基于酸化-吹扫萃取与空心波导TDLAS技术的微升级海水DIC测量方法

《Talanta》：Microliter-scale seawater DIC measurement method using acidification–purge extraction coupled with hollow-core-waveguide-based TDLAS

　　摘要：溶解无机碳是描述海水碳酸盐体系、沉积物孔隙水生物地球化学以及近海碳循环的关键参数。然而，传统的DIC分析方法通常需要毫升级到数十毫升级的样品，无法用于体积有限的样品的高分辨率分析。在此，我们开发了一种微升级DIC测量方法，将酸化-吹扫CO2提取技术与基于空心芯波导的激光吸收光谱技术相结合。该系统包含一个密封的1.0毫升微型反应室、低死体积的气体传输路径以及约50微升的空心芯波导光学气体池，利用3728.41厘米^-1附近的中红外CO2吸收线，能够可靠地量化少至20微升样品中的DIC含量。我们建立了基于Voigt光谱拟合、气相CO2校准、瞬态释放曲线的BiHill拟合、液相DIC校准以及注入量校正的定量策略。在优化的酸用量、载气流量、鼓泡模式和温度条件下，气体检测单元在1秒的平均时间内，通过Allan偏差分析得出高斯拟合1σ精度为0.175 ppmv，3σ操作检测限为0.803 ppmv。该方法最小注入量为20微升即可实现可靠的DIC量化，在推荐的50微升注入量下，相对标准偏差为0.446%。通过对TOC-L分析仪的验证，以及在实际中对渤海湾表层海水和鳌山湾潮间带孔隙水样品的应用，表明该方法具有较低的样品消耗量、适合现场使用，并且适用于海洋体积有限样品的高分辨率DIC分析。

引言：溶解无机碳是描述海洋碳循环的重要参数[1]、[2]、[3]、[4]。DIC浓度的变化反映了碳酸盐体系的平衡状态、海气间的CO2交换、海洋酸化以及沉积物-水界面处的生物地球化学反应[1]、[5]、[6]、[7]、[8]。DIC的产生、转化和迁移受多种过程调控，包括有机物矿化、微生物呼吸、碳酸盐的溶解与沉淀、孔隙水交换以及陆地输入等[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。因此，准确的DIC测量对于解析这些高度动态环境中的碳循环过程至关重要[3]、[4]、[12]、[13]。随着研究范围从开放海域扩展到沉积物孔隙水、微环境培养基以及其他珍贵的、体积有限的水样，DIC分析越来越需要更低的样品消耗量[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。因此，基于毫升级到数十毫升级样品的传统DIC分析方法并不适合用于体积有限样品的高分辨率分析[12]、[13]、[16]、[17]。所以，开发一种低消耗、高灵敏度且适合现场使用的微升级水样DIC分析方法，已成为环境碳循环研究中的重要技术需求。

现有的DIC分析方法已从传统的高精度实验室分析技术逐步发展为可在船上使用的、可自主操作的、低样品消耗量的分析系统[4]、[12]、[13]、[18]。经典的库仑滴定法和标准化的海洋CO2测量方法虽然精度高且具备良好的可追溯性，但它们通常是针对数十毫升级的海水样品设计的，操作相对复杂[4]、[18]、[19]、[20]。商业化的总有机碳分析仪或非分散红外吸收光谱仪、基于腔衰荡光谱的技术以及GasBench-IRMS或GC-IRMS方法则将样品需求降低到毫升级或亚毫升到毫升级别，使得常规的DIC、δ13C-DIC测量以及高频船上测量成为可能[12]、[13]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。然而，这些方法仍依赖于酸化处理、膜分离技术，或是体积较大的气体处理和检测模块，这使得它们难以直接应用于数十微升级的样品。微流控和芯片实验室技术虽然可以将样品和试剂的消耗进一步降低到亚毫升级别，但其应用仍受到气液传输效率、膜稳定性、流