总有机碳TOC对比紫外吸收UV—体积排阻色谱SEC

体积排阻色谱法（SEC，Size Exclusion Chromatography）是将样品分子按照尺寸大小来分开的分析方法。流动相以填充有多孔珠状材料的色谱柱来承载样品分子，样品分子可以在孔和空隙（即填充物周围的空间）之间自由移动1。小分子在孔空间中停留的时间较长，大分子在孔空间中停留的时间较短，因此能够按照分子的大小将其分开。SEC系统可以方便地同其它监测方法（如TOC、吸光度、荧光检测等）搭配使用，结果数据显示分子量（MW，Molecular Weight）与强度（即TOC浓度、吸光度、荧光特征）的详细比较色谱图。结果数据可以用来表征有机物（OM，Organic Matter），并帮助我们深度了解水处理工艺。近年来，SEC分析法采用TOC作为检测方法。SEC和TOC搭配使用，能够检测出给定样品中的所有有机物。就像批量水分析一样，将SEC-TOC数据同SEC-吸光度数据一起使用，就能得出有机物性质的信息（即有机物中的脂肪族与芳香族的比例）。总有机碳 TOC对比紫外吸收—体 积排阻色谱 简介 体积排阻色谱法 （ SEC ， Size Exclusion Chromatography）是将样品分子按照尺寸大小来分 开的分析方法。流动相以填充有多孔珠状材料的色谱 柱来承载样品分子，样品分子可以在孔和空隙（即填 充物周围的空间）之间自由移动1。小分子在孔空间 中停留的时间较长，大分子在孔空间中停留的时间较 短，因此能够按照分子的大小将其分开 1。 SEC系统可以方便地同其它监测方法（如 TOC、吸 光度、荧光检测等）搭配使用 2-4，结果数据显示分子 量（MW，Molecular Weight）与强度（即 TOC浓度、吸光度、荧光特征）的详细比较色谱图。结果数据可 以用来表征有机物（OM，Organic Matter），并帮助 我们深度了解水处理工艺 2-4。 有机物和分子尺寸 在批量水处理工艺中，需要测量 TOC和吸光度来满 足法规要求，但这些技术只能将有机物的复杂性简化 成为单一数据点，来代表批量水系统的成分5。然而 水中的有机物由许多复杂分子的组成，分子大小和分 子量都差别很大，从小于 500道尔顿到大于 2万道尔 顿 2-5。人们按照分子量来分类有机分子，例如最大分 子量的分子为生物分子（分子量大于2万道尔顿）2，中等分子量的分子为腐殖物分子（分子量为 500-3000道尔顿）6。有机分子的大小决定了其某些性质，例如能否反应产生消毒副产物，以及是否易于在水处 理过程（即膜过滤、凝聚）中被去除 2-4。 SEC搭配 TOC和吸光度检测 在过去的几十年，有机物的SEC分析法越来越流行。如今SEC分析法已广泛用于研究和工业领域。早期的 SEC分析法用紫外吸光度作为主要检测方法 2-4。但吸 光度仅适用于发色分子，而大量的非发色有机物无法 被吸光度检测到，从而导致人们对水质的误判 3,4。 近年来，SEC分析法采用 TOC作为检测方法。 SEC 和 TOC搭配使用，能够检测出给定样品中的所有有 机物 3,4。就像批量水分析一样，将 SEC-TOC数据同 SEC-吸光度数据一起使用，就能得出有机物性质的 信息（即有机物中的脂肪族与芳香族的比例）2-4。 SEC-TOC-吸光度的工业用途 有机物的SEC分析提供了有关有机物表征和水处理工 艺效果的详细数据。不同的水处理过程会对不同分子 量和类型的有机分子产生不同的处理效果 3,4，因此上 述数据极具实用价值。例如膜过滤只能去除大于特定 分子量的有机分子，凝聚能从腐殖质中去除芳香族分 子（即发色分子），臭氧氧化能将较大的芳香族分子 分解为较小的脂肪族分子。 与批量水分析相比，在监测水处理过程中的有机物变 化方面，SEC分析具有明显优势。有机物表征能够帮 助我们预测和确认处理工艺对水中的特定有机物的处 理效果，以及哪种处理工艺最有效果3,4。后面的“性 能数据”部分中的示例显示了用 SEC分析来表征有机 物并跟踪水处理过程中有机物含量变化的能力。 解决方案 Sievers* M9 TOC分析仪有在线运行模式，可以作为 检测器同 HPLC-SEC系统搭配使用。 优点  样品制备和仪器操作便捷  SEC-TOC系统可以与其它类型的检测器（如吸 光度、荧光特征等）搭配使用，一次运行即可获 得多组数据  结果数据显示分子量与 TOC的详细色谱 表 1：比较 SEC-TOC分析与批量水-TOC分析 SEC-TOC分析与批量水-TOC分析 SEC 批量水 可用于了解和优化水处理工艺 是 是 可按分子量进行样品分类 是 否 可将单个系统同多台检测器搭 配使用 是 否 必须符合法规要求 否 是 性能数据 下面是用HPLC-SEC来表征有机样品和水处理工艺效 果的示例。用 HPLC-SEC系统搭配吸光度（Agilent 1260 Infinity II多波长检测器）和 TOC（Sievers M9TOC分析仪）来分析样品。本文着重讨论结果数据所 显示的几个要点。 水处理工艺的效果 以下是来自水处理厂的示例数据。在示例中，水经过 凝聚，然后经过膜过滤。表 2中显示了同一样品的批 量水分析数据。图 1a和 b显示了 SEC分析的色谱数 据。 表 2：水处理工艺效果，批量水 TOC和紫外吸光度数据 批量水分析 样品名称 DOC*(ppm) 紫外吸光度 (cm-1) 处理前 7.41 0.0951 凝聚后 5.87 0.0697 膜过滤后 5.21 0.0723 *DOC —Dissolved Organic Carbon，溶解有机碳 图 1a：水处理工艺效果的 SEC-TOC色谱图 图 1b：水处理工艺效果的 SEC-UV色谱图 表 3：臭氧处理批量水 TOC和紫外吸光度数据 批量水分析 样品名称 DOC(ppm) 紫外吸光度(cm-1) 剂量 0 5.00 0.0982 剂量 1 5.00 0.0270 剂量 2 5.00 0.0109 图 2a：臭氧处理的 SEC-TOC色谱图 图 2b：用臭氧处理的 SEC-TOC色谱 讨论  SEC-TOC和SEC-紫外色谱图看上去不同，这是 因为 SEC-TOC检测所有有机分子中的总碳浓度，而 SEC-UV只检测吸收光的有机分子（即发色有 机物，只占总有机物中的一部分）。  