.85 cm2/(V·s)，與已報道的結果相一致，并可歸屬這兩個產物離子分別為DMS離子的單體和二聚體。隨著對5 mL海水樣品進行連續鼓泡氣提并進樣檢測，可以獲得兩個產物離子峰的監測曲線，如圖2b所示。圖中結果顯示，雖然200 mL/min氣流完全鼓泡提取出單個海水樣品中的DMS并獲得相應連續監測曲線大約需要3 min，但信號強度達到最大值則僅需0.5 min。如果依據最高信號強度進行定量分析，那么完成單個水樣的分析時間比已報道的時間分辨進樣BAPI-PIMS[23]所需的分析時間快4倍。

圖2 5 mL人工海水中DMS（濃度：10 nmol/L ）樣品的離子遷移譜圖（a）和連續鼓泡進樣檢測5 mL人工海水樣品（DMS濃度：10 nmol/L）得到的產物離子峰的監測曲線（b）Fig. 2 Ion mobility spectra of DMS (concentration: 10 nmol/L) in 5 mL artificial seawater (a) and monitoring curves of corresponding DMS product ion peaks’ intensity versus analysis time for 5 mL artificial seawater sample with 10 nmol/L DMS detected through continuous bubble stripping (b)

3.2 條件優化

為了獲得最優檢測條件，我們探究了鼓泡氣流速和水樣體積對Nafion管在線除水及檢測結果的影響，結果如圖3所示。圖3a表明，隨著鼓泡氣流速從50 mL/min增加到300 mL/min，DMS兩個產物離子峰強度分別由330 mV和47 mV增加至663 mV和229 mV，而最高強度處的分析時間則從80 s縮短至33 s。出現這種現象的原因可能是隨著鼓泡氣流速增加，單位時間進入水樣中的氣體量增多，提升了對DMS的提取量及進樣量，使得峰強度增強，與此同時縮短了定量水樣提取分析所需要的時間。最終綜合操作方便性、分析速度和靈敏度，選擇200 mL/min為后續實驗的鼓泡氣流速。圖3b為鼓泡氣流速為200 mL/min時，海水進樣體積對檢測的影響結果，從圖中可以看到，隨著水樣體積從2 mL增加至8 mL，DMS兩個產物離子峰分別從376 mV和50 mV增加至712 mV和321 mV，同時相應分析時間亦從26 s均逐漸增加至34 s，原因可能是由于水樣中DMS濃度隨體積增加而增加，故其產物離子峰的信號強度增強，而在鼓泡氣流一定時，完成提取所需要的時間亦增加，綜合考慮信號強度和分析時間，選擇5 mL為單次進樣的水樣體積。對于5 mL水樣，200 mL/min鼓泡流速下的分析時間約為0.5 min。

圖3 鼓泡氣流速（a）和海水進樣體積（b）對Nafion管在線除水BAPI-PIMS檢測5 mL人工海水樣品（DMS濃度為10 nmol/L）的影響Fig. 3 The effect of bubbling gas flow rate (a) and seawater sampling volume (b) on the detection of 5 mL artificial seawater with 10 nmol/L DMS by Nafion-BAPI-PIMS

3.3 定量分析

在最優條件下，基于人工海水配制的系列濃度DMS標準水樣，我們分別根據DMS的兩個產物離子峰的監測曲線（圖2b）的峰面積和最高峰強度進行定量分析，可以得到相應的動態響應曲線及其線性范圍，結果如表1所示。從表中可以得到基于兩個產物離子峰監測曲線的最高強度，可以實現0.10～80.00 nmol/L之間的定量分析，而基于兩者的峰面積則可實現0.10～120.00 nmol/L范圍內的定量分析。兩者對應的最低檢測限分別為0.065 nmol/L和0.067 nmol/L，它們9次重復檢測的相對標準偏差（Relative Standard Deviation,RSD）分別為2.19%和1.43%。從以上結果可知，基于峰面積的定量分析具有較寬的線性范圍，精密度亦相對較高，但要求水樣中的DMS被完全鼓泡氣提，會適當延長單個樣品的分析時間。故在現場應用中依據最高峰強度的定量分析可以獲得較快的檢測速度，而依據峰面積的定量分析則可獲得重現性相對較好的濃度值。我們在后續的海水樣品分析中則是依據峰面積進行定量分析。

表1 人工海水中DMS的定量分析結果Table 1 Quantitation results for DMS samples prepared with artificial seawater

