劉 毅, 劉 群, 吳文廣, 楊 , 劉 越, 5, 姜雅斐, 5, 張繼紅, 4

空白校正對元素分析儀測定海水中顆粒有機碳結(jié)果準確性的影響分析

(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實驗室, 山東 青島 266000; 5. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院, 遼寧 大連 116000)

顆粒有機碳(POC)在海洋生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用, 其準確獲取至關(guān)重要。目前, 元素分析儀測定POC是最準確和常用的分析方法, 但取樣忽略了水體溶解有機碳(DOC)可能帶來的影響。針對空白樣品如何獲取才能有效去除DOC影響的問題, 本文設(shè)計比較了5種取樣方法對POC測定結(jié)果的影響, 以及濾膜對數(shù)據(jù)的影響。結(jié)果顯示, 1) 5種樣品取樣方法所得的結(jié)果差異顯著, 不進行空白校正會對結(jié)果產(chǎn)生較大誤差; 2) 文獻和本文設(shè)計的空白樣取樣方法均出現(xiàn)了空白值大于樣品值的異常情況; 3) 樣品繼續(xù)抽人工海水100 mL即可有效洗去濾膜上吸附的DOC; 4) 未過濾的濾膜450℃灼燒5 h后可以有效去除濾膜上吸附的碳, 但是存放時間越久濾膜從空氣中吸附碳的概率越大。本研究確定的人工海水法可以有效去除DOC對測定結(jié)果的影響, 樣品測定結(jié)果重復(fù)性、精密度高, 可準確用于海水POC樣品的測定。

元素分析儀; 顆粒有機碳; 溶解有機碳; 空白樣品

顆粒有機碳(POC)是浮游植物光合作用的主要產(chǎn)物, 也是生物攝食和代謝過程的主體, 是碳在海洋中的主要存在形式, 能在一定程度上控制溶解有機碳(DOC)、溶解無機碳(DIC)等碳形式的產(chǎn)生, 在海洋食物鏈、海洋生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用[1-4]。POC數(shù)據(jù)的準確獲取對研究結(jié)果至關(guān)重要, 已引起學(xué)者關(guān)注[2, 5-6]。2007年, 國家頒布的海洋調(diào)查規(guī)范第九部分海洋生態(tài)調(diào)查指南(GBT12763.9-2007)中規(guī)定了POC分析方法標準, 具體方法為: 海水樣品經(jīng)玻璃纖維濾膜(25 mm; 450℃灼燒5 h)過濾后, 將濾膜置于酸蒸氣內(nèi)酸熏30 min, 濾膜干燥后采用元素分析儀進行測定。這一方法簡化了測試步驟, 提高了分析準確度。然而研究發(fā)現(xiàn), DOC很容易被吸附在固體界面上, 部分大陸架區(qū)域會有3%~11%的DOC吸附在POC上[7]。因此, 在POC樣品采集過程中, DOC很有可能大量吸附在濾膜上, 從而影響POC的真實結(jié)果。國標的規(guī)定中, 并未考慮DOC可能帶來的影響, 針對校正DOC影響的空白樣品取樣方法也尚未規(guī)定。許多學(xué)者對空白是什么, 是否需要空白校正以及如何取樣仍無統(tǒng)一認識。有部分學(xué)者認為濾膜吸附空氣中的碳才會對結(jié)果產(chǎn)生影響[2], 因此將“未過濾的膜”作為空白樣品進行校正; 也有許多學(xué)者不考慮DOC的影響, 因此不進行空白樣品(DOC)的校正; 當然越來越多的學(xué)者已經(jīng)意識到空白樣品(DOC)校正的重要性, 也設(shè)計了很多取樣方法, 利用空白樣品校正去除DOC的影響, 但是這些方法的效果并不明確[8-23]。因此空白樣品的獲取、校正的準確性等問題亟待研究。本文針對上述問題, 首先通過實驗數(shù)據(jù)驗證未過濾的膜對實驗數(shù)據(jù)的影響; 其次通過文獻查閱選取了目前國內(nèi)外具有代表性的空白取樣方法, 驗證這些方法的效果和準確性; 最后, 自主設(shè)計了2種不同的取樣方法進行比較, 通過實驗數(shù)據(jù)明確進行DOC校正對數(shù)據(jù)結(jié)果的重要性, 以及各種方法的可行性。以期建立方便、準確的空白樣品的取樣方法或有效去除DOC的方法, 為POC的相關(guān)研究提供支撐。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

