针叶凋落物挥发性有机化合物的顶空-固相微萃取技术分析外文翻译资料

 2023-09-07 11:09

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针叶凋落物挥发性有机化合物的顶空-固相微萃取技术分析

V.A. Isidorov*, V.T. Vinogorova, K. Rafalowski

Chemical Institute of Bia!ystok University, ul. Hurtowa 1, Bia!ystok 15-399, Poland

Received 12 February 2003; received in revised form 23 July 2003; accepted 25 July 2003

摘要 采用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）研究了苏格兰松（Pinus sylvstris）和云杉（Picea exelsa）凋落物挥发分的组成。并采用固相微萃取（SPME）技术对样品进行了气相色谱-质谱连用技术（GC-MS）的分析提取。经鉴定的化合物包括六十多种不同类别的有机的物质。结果表明，松针和云杉的挥发分中不仅含有松针和云杉针的挥发油成分，而且还含有大量的有机化合物，这些有机化合物可能是凋落物分解垃圾真菌的次生的代谢产物。它们包括低羰基化合物和醇以及萜烯经过脱水和氧化的产物。这些数据表明，凋落物分解过程是针叶林林冠层下活性有机物的重要来源。

关键词 挥发性有机化合物 针叶林 松树和云杉 气相色谱-质谱联用技术 顶空-固相微萃取技术

1.介绍

在过去的十年中确定，大陆的活植被是大气中各种反应性挥发性有机化合物（VOCs）的主要来源（Isidorov，1990年；Fehsenfeld等人，1992年；Guenther等人，1995年）。对植物原料分解过程中释放的非甲烷挥发性有机化合物的研究进行的比较少。然而，估计凋落物的生物量大约为（0.5-8）克。即使是只因为这个原因，它也应该被看作为大气中潜在的重要挥发性有机化合物的来源。

对这一来源的关注首先来自齐默尔曼(Zimmer-Man)等人（1978年）。尽管如此，直到最近几次，也只发表了对垃圾挥发性有机化合物组成的单一调查。在Lindinger等人（1998年）和Warneke等人（1999年）的论文中，重点关注腐烂的植物材料分解产生部分氧化挥发性有机化合物的非生物性生成所引起的作用。根据作者的估算（Warneke等人，1999年），该来源可向大气排放6-8Tg丙酮和18-40Tg甲醇。研究表明，凋落物垃圾中挥发性有机化合物的最高排放量是在春末秋初观察到的。

最近，在五种木材的凋落物挥发性排放中检测到七十多种不同类别的有机化合物（Isidorov和JDanova，2002年）。研究表明，在垃圾的排放物中发现的大多数的化合物都是微生物分解其生命活动垃圾的重要活性产物。以上的两个过程都有可能发生在环境当中：非生物源的非酶热化学反应和死亡植物材料的微生物分解过程。根据Warneke等人（1999年）的研究表明，更多的研究应该致力于识别和量化这些挥发性有机化合物的来源。

为了解决这个问题，制定一个有效程序来确定挥发成分的组成是很有必要的。其中一个目前最有前景的方法应该是有关气相色谱分析与顶空-固相微萃取相结合的应用。Pawleszyn（1997年）提出了顶空-固相微萃取SPME的理论基础和各种应用，并发表在了许多出版物中。

在这篇简短的讯息中，我们报告了定性顶空-固相微萃取（HS-SPME）调查的结果，即挥发性有机化合物的排放进入气相的主要森林形成针叶林树种:苏格兰松和欧洲云杉的凋落物。本文所描述出来的方法既简单又快速，可以用于研究各种环境条件下其他植物凋落物所释放出来的挥发性有机化合物的研究。

2.实验

2002年11月初，在Bia“Ystok（Poland）”附近六十至八十年的针叶落叶混交林中收集到了掉落的棕色落叶针叶和云杉针叶。这使我们能够考虑把收集起来的针叶看成当年秋季的针叶凋落物。

在实验室里，这些针被仔细地混合在一起并分成三部分。其中一部分用于测定针的湿度。为此，大约10g的针被放在105℃的环境中干燥至恒重。测定结果表明，松木凋落物的含水率为8.0plusmn;0.2%以及云杉凋落物的含水率为13.3plusmn;0.2%。

收集的第二部分用于测定可提取的化合物的含量。将针进料（10-11g）置于带密封塞子的容器中，向其倒入50ml的正戊烷，并在周期性搅拌下将混合物保持二十四小时。新鲜溶剂部分萃取重复三次。采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）法，将混合提取液集中于转子蒸发器上，提取液浓度为5ml。在此之后，在真空下在转子蒸发器上去除溶剂，并测定从凋落物中提取的有机化合物的质量。

