一种土壤中有机溴代化合物的原位可视化分析方法
【专利摘要】一种土壤中有机溴代化合物的原位可视化分析方法：1)以有机溴代化合物污染土壤，选择土壤水饱和微团聚体，将冷冻微团聚体颗粒切片得到微切片样品，并将其转移到载玻片上；2)利用同步辐射傅里叶变换红外显微成像技术分析待测土壤微切片样品中含碳官能团及黏土矿物组成与微区分布；3)应用硬X射线微聚焦荧光显微成像技术分析同步辐射傅里叶变换红外显微成像技术所检测微切片样品的同一区域，分析待测区域内示踪元素Br与其他矿质元素的分布情况，以及其他矿质元素和Br的赋存形态；4)分别获取含碳官能团、黏土矿物、Br及其他矿质元素在分析区域中的微区分布谱图，对谱图进行分析，得到溴代有机污染物在土壤中微区分布特征及相关影响因素等信息。
【专利说明】一种土壤中有机溴代化合物的原位可视化分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机污染物分析化学领域，具体地涉及一种土壤中有机溴代化合物的 原位可视化分析方法。
【背景技术】
[0002] 有机污染物在土壤中的界面迁移与转化行为与其在土壤介质上的结合位点及赋 存形态密切相关。这方面的研究一直是环境化学领域的热点。以往的相关研究主要依赖于 化学提取、质谱分析等手段。这些方法不可避免地对土壤组成和结构造成扰动和破坏，难以 反映土壤中污染物的真实分布情况。基于同步辐射光源的谱学技术具有空间分辨率好、灵 敏度高等特点。随着同步辐射谱学技术的发展与应用，使原位分析环境介质中有机污染物 的结合位点和赋存形态成为可能，是探索土壤中污染物环境界面反应机制的首选技术。
[0003] 利用Br作为示踪元素，通过微聚焦光束线表征其在土壤中的赋存形态，可以直接 表征土壤中溴代有机污染物的结合位点及其赋存形态。利用μ-XRF分析土壤中溴代有机 污染物的结合位点，检测限可低至2mg Br/kg。同时，利用FTIR成像技术可以得到土壤中 有机碳不同官能团的微区分布。联合应用这两种技术可以建立溴代有机污染物的微区分布 与土壤组分的微区分布之间的关系，从而形象直观地揭示土壤中溴代有机污染物的结合位 点。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种土壤中有机溴代化合物的原位可视化分析方法，可以原 位可视化检测土壤中污染物的赋存形态、微区分布，真实反映土壤中污染物的反应过程。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供的土壤中有机溴代化合物的原位可视化分析方法， 其步骤如下：
[0006] 1)以有机溴代化合物污染土壤，选择土壤水饱和微团聚体，将冷冻微团聚体颗粒 切片得到微切片样品，并将其转移到载玻片上；
[0007] 2)利用同步辐射傅里叶变换红外显微成像（FTIR)技术分析待测土壤微切片样品 中含碳官能团及黏土矿物组成与微区分布，选择微切片样品边缘清晰，易于定位的微团聚 体颗粒；
[0008] 3)应用硬X射线微聚焦荧光显微成像（μ -XRF)分析FTIR所检测微切片样品的同 一区域，分析待测区域内示踪元素Br与其他矿质元素的分布情况，以及其他矿质元素和Br 的赋存形态；
[0009] 4)分别获取含碳官能团、黏土矿物、Br及其他矿质元素在分析区域中的微区分布 谱图，对谱图进行分析，得到溴代有机污染物微区分布及相关影响因素信息。
[0010] 所述的可视化原位分析方法中，微团聚体的粒径在50-800 μ m之间。
[0011] 所述的可视化原位分析方法中，微切片样品的厚度为2-15 μ m。
[0012] 所述的可视化原位分析方法中，载玻片为Low-E载玻片。
[0013] 所述的可视化原位分析方法中，步骤2)中的测定步长为5-30 μ m。
[0014] 所述的可视化原位分析方法中，步骤3)中其他矿质元素为Ca、Fe、Μη和Ti。
[0015] 所述的可视化原位分析方法中，μ _XRF分析区域大于并覆盖FTIR分析区域，每个 检测点保留时间在〇. 5-10秒。
[0016] 所述的可视化原位分析方法中，步骤4)中是利用Image-Pro Plus数据处理软件 对谱图进行叠加分析。
[0017] 本发明的可视化原位分析方法，可以在原位、微米尺度、形象直观地分析土壤中有 机溴代污染物的赋存形态和微区分布的方法，从而可以直接反映污染物在土壤中的结合位 点，避免因复杂前处理造成对土壤中污染物结合位点、微区分布及赋存形态等信息的干扰， 为土壤中污染物的反应机制研究提供直接的科学证据。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明利用FTIR和μ -XRF两种谱学成像技术原位分析溴代有机污染物在 土壤微切片样品中微区分布示意图。