Elementar EL型元素分析儀(德國 Elementar公司); 馬弗爐; MILLI-Q超純水儀(美國Millipore公司); 鼓風(fēng)干燥箱; GF/F玻璃纖維濾膜(25, 美國GE公司); 抽濾裝置一套(濾器、濾瓶, 美國Pull公司); 真空抽濾泵。

海水樣品取自山東榮成桑溝灣海域, 在某一固定位置利用采水器采集水樣并收集至25 L加侖桶內(nèi), 于當日轉(zhuǎn)移到陸地實驗室進行抽濾和預(yù)處理, 處理后的樣品由錫20℃冷凍保存。

1.2 樣品的采集

1.2.1 濾膜的處理

分別在實驗開始前180 d、30 d、7 d和實驗當天, 取25 mm的GF/F玻璃纖維濾膜, 在馬弗爐內(nèi)以450℃灼燒5 h, 灼燒后的濾膜裝入盒中放置在恒溫干燥的實驗室內(nèi)備用。

1.2.2 POC樣品的采集

將所取水樣混勻后, 重復(fù)進行抽濾, 每次取水樣200 mL經(jīng)濾膜過濾, 過濾后的濾膜即為該調(diào)查站位的POC樣品。其中每6個重復(fù)為一組, 每組對應(yīng)不同的空白樣品采集或直接去除DOC的操作。

1.2.3 空白樣品的采集和直接去除DOC的操作方法

空白樣品采集方法和設(shè)計依據(jù)見表1中的1~3。直接去除DOC影響的操作方法見表1中的4~5。

表1 樣品處理方法

1.3 儀器工作原理

元素分析儀通過高溫和還原銅的作用, 將樣品完全燃燒和凈化生成二氧化碳和氮氣的混合氣體, 混合氣體經(jīng)氣相色譜分離后, 分別通過載氣送入熱導(dǎo)檢測器檢測, 儀器軟件通過熱導(dǎo)檢測器的信號進行積分計算, 并根據(jù)樣品重量和儲存的標準曲線, 最終換算出C或N元素的百分比含量。

1.4 POC樣品和空白樣品測定的實驗方法

采用Elementar EL型元素分析儀進行測定, 選擇CHN模式, 加載正常乙酰苯胺標準曲線即可, C、N檢出限均為0.01%。儀器條件: 燃燒管溫度750℃, 還原管溫度550℃, 高純氦氣流量為600 mL/min, 氧氣流量為20 mL/min, 通氧時間選擇為70 s。

樣品包覆好后, 將樣品和其對應(yīng)的空白樣品按照順序放入儀器進樣器中, 儀器軟件中樣品重量欄輸1(單位mg), 開始運行程序。軟件中C峰面積值表示熱導(dǎo)檢測器中的信號積分值, 其大小反應(yīng)了C元素的絕對含量高低。因此分析完成后, 將空白樣品的C峰面積值輸入到軟件中對應(yīng)樣品的C空白欄中, 程序?qū)⒆詣訉悠愤M行空白校正, 并將結(jié)果列入測定值欄。由于元素分析儀測定值的單位是%, 且質(zhì)量已經(jīng)輸入1, 因此測定值縮小100倍后, 即為該濾膜上C的絕對含量, 單位為mg, 再除以抽濾體積即可得到POC含量, 單位mg/L。計算公式為: POC=C測定值×0.01/抽濾體積。

需要提醒的是, 利用元素分析儀分析POC時, 仍有實驗室在實驗過程中稱量濾膜過濾前后的質(zhì)量來計算總懸浮物質(zhì)量, 這無疑增加了操作步驟和人為誤差概率。只要了解了元素分析儀的工作原理, 此類樣品便可以利用質(zhì)量輸入1的操作來減少實驗步驟和人為誤差。

1.5 數(shù)據(jù)分析

各組數(shù)據(jù)之間相關(guān)性采用SPSS軟件的單因素方差進行分析,<0.05為顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 濾膜對樣品結(jié)果的影響

目前很多實驗室使用未過濾的濾膜作為空白樣品進行分析, 因為在實際操作中, 時有未過濾的濾膜上吸附的碳會影響結(jié)果的情況發(fā)生, 所以必須將其作為空白進行檢測并校正[2]。筆者認為這一操作并不準確, 濾膜450℃灼燒5 h后理應(yīng)完全去除C的干擾, 未過濾的濾膜“時有影響”這一現(xiàn)象可能是在存放過程中吸附了空氣中的碳所導(dǎo)致。為驗證這一結(jié)論, 分別取灼燒后1、7、30、180 d的四種不同時期的濾膜進行測定, 前處理步驟完全參照國標GB/T12763.9中的規(guī)定進行, 以此考察濾膜不同處理時間對樣品測定的影響。結(jié)果見圖1?？梢钥闯? 濾膜在灼燒后基本可以清除所吸附的C、N雜質(zhì), 7日內(nèi)濾膜的C、N含量幾乎沒有變化, 不會對樣品的結(jié)果造成影響, 但是一個月之后, 濾膜上吸附的C含量開始直線上升, 存放時間越久, 越容易對結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 濾膜灼燒后不同存放時間的C、N含量