第三部分利用针状物研究了其进入气相后挥发性有机化合物的组成。自然地，将湿润的样品（20-25g）放入锥形250ml玻璃容器中。用一层弹性聚四氟乙烯薄膜紧紧地密封在容器的颈部。在16plusmn;1℃储存两小时后，通过固相微萃取技术中SPME支架57330-U（美国Supelco Inc.，Bellefonte，PA，USA）固定相：聚二甲基硅氧烷（PDMS,100mm）、稳定的弹性二乙烯基苯/羧基苯/聚二甲基硅氧烷（DVB/CAR/PDMS,50/30mm）或羧基苯/聚二甲基硅氧烷（CAR/PDMS,75mm）上的一层熔融石英纤维的针头取出选择隔离膜，总暴露时间为两小时，但每二十分钟对装有样品的容器进行轻微摇晃以混合气相。在这个操作过程中，用过的熔融石英纤维被拉入支架的针内，以避免其断裂。暴露后，将熔融的二氧化硅纤维放入密封的25ml容器中30s，容器中含有0.5毫升的正十六烷中的C5-C15正构烷烃。这个额外的操作使得计算色谱图上记录的有机化合物的色谱保留指数（RI）成为可能。

将固相微萃取技术中SPME纤维插入惠普HP-4890D气相色谱仪火焰电离检测器的喷射器中，用火焰离子化检测器对吸附后的组分进行解吸。喷射器温度根据所用纤维的性质设置：聚二甲基硅氧烷为260℃，二乙烯基苯/羧基苯/聚二甲基硅氧烷为280℃，羧基苯/聚二甲基硅氧烷为280℃。在注射过程中，纤维被保持在无分流模式下使用的喷油器中持续十分钟。

在毛细管惠普HP-5熔融石英柱（30m, 0.25mm）上分离组分。初始恒温器温度是25℃（5min），然后以每分钟3℃的速度增加到150℃。通过比较测量值和文献（Adams，1995年）确定了色谱保留指数的组成成分。通过对珀金埃尔默涡轮质量仪的气相色谱-质谱联用技术分析结果，验证了这种方法的正确性。在上述的条件下分离出来的组分的鉴定是借助于美国国家标准技术研究所质谱库威利 7号进行的。

3.结果和讨论

顶空-固相微萃取技术(HS-SPME)的有机成分浓缩效率取决于纤维涂层的性能，也取决于实验的条件（Pawleszyn，1997年）。图1显示了集中在两种纤维类型上的松针凋落物的挥发性有机化合物的色谱图。通过它们的对比表明，不同类型的化合物在不同程度上被它们捕获。在非极性聚二甲基硅氧烷PDMS固定相的情况下，色谱图上显示单萜和倍半萜的富集峰，但是挥发性成分的富集峰几乎不存在。通过添加碳吸附剂羧基苯/聚二甲基硅氧烷（CAR/PDMS）使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）可以更加有效地捕获挥发性化合物。在这些初步实验的基础上，采用羧基苯/聚二甲基硅氧烷（CAR/PDMS）涂层对针叶凋落物中挥发性有机化合物进行了进一步的研究。

图1 两种纤维类型松针凋落物中挥发性有机化合物的顶空-固相微萃取技术色谱分析图

鉴定组分：1--乙醇，2--丙酮，3--3-甲基-l-丁醇，4--甲苯，5--a-蒎烯，6--萜类C10H16O，7--3-蒈烯，8--柠檬烯，9-b（E）-石竹烯，10--g-杜松萜烯，11--d-杜松萜烯。

植物凋落物的分解是许多研究的研究课题。斯威夫特等人（1979年）在一本书中总结了早期研究的成果。在这些研究结果中，凋落物被认为是营养物质的有机化学载体和土壤腐殖质的前体。研究表明，在自然条件下，凋落物的降解速率主要由微生物的活性决定。微生物的生物量反过来又取决于外部条件（温度和湿度）和基质的化学成分。在其他条件相同的情况下，大多数落叶树的凋落物比针叶树的凋落物分解得更快。例如，在英国的气候条件下，松针的针叶在大约七年内完全分解，而落叶凋落物则在一至两年内分解完全（Kendrick和Burges，1962年）。

凋落物的重量损失主要通过两条途径进行：一方面是微生物活动释放的二氧化碳和水溶性物质的浸出（Berg和S.Orderstr 。OM，1979年；Berg等人，1982年；摩尔Moore，1984年；Berg和Ekbohm，1991年；Kainulai Nen和Holopainen，2002年）。另一方面，很久以前就发现，生长在各种营养的人工培养基上的好氧微生物和厌氧微生物向气相中释放大量挥发性有机化合物（Babich和Stotzky，1974年；Wilkins，1996年；Wagner等人，2000年）。因此，可以预期，森林凋落物的微生物衰变也伴随着挥发性有机化合物向大气中排放的过程。