3.4 DMS水平分布及海-氣通量分析

我們利用Nafion-BAPI-PIMS檢測平臺現場觀測了秋季渤海、北黃海海域的28個站位表層海水中的DMS。根據DMS產物離子峰監測曲線的峰面積回歸動態響應曲線分析得到表層海水中DMS的濃度分布如圖4a所示，從圖中可知，現場檢測得到的表層海水DMS的濃度范圍為0.080～0.96 nmol/L，平均值為（0.44±0.34） nmol/L。其中，由于B9站位、B20站位、B22站位和B24站位海水中DMS離子峰監測曲線的峰面積低于3倍背景噪音，所得濃度值均低于檢測限，存在較大的不確定性，故未納入該濃度范圍。表層海水中DMS整體分布呈現由渤海向北黃海逐漸遞增的趨勢，且在北黃海海域呈現高值分布。雖然基于Nafion-BAPI-PIMS現場觀測的DMS濃度值低于2014年和2015年Yang等[34-35]基于GC-FPD得到的濃度值1.86～6.52 nmol/L和0.75～6.69 nmol/L，但是整體變化趨勢及最高值分布與2015年Yang等[35]報道的秋季分布結果相一致，均在北黃海中東部海區出現最高值。與此同時，調查發現，該區域葉綠素含量（0.87～4.02 μg/L）、浮游植物總量、硅藻和金藻豐度均出現高值分布[36]，因此，該海區高濃度DMS分布可能與浮游植物總量及群落結構密切相關，而浮游植物豐度及群落結構則與海表溫度（17.77～20.72℃）、鹽度（29.85～32.07）及營養鹽（未發表數據）等的分布密不可分。另外，我們基于各調查站位表層海水溫度及風速，利用滯膜模型及式（2）至式（5）估算了2019年秋季渤海、北黃海DMS的海-氣交換通量，其分布情況如圖4b所示。從圖中可以看到，除去濃度值低于檢測限的站位，DMS的海-氣交換通量范圍為0.12～17.75 μmol/(m2·d)，平均值為（3.23±4.02）μmol/(m2·d)，最高值出現在北黃海東部靠近山東半島海區，且整體呈現由渤海向北黃海逐漸遞增的趨勢，這與DMS的分布趨勢大體相同，但是在北黃海中部海域未出現通量較高值，可能是因為通量不僅與DMS濃度有關，還與該海域的風速和海表水溫有關。

圖4 2019年秋季渤海、北黃海海域現場觀測獲得的表層海水中DMS的濃度及其海-氣通量分布Fig. 4 Distribution of DMS detected on field in the surface seawater and its air-sea exchange flux of the Bohai Sea and the northern Yellow Sea during autumn 2019

3.5 海水樣品低溫儲存中DMS的變化及影響因素研究

DMS海水樣品保存中，Simth等[17]及Andreae和Barnard[16]均認為樣品低溫保存是非常必要的，前者認為過濾操作可有效防止海水中浮游植物藻細胞進一步生產二甲基硫丙酸內鹽（DMSP），但操作不當亦有可能導致藻細胞破裂，增大海水中DMS濃度，而酸化措施則可有效抑制DMSP裂解酶的活性，進而有效維持海水樣品保存過程中DMS的濃度；然而后者卻認為，GF/C膜過濾和酸化處理對海水DMS樣品的保存沒有明顯幫助。為了探究海水樣品低溫儲存過程中DMS濃度的變化及影響因素，我們同步采集了相應站位的海水樣品，置于4℃下密封避光儲存，待運回實驗室后，立即使用Nafion-BAPI-PIMS進行檢測，整個過程大約需1個月。將所得結果與現場觀測（完成時間約為30 min）結果進行對比分析，結果如圖5所示。從圖中可以發現，實驗室檢測得到的DMS濃度值（DMSL）整體明顯高于現場觀測值（DMSF），前者平均是后者的（7.85±8.89）倍，其中B24站位的差距最大，且渤海海域兩者的差異整體高于北黃海海域。為探究造成該差異的原因，我們分別對DMS的實驗室檢測值、現場觀測值及兩者的比值與環境因子之間進行了雙變量相關性分析，結果如表2所示。從該表可以得到現場觀測的DMS濃度與、TIN和（未發表數據）濃度呈現顯著的高度負相關性，而與海表水溫、鹽度及葉綠素濃度分布相關性不顯著；實驗室檢測結果與營養鹽濃度則未表現出顯著相關性；兩者的比值均與、TIN和濃度均呈現極顯著的正相關性。綜上所述，營養鹽是影響現場海水中DMS分布的主要環境因子，但樣品在4℃下冷藏存放的過程中，海水中DMS濃度會發生明顯增加，而促進DMS濃度增加的原因還需進一步綜合考慮環境因素和生物因素。