通過上述實驗的驗證, 可以得出結(jié)論, 濾膜通過灼燒處理后, 短時間內(nèi)不會對樣品結(jié)果產(chǎn)生影響, 但是濾膜有一定能力吸附空氣中的C。因此, 我們建議濾膜應(yīng)在灼燒后一周內(nèi)使用, 灼燒后的濾膜應(yīng)保存在干燥器或封口袋內(nèi)。

2.2 不同空白樣品取樣方法對結(jié)果的影響

為了驗證針對DOC的空白校正對結(jié)果的重要性, 以及不同空白樣品取樣方法的差別和確定合適的取樣方法, 分別采用浸濕法、雙層膜法、二次抽濾法進行空白樣品的取樣操作, 具體方法見上文所述。實驗全部采用灼燒處理7日內(nèi)的濾膜, 樣品和空白樣品的后續(xù)處理按照國標規(guī)定執(zhí)行。結(jié)果見表2。

表2 不同空白樣品取樣方法的結(jié)果

通過表2所列數(shù)據(jù), 針對樣品測定值分析。除雙層膜法外, 其余各組的取樣操作一致, 所得樣品測定值結(jié)果差異不顯著(>0.05), 說明儀器狀態(tài)穩(wěn)定, 樣品重復(fù)性好, 濾膜對樣品測定結(jié)果的影響有限。而雙層膜法的6組平行實驗中, 標準偏差較大, 結(jié)果重復(fù)性差。說明雙層膜法條件下的取樣操作, 會促進DOC在濾膜上的吸附, 由于膜本身的差異, 產(chǎn)生了吸附效率的差別, 從而導(dǎo)致樣品測定值也與其他各組差異顯著(<0.05)。所以可以首先確定雙層膜法的操作不可取。

針對空白樣品測定值結(jié)果分析。所有的空白樣品取樣方法都出現(xiàn)了空白值大于樣品值的異常情況, 且重復(fù)性較差。各組間的空白值差異顯著(<0.05), 造成空白值差異的原因是空白樣品取樣方法不同, 使濾膜對DOC的吸收效率出現(xiàn)差異, 導(dǎo)致空白樣品值的差異, 最終影響POC計算值產(chǎn)生較大差異。目前無論是文獻記錄的方法還是本文自行設(shè)計的方法都存在一定的缺陷, 尚不能采用本文所討論的方法進行操作。同時, 實驗結(jié)果也佐證了DOC會吸附在濾膜上對樣品產(chǎn)生影響, 不同的處理方法差別較大的結(jié)論。

2.3 直接去除DOC的操作對結(jié)果的影響

國標中對于需要抽濾的樣品, 通常在抽濾完成后, 采用蒸餾水反復(fù)抽濾的方式以除溶解態(tài)雜質(zhì)的影響, 如鹽分等。結(jié)合與國外實驗室的交流, 我們提出了蒸餾水法的實驗思路, 通過在樣品膜上再次抽濾蒸餾水的方式, 達到將DOC洗去的目的。同時, 考慮到蒸餾水在沖洗過程中, 滲透壓的改變可能會造成浮游植物的死亡, 影響POC結(jié)果的準確性, 在蒸餾水法的基礎(chǔ)上加入了人工海水的方法, 保證沖洗過程中滲透壓的一致。具體方法見上文所述。實驗全部采用灼燒處理7日內(nèi)的濾膜, 樣品的后續(xù)處理按照國標規(guī)定執(zhí)行。結(jié)果見表3。

表3 直接去除DOC操作方法的結(jié)果

據(jù)表3的相關(guān)實驗結(jié)果顯示, 人工海水操作下的各實驗組樣品測定值范圍顯著高于蒸餾水操作(>0.05), 而蒸餾水法隨著蒸餾水體積的增加樣品測定值開始降低?？梢酝茢? 當進行蒸餾水沖洗時, 滲透壓的變化導(dǎo)致了浮游植物死亡、破裂, 其體內(nèi)的溶解態(tài)碳也被蒸餾水沖走, 從而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。人工海水進行沖洗操作時, 除50 mL 實驗組外, 其余抽濾體積所得樣品檢測值差異不顯著(>0.05)?？梢酝茢? 當沖洗的人工海水體積超過100 mL后, 已基本可以洗去吸附在濾膜上的DOC, 從而消除DOC對樣品結(jié)果的影響。