[0019] 图2是本发明实施例1中利用FTIR和μ -XRF显微成像技术得到的十溴联苯醚在 污染土壤中可视化分布及与含碳官能团、黏土矿物及其他矿质元素的关系，Br作为十溴联 苯醚的示踪元素；图中a为污染土壤微切片光学图片及分析区域示意图；A-D分别是利用 FTIR显微成像技术得到的污染土壤微切片光学图片：A为芳香基碳（1613CHT 1)』为羧基碳 (1730cm-1)、C 为脂肪基碳（2922cm-1)、D 为黏土 04(3621(^1) ;E-I 分别是利用 μ-XRF 显微 成像技术得到污染土壤微切片分析区域示意图：Ε为Br、F为Ca、G为Fe、H为Ti、I为Μη。
[0020] 图3是本发明实施例1中利用Image-Pro Plus数据处理软件处理得到的十溴联 苯醚（深色区域）及芳香基碳（浅色区域）在污染土壤中可视化分布叠加图。
[0021] 图4是本发明实施例2中利用FTIR显微成像技术得到的四溴双酚A在污染土壤中 可视化分布及与含碳官能团、黏土矿物及其他矿质元素的关系，Br作为四溴双酚A的示踪 元素；图中a为污染土壤微切片光学图片及分析区域示意图；A-D分别是利用FTIR显微成 像技术得到的污染土壤微切片光学图片：A为芳香基碳（1613〇1^)、13为羧基碳（1730〇1^)、 C为脂肪基碳（29220^ 1)^为黏土 0-11(36210^1) ;E-I分别是利用μ-XRF显微成像技术得 到污染土壤微切片分析区域示意图：Ε为Br、F为Ca、G为Fe、H为Ti、I为Μη。
[0022] 图5是本发明实施例2中利用Image-Pro Plus数据处理软件处理得到的四溴双 酚A(深色区域）及芳香基碳（浅色区域）在污染土壤中可视化分布叠加图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明提供的土壤中有机溴代化合物的原位可视化分析方法如下：
[0024] 1)测样前一周内，调节污染土壤含水量至田间持水量，并保持过夜（>12小时），提 供放大镜及光学显微镜选择粒径大小合适（50-800 μ m)的稳定微团聚体，用于冷冻切片， 制备2-15 μ m厚度微切片样品，置于Low-E载玻片，于干燥皿内避光保存，备测；
[0025] 2)首先利用FTIR显微成像技术分析微切片样品中含碳官能团及黏土矿物的 组成和微区分布信息，选择微切片样品边缘清晰，易于定位的微团聚体颗粒，测定步长为 5-30 μ m，分辨率为 1-4CHT1，扫描 32-128 次；
[0026] 3)应用μ-XRF分析FTIR所检测微切片样品的同一区域，分析待测区域内Br、 Ca、Fe、Μη、Ti等元素的微区分布信息及Br在土壤中的赋存形态，为保证两种技术成像重 叠区域在100X100 μ m以上，μ-XRF分析区域要大于并覆盖FTIR分析区域，测定步长在 1-30 μ m，根据污染物浓度，每个检测点保留时间在0. 5-10秒；
[0027] 4)分别获取含碳官能团、黏土矿物、Br及其他矿质元素在分析区域中的微区分布 谱图，利用数据处理软件（如Image Pro Plus等）对谱图进行分析，得到溴代有机污染物 微区分布及相关影响因素信息。
[0028] 本发明优选微团聚体粒径在50-800 μ m之间，以方便应用两种技术分析时能准确 定位所分析区域，同时保证重叠区域在100X 1〇〇 μ m以上，以方便进行有效统计分析和比 较。
[0029] 本发明优选土壤微切片厚度在2-15 μ m之间，以兼顾两种分析技术对空间分布率 和目标检测物浓度的要求。
[0030] 本发明首先利用FTIR分析，然后在利用μ -XRF分析，以避免μ -XRF分析过程中 硬X射线对样品造成的辐射损伤。
[0031] 为验证本发明的可行性，应用本发明方法分别分析了两种溴代阻燃剂（十溴联苯 醚和四溴双酚Α)在棕壤中的结合位点。所有分析结果均显示，本发明提出的基于同步辐射 谱学分析方法可以实现原位可视化表征污染物在土壤中的结合位点，为分析土壤中污染物 的反应机制提供直接的证据支持。
[0032] 实施例1
[0033] 1) 土壤样品制备：
[0034] 十溴联苯醚（BDE-209)污染棕壤，污染浓度为50mg Br/kg ;待土壤混合均匀后，再 加入无菌水至田间持水量，过夜后，以备切片。
