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

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[3]，是一種生物活性較高[4]、藥用價值較好的有機酸，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)，當酸堿度變化時，結(jié)構(gòu)更為疏松和開放，不論是對金屬離子還是有機物、無機物都有較強的吸附作用。黃腐酸幾乎可以視為無毒，許多學(xué)者研究了黃腐酸的藥用價值，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，在社會當中應(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也越來越充實，關(guān)于黃腐酸的定性與定量的分析方法也越來越豐富[10]，給各種測定帶來極大方便。目前，主要通過紫外光譜、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靈敏度高、選擇性較強和使用簡便等特點，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)光譜波長變化分析產(chǎn)品差異。但是，目前通過熒光發(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在不同的溶劑體系中解離程度不同，聚集程度也不同，會形成一些聚集體[16]。因此，不同的黃腐酸其熒光強度會有不同，放置時間不同的黃腐酸其性質(zhì)也會改變，不同的條件下測定黃腐酸的熒光強度也會有很大的不同。在黃腐酸制備提取過程中，原料的粒度和粒度分布以及化學(xué)結(jié)構(gòu)的不確定性都會直接影響黃腐酸提取的精度、準確度等，進而熒光強度、發(fā)射光譜也會發(fā)生改變。本文選擇了含黃腐酸的7種煤樣進行分析，通過黃腐酸最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長以及黃腐酸濃度與熒光強度關(guān)系的測定，探討了不同來源黃腐酸熒光性能的差異，以期能夠進一步豐富黃腐酸的理論研究。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

選用7種含黃腐酸的煤樣進行黃腐酸的提取，這7種煤樣分別為內(nèi)蒙古泥炭（HHHT）、沈陽泥炭（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），均由中國腐植酸工業(yè)協(xié)會腐植酸質(zhì)量檢測中心（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)典黃腐酸測試樣品制備方法為：稱取泥炭樣品150 g，加入1500 mL水進行提取，提取后剩余體積為1200 mL，對提取物中黃腐酸含量進行測試，后用水逐級稀釋至所需濃度進行熒光測試。

再生黃腐酸測試樣品制備方法：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，對提取物中黃腐酸含量進行測試，后用水逐級稀釋至所需濃度進行熒光測試。

黃腐酸含量由中國腐植酸工業(yè)協(xié)會腐植酸質(zhì)量檢測中心（太原）進行檢測。

1.2 實驗儀器

JY10002電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；JJ-1精密定時電動攪拌器（常州潤華電器有限公司）；DZTW型電子調(diào)溫電熱套（天津工業(yè)實驗室儀器有限公司）；臺式低速離心機TD5K（長沙東旺實驗儀器有限公司）；雷磁pH計（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（日本日立公司）。

1.3 實驗方法

利用F-7000熒光分光光度計分別對不同來源黃腐酸進行測定，確定其最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長，研究其來源、本身濃度對黃腐酸熒光強度的影響，研究上述因素與黃腐酸的熒光特性的關(guān)系。此次實驗激發(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)波長和最大發(fā)射波長

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)波長掃描其發(fā)射光譜，再以最大發(fā)射強度對應(yīng)的波長掃描其激發(fā)光譜，最后確定激發(fā)強度和發(fā)射強度最大的相匹配的一組峰為其熒光峰，確定其最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長。

1.3.2 黃腐酸濃度對其熒光強度的影響

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)波長對其進行熒光掃描，測定黃腐酸濃度對其熒光強度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃腐酸熒光激發(fā)與發(fā)射光譜

煤的進化歷程為泥炭—褐煤—風(fēng)化煤，不同來源的黃腐酸，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所描述的步驟測定黃腐酸的最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長，測定結(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)射波長穩(wěn)定在421 nm左右，最大激發(fā)波長穩(wěn)定在310 nm左右；沈陽泥炭黃腐酸與內(nèi)蒙古泥炭黃腐酸相比，最大發(fā)射波長和最大激發(fā)波長均非常相近；蒙古褐煤黃腐酸最大發(fā)射波長在430 nm左右，最大激發(fā)波長為265 nm；黑龍江褐煤黃腐酸最大發(fā)射波長穩(wěn)定在440 nm左右，最大激發(fā)波長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)波長較接近，最大發(fā)射波長為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)波長均為275 nm，最大發(fā)射波長分別為511 nm和452 nm。通過對不同來源黃腐酸最大發(fā)射、激發(fā)波長進行比較，其中2種泥炭黃腐酸最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長較為相近，且最大激發(fā)波長較其他來源黃腐酸最大激發(fā)波長長，可能是因2種黃腐酸來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)波長較為相近。甘肅風(fēng)化煤中提取的黃腐酸最大發(fā)射波長較其他的長，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)波長較小。

2.2 黃腐酸濃度對其熒光強度的影響

用不同來源的黃腐酸分別配制一系列不同濃度的黃腐酸溶液，分別測試其在最大發(fā)射波長處黃腐酸熒光強度隨著濃度變化的趨勢。測定結(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)，不同來源黃腐酸的熒光強度均隨著其濃度的增大而逐漸增強。這可能是由于黃腐酸中含有大量帶有各種官能團的芳香環(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以及生色團共軛效應(yīng)的產(chǎn)生。隨著腐植酸的濃度越大，分子振動和轉(zhuǎn)動的自由度減小，從而增大了發(fā)光的效率，導(dǎo)致熒光增強[18]。內(nèi)蒙古泥炭黃腐酸在濃度為0.0055 g/mL時熒光強度最強，沈陽泥炭黃腐酸在濃度為0.0153 g/mL時熒光強度最強，蒙古褐煤黃腐酸在濃度為0.0035 g/mL時熒光強度最強，黑龍江褐煤黃腐酸在濃度為0.0060 g/mL時熒光強度最強，內(nèi)蒙古褐煤黃腐酸在濃度為0.0001 g/mL時熒光強度最強，甘肅風(fēng)化煤黃腐酸在濃度為0.0281 g/mL時熒光強度最強，新疆風(fēng)化煤黃腐酸在濃度為0.0020 g/mL時熒光強度最強。

圖1 內(nèi)蒙古褐煤制備的黃腐酸濃度與熒光強度關(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、沈陽泥炭和甘肅風(fēng)化煤制備的黃腐酸濃度與熒光強度關(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

不同來源的黃腐酸在某一濃度時熒光強度出現(xiàn)峰值，之后隨著黃腐酸濃度的增加，熒光強度反而減小，出現(xiàn)濃度效應(yīng)。這可能是由于濃度過高時，黃腐酸分子之間靠氫鍵生成了團簇結(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度。另外，高濃度時，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)致熒光強度下降。此外，當溶液濃度增大時也會促進自吸收，從而導(dǎo)致熒光強度下降，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最低。說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，其熒光強度峰值所對應(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

本文考察了不同來源黃腐酸的最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長，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。不同來源黃腐酸的熒光強度均隨著其濃度的增大而逐漸增強，某一濃度時熒光強度出現(xiàn)峰值，之后隨著黃腐酸濃度的增加熒光強度減小。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，其熒光強度峰值所對應(yīng)的濃度越大。因此，通過最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長的測定，根據(jù)熒光強度峰值所對應(yīng)的濃度變化可以為分析黃腐酸的來源及含量判斷提供一種新的研究思路。