綜上所述, 根據(jù)實驗結(jié)果, 目前取空白樣進行空白校正的方法在現(xiàn)階段可能并不適用, 我們建議采用抽濾完成后繼續(xù)用人工海水沖洗100 mL的取樣操作。

2.4 方法的重復(fù)性和精密度

在確定取樣方法后, 于2020年4月對榮成桑溝灣的2處站位以及萊州灣的2處站位進行了POC樣品的取樣, 各站位取6組平行進行測定, 分析結(jié)果見表4。由表4可知各站所得結(jié)果穩(wěn)定性好, 數(shù)據(jù)標準偏差較小, 精密度(RSD)為0.83%~2.35%, 說明該操作方法可以得到較為理想和準確的實驗數(shù)據(jù)。

表4 改進后的空白取樣方法結(jié)果的重復(fù)性和精密度(n=6)

3 結(jié)論

(1) 本文驗證了DOC對POC樣品的準確獲取影響較大, 不考慮DOC將對POC測定結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2) 不同的空白樣品取樣方法, 會對POC測定結(jié)果帶來較大差異。本文驗證了目前文獻記載的幾種空白取樣方法和自主設(shè)計的方法, 在現(xiàn)有技術(shù)條件下空白樣品取樣方法都存在一定缺陷。建議采用的方法為: 樣品抽濾完成后采用本文定義的人工海水(100 mL)法進行操作。

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Effects of different sampling methods on the accuracy of particulate organic carbon and particulate nitrogen samples in ocean

LIU Yi1, 2, 3, LIU Qun2, WU Wen-guang1, YANG Jun1, LIU Yue1, 5, JIANG Ya-fei1, 5, ZHANG Ji-hong1,4

(1. Key Laboratory for Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture/Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Qingdao 266071, China; 2.Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Function Laboratory for Marine Fisheries Science and Food Production Processes, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266000, China; 5. College of Fisheries and Life Science, Dalian Ocean University, Dalian 116000, China)

Elemental analyzer; particulate organic carbon; dissolved organic carbon blank sample

Particulate organic carbon (POC) plays an important role in both the marine ecosystem and the global carbon cycle, and the accurate acquisition of relevant data is a key factor in research on the marine carbon cycle. Elemental analysis is the most commonly used method for accurately determining POC content. However, the impact of dissolved organic carbon (DOC) in water is often ignored during sampling. In this study, we focused on how to obtain blank samples and effectively remove the impact of DOC. We investigated the impact of the use of filter membranes on the data and designed five different sampling methods to compare their effects on the data. The results show that: 1) the blank values obtained by different blank sample acquisition methods differ significantly, and their offset errors are not corrected by blank correction. 2) Both the methods reported in the literature and the blank sampling methods designed in this study produced abnormalities in which the blank value was greater than the sample value. 3) 100 ml of artificial seawater can be filtered to effectively remove the adsorbed DOC. 4) After heating at 450℃ for 5 h, the carbon adsorbed on the filter can be effectively removed, but the longer is the storage time, the more likely is the filter to adsorb carbon from the air. The method developed in this study can effectively remove the impact of DOC on the measurement results, and supplement and improve the factors of influence that are not considered in the national standard. The proposed method can effectively remove the influence of DOC on the measurement results, exhibits high repeatability and high precision, and can be accurately and reliably used for the determination of POC samples.

Feb. 21, 2020

Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund, YSFRI, CAFS, No. 20603022019012; Joint Fund of National Natural Science Foundation of China, No. U1906216; Supported by China agriculture research system, No. CARS-48]

O656.32; P734.4

A

1000-3096(2020)12-0078-06

10.11759/hykx20200221001

2020-02-21;

2020-05-11

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所基本科研業(yè)務(wù)費資助(20603022019012); 國家自然科學(xué)基金項目(U1906216); 國家蝦蟹產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-48)

劉毅(1985-), 男, 山東青島人, 工程師, 碩士, 主要從事海洋生態(tài)學(xué)研究, E-mail: liuyi@ysfri.ac.cn; 張繼紅, 通信作者, E-mail: zhangjh@ysfri.ac.cn

(本文編輯: 康亦兼)