[0035] 选择大小合适、稳定的微团聚体，利用Microm HM525冷冻切片机，直接对微团聚体 进行切片，切片厚度为2-15 μ m，转移到Low-玻璃载玻片，以备谱学分析。
[0036] 2) FTIR显微成像分析：
[0037] 如图1所示，利用台湾光源（NSRRC) 14A1光束线直接分析BDE-209污染棕壤微切 片样品，分析步长为5-30 μ m，分辨率为1-4CHT1，扫描32-128次；通过Omnic 8. 0对成像数 据进行解谱得到有机碳芳香基（1613CHT1)、羧基（1730(3!^)、脂肪基（2922CHT 1)官能团及黏 土矿物（棕壤主要黏土矿物为伊利石，其0-H位置为3621CHT1)在微切片上的微区分布图 (图 2A、B、C、D 所示）。
[0038] 3) μ -XRF显微成像分析：
[0039] 如图1所示，利用上海光源（SSRF) 15U1光束线分析FTIR所测同一区域中 BDE-209(Br作为示踪元素）及其他矿质元素（Ca、Fe、Mn、Ti等）的微区分布（图2E、F、G、 Η、I所示）。
[0040] 4)通过Image-Pro Plus软件进行数据处理得到BDE-209在棕壤中微区分布主要 受芳香基含碳官能团控制（图3所示）。
[0041] 实施例2
[0042] 1) 土壤样品制备：
[0043] 四溴双酚A(TBBPA)污染棕壤：污染浓度为50mg Br/kg ;待土壤混合均匀后，再加 入无菌水至田间持水量，过夜后，以备切片。土壤微切片制备方法同实例1。
[0044] 2) FTIR显微成像分析：
[0045] 主要分析仪器及参数同实例1。通过Omnic 8. 0对成像数据进行解谱得到有机碳 芳香基（1613CHT1)、羧基（1730〇1^)、脂肪基（2922CHT1)官能团及黏土矿物（棕壤主要黏土 矿物为伊利石，其0-H位置为3621CHT1)在微切片上的微区分布图（图4 A、B、C、D所示）。
[0046] 3) μ -XRF显微成像分析：
[0047] 利用上海光源（SSRF) 15U1光束线分析FTIR所测同一区域中TBBPA(Br作为示踪 元素）及其他矿质元素（Ca、Fe、Mn、Ti等）的微区分布（图4 E、F、G、Η、I所示）。
[0048] 4)通过Image-Pro Plus软件进行数据处理得到TBBPA在棕壤中微区分布也主要 受芳香基含碳官能团控制（图5所示）。
【权利要求】
1. 一种土壤中有机溴代化合物的原位可视化分析方法，其步骤如下： 1) 以有机溴代化合物污染土壤，选择土壤水饱和微团聚体，将冷冻微团聚体颗粒切片 得到微切片样品，并将其转移到载玻片上； 2) 利用同步辐射傅里叶变换红外显微成像技术分析待测土壤微切片样品中含碳官能 团及黏土矿物组成与微区分布； 3) 应用硬X射线微聚焦荧光显微成像技术分析同步辐射傅里叶变换红外显微成像技 术所检测微切片样品的同一区域，分析待测区域内示踪元素Br与其他矿质元素的分布情 况，以及其他矿质元素和Br的赋存形态； 4) 分别获取含碳官能团、黏土矿物、Br及其他矿质元素在分析区域中的微区分布谱 图，对谱图进行分析，得到溴代有机污染物微区分布及相关影响因素信息。
2. 根据权利要求1所述的可视化原位分析方法，其中，微团聚体的粒径在50-800 μ m之 间。
3. 根据权利要求1所述的可视化原位分析方法，其中，微切片样品的厚度为2-15 μ m。
4. 根据权利要求1所述的可视化原位分析方法，其中，载玻片为Low-E载玻片。
5. 根据权利要求1所述的可视化原位分析方法，其中，步骤2)中的测定步长为 5-30 μ m〇
6. 根据权利要求1所述的可视化原位分析方法，其中，步骤3)中其他矿质元素为Ca、 Fe、Mn 和 Ti。
7. 根据权利要求1所述的可视化原位分析方法，其中，硬X射线微聚焦荧光显微成像技 术分析区域大于并覆盖同步辐射傅里叶变换红外显微成像技术分析区域，每个检测点保留 时间在0.5-10秒。
8. 根据权利要求1所述的可视化原位分析方法，其中，步骤4)中是利用Image-Pro Plus数据处理软件对谱图进行叠加分析。
【文档编号】G01N21/84GK104122260SQ201410367582
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】罗磊, 吕继涛, 温蓓, 张淑贞 申请人:中国科学院生态环境研究中心