表1中给出了挥发性成分的定性和半定量（仅仅采用内部归一化的方法进行定量）成分，我们在新鲜收集到的松木和云杉凋落物的排放量中，以及在常规照明条件下，在有氧条件下储存针叶四周后测定了挥发性的排放量。在这段时间里，实验室的气温保持在16plusmn;2摄氏的温度（到第二周结束时，针叶表面出现菌丝沉积）。检测到的组分总清单中含有六十多种不同类别的有机化合物。最众多的基团由萜烯化合物组成：C10H16单萜类和C15H24倍半萜类及其一些含氧的衍生物。对于不同组分的化合物，火焰离子化检测器的响应是不同的。然而，对于表1中所列出的大多数化合物（萜烯烃）来说，情况几乎是相同的。对于含氧化合物，氢火焰离子化检测器的灵敏度较低。这意味着乙醛、丙酮和乙醇等重要组成成分的实际含量应稍高一点（我们的数据在一定程度上低估了它们进入气相的排放量）。

值得注意的是，超过60%以上的挥发性有机化合物由相对轻微的挥发性倍半萜碳氢化合物组成，其中主要是b（E）-石竹烯、g-和d-杜松萜烯。伯格等人（1982年）已经报道，这些倍半萜类化合物是苏格兰松针中经过一年的野外发酵后，由轻质石油提取出的烃类馏分的主要成分。

除了构成松树和云杉挥发油中含有的一部分的萜类成分外，在两种植物新鲜采集的落针挥发性排放物中也检测到一些羰基化合物和醇（乙醛、丙酮、甲醇、乙醇等）。实验第四周结束时，含针容器气相相对含量显著增加。这可能是由于观察到真菌菌丝体的生物量的增加所致。这些含氧化合物最可能的前体是碳水化合物，碳水化合物是所有植物叶片的主要水溶性成分。

另一个特点是甲苯、异丙基甲苯、马鞭草烯、对异丙基甲苯、对异丙基甲苯-8-醇、对甲氧基苯甲醛、芳樟醇及其乙酸盐等化合物在气相中出现或在发酵过程中含量增加。其中大部分没有在松针和云杉针的精油中检测到，或作为次要成分存在（对-异丙基甲苯、芳樟醇和乙酸芳樟醇）。很明显，它们是微生物代谢的次生产物，其中一个方向是初始萜类化合物的脱水和氧化。

我们对正戊烷总含量的测定和对正戊烷提取物质的气相色谱鉴定结果表明，今年的松木、云杉针叶凋落物中含有相当多的挥发性化合物。重量分析表明，松木和云杉针每鲜重提取组分含量分别为0.9870.04%和0.6770.03%。除此之外，50%的松针提取物和48%的云杉针提取物是一种低挥发性的化合物：倍半萜类的氧衍生物、二萜类化合物和角质蜡脂类化合物的氧衍生物挥发性化合物的组成成

松木和云杉针叶凋落物排放的挥发性有机化合物组成(rel. %)

分差别很大。松针的提取物中含有C10H16单萜类、单萜类和C15H24倍半萜类，分别为13.8%、1.85和34.4%。云杉针叶提取物中，单萜类含量大约为三倍大（32.6%），倍半萜类含量大约为三倍小（11.3%）。在这两种情况下，许多倍半萜中的主要成分都是（E）-石竹烯以及g-和d-杜松萜烯。单萜类化合物在云杉针叶提取物的相对挥发性有机化合物中占相当大的比例（14.2%）。其主要成分是樟脑、冰片和同分异构萜醇。

上述结果表明，针叶林空气中各种挥发性有机化合物的来源不仅仅是生物植被，而且还有可能是针叶林凋落物。当它们分解时，除了精油成分之外，许多其他化合物也被排放到大气当中。它们显然是微生物生命活动的活性产物，在对松针和云杉针进行的实验中，这些次生化合物的成分差异可以表明，每个物种的腐烂过程都是不相同的。

4.结论

在初步的调查过程中获得的材料（仅是一组实验）表明，松树和云杉等重要森林形成物种的针叶林凋落物中含有大量的挥发性有机化合物。在针叶凋落物的分解过程当中，这些化合物被排放到大气中。此外，在挥发性凋落物排放的组成中还检测了到高挥发性含氧化合物（乙醛、丙酮和乙醇）。它们可能是破坏垃圾的真菌活动的次级产物。

本文报告的数据以及之前所获得的数据（Isidorov和JDanova，2002年）表明，凋落物所释放的挥发性有机化合物的定性成分是物种特有的特异性。到目前为止，对极少数种类的森林树木进行了调查。我们认为，确定从这个源头排放到大气中的挥发性有机化合物的组成是非常重要的。

为了尽快地解决这个问题，需要有专门的特殊方法。上述采用顶空-固相微萃取技术法和气相色谱-质谱联用技术分析相结合的方法，在液氮温度下的进行热解吸和低温聚焦，比在吸附管中测定挥发性有机化合物组分的浓度要简单和短得多。（Isidorov等人，1985年；Isidorov和JDanova，2002年）。

确认

这项工作得到波兰科学调查委员会(KBN)第6号赠款PO4G 071 21的支持。

固相微萃取技术的相关介绍：

固相微萃取(solid-phase microextraction,SPME)技术(是20世纪90年代兴起的一项新颖的样品前处理与富集技

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