表2 2019年秋季渤海、北黃海海水中DMS濃度的現場觀測值（DMSF）、實驗室檢測值（DMSL）及兩者比值與環境因子的相關性分析Table 2 Correlation analysis of DMS concentration detected in field (DMSF) and lab (DMSL) and environmental factors in the Bohai Sea and the northern Yellow Sea during autumn 2019

圖5 2019年秋季渤海、北黃海海水DMS的現場觀測值和實驗室檢測值及兩者比例的變化曲線Fig. 5 The variations of DMS concentration detected on field and in laboratory, and their ratio in the Bohai Sea and the northern Yellow Sea during autumn 2019

為了進一步探究低溫儲存過程影響海水中DMS濃度的原因，我們基于2019年秋季同航次渤、黃海浮游植物群落結構[36]，分別對DMS現場觀測值和實驗室檢測值與前15種浮游植物優勢種群及主要環境因子進行了典范對應分析，結果如圖6所示。圖6a表明，現場觀測值與金藻及其優勢種小等刺硅鞭藻（Dictyocha fibula），硅藻優勢種中的柔弱偽菱形藻（Pseudonitzschia delicatissima）、斯 氏 幾 內 亞 藻（Guinardia striata）及羽紋藻（Pinnulariaspp.）等相關性很大，說明控制秋季DMS生產的主要生物因素是金藻及某些硅藻優勢種。另外，圖6b顯示了DMS實驗室觀測值與金藻的相關性減弱，而與硅藻優勢種柔弱偽菱形藻（Pseudonitzschia delicatissima）、斯氏幾內亞藻（Guinardia striata）和膜狀謬氏藻（Meuniera membranacea）的相關性增強，說明海水樣品在低溫儲存過程中，硅藻優勢種對DMS的生產消耗過程起著主導作用。結合浮游植物群落分析結果，在渤海海域出現了豐富的硅藻群體，而典范對應分析結果亦顯示硅藻和營養鹽相關性很大。渤海較豐富的營養鹽，造就了該海域豐富的硅藻類群，該類群低生產DMS的能力最終導致渤海低濃度的DMS分布。此外，結果亦說明，樣品低溫儲存對硅藻藻細胞進一步生產DMS的影響更大，進而造成渤海海域中DMS實驗室檢測值相對于北黃海海域更明顯地高于現場觀測值。因此，在DMS非現場（實驗室檢測）調查中，盡管海水樣品是低溫儲存，但如果時間過長，存儲過程中海水中的浮游植物尤其是硅藻細胞可釋放大量的DMS，會導致儲存樣品的DMS濃度顯著高于現場觀測值。

圖6 DMS的現場觀測值、實驗室檢測值及兩者的比值與浮游植物群落結構（前15種優勢種群）和環境因子間的典范對應分析Fig. 6 Canonical correspondence analysis of DMS concentration detected on field and in laboratory, their ratio, phytoplankton community(top 15 dominant phytoplankton species) and environmental factors

4 結論

本文基于苯輔助光電離離子遷移譜技術并結合在線除水Nafion管提出了一種可在海域現場觀測海水中DMS的方法。通過結合動態氣提-Nafion管在線除水進樣系統，消除環境水汽的干擾，保證靈敏度的同時，優化檢測過程。在最優條件下，基于DMS兩個產物離子峰峰面積，可實現0.10～120.00 nmol/L之間的定量分析，檢測限低至0.067 nmol/L；最后將所建方法應用于2019年秋季渤海、北黃海海水中DMS的現場觀測和實驗室檢測，并通過探究現場觀測和實驗室檢測值的差異可知，樣品長時間的低溫儲存會引起海水中DMS濃度顯著增高，導致該現象的主要因素是表層海水中營養鹽成分及浮游植物群落結構，尤其是硅藻對低溫儲存中DMS的生產消費情況有重要影響。

致謝：本研究得到國家自然科學基金委2017-2020黃海中部春季浮游植物水華進程及其對生物碳匯貢獻研究的支持（項目編號：41849901，航次編號：NORC2019-01），“北斗號”科考船提供采樣平臺及溫度、鹽度和水深等CTD數據，謹致謝忱！