SEC色谱图将一维的批量水数据点扩展为分子量 与 TOC或紫外吸光强度的详细显示。我们无法 从批量水分析中得到其它具体结论。  两个主要的分子量峰值部分（见图 1a中的“峰 值 1”和“峰值 2”）代表有机物。  峰值 1位置的有机物吸光度较弱，基本上属于脂 肪族。峰值 2位置的有机物吸光度较强，基本上 属于芳香族。  凝聚去除峰值 1和峰值 2的有机物。  凝聚只去除峰值 2的发色有机物（即芳香族分 子）。  膜过滤只去除峰值 1的有机物，由此可知峰 2的 有机分子小于本研究中所采用的膜过滤分子量截 止值。 臭氧处理的效果 本文还显示了用臭氧在 2个剂量下（从“剂量 1”增 加到“剂量 2”）处理有机物的示例。我们用前面示 例中所描述的 SEC系统进行分析。表 3、图 2a和 2b 列出了结果数据。 讨论  臭氧处理可以分解高分子量的有机物，产生低分 子量的有机物。  随着臭氧用量的增加，产生的处理效果增强。  新产生的分子位于约 1000道尔顿的独特峰值处。  臭氧处理破坏发色分子（即芳香族分子）。  不产生新的发色分子（即芳香族分子）。  新产生的低分子量分子（峰值在约 1000道尔顿 处）是脂肪族分子（不吸收紫外线）。 结论 SEC-TOC分析对分析有机物非常有用，能够大大扩 展从批量水分析中得到的数据。分析结果提供了分子 量与 TOC的详细比较色谱。此分析系统可以方便地 与其它类型的检测器（如紫外吸光度检测器）搭配使 用，结果数据可用于表征有机物，帮助我们深入了解 水处理过程，优化水处理工艺。Sievers M9 TOC分 析仪可以以在线模式来进行SEC检测，实现更好的水 处理工艺的表征和控制。 参考文献 1. Striegel, A. M., Yau, W. W., Kirkland, J. J.,& Bly, D. D.(2009). Modern size-exclusionliquid chromatography: Practice ofgel permeationandgelfiltrationchromatography.Hoboken,NJ:Wiley. 2. Her, N., Amy, G., McKnight, D., Sohn, J.,& Yoon, Y.(2003). Characterization of DOM as a function of MW by fluorescence EEMandHPLC-SECusingUVA,DOC,andfluorescence detection. Water Research, 37(17), 4295-4303. doi:10.1016/s0043-1354(03)00317-8 3. Her, N., Amy, G., Foss, D., Cho, J., Yoon, Y.,& Kosenka, P.(2002). Optimization of Method for Detecting and Characterizing NOM by HPLC−Size Exclusion Chromatography with UV and On-Line DOC Detection. Environmental Science& Technology, 36(5),1069-1076. doi:10.1021/es015505j 4. Allpike, B. P., Heitz, A., Joll, C. A., Kagi, R. I., Abbt-Braun, G., Frimmel, F. H., . . . Amy, G. (2005). Size Exclusion ChromatographyToCharacterizeDOCRemovalinDrinking Water Treatment. Environmental Science& Technology, 39(7),2334-2342. doi:10.1021/es0496468 5. Chin, Y., Aiken, G.,& O'loughlin, E.(1994). Molecular Weight, Polydispersity, and Spectroscopic Properties of Aquatic Humic Substances. Environmental Science& Technology, 28(11), 1853-1858. doi:10.1021/es00060a015 6. Perdue, E.M., Ritchie, J. D.,(2003). Dissolved Organic Matter in Freshwaters.InH.D.Holland,K.K.Turekian,Treatiseof Geochemistry(pp. 273-318). Elsevier Science. 7. Leenheer, J.A. (2009). Systematic Approaches to Comprehensive Analysis of Natural Organic Matter, Annals of Environmental Science, 3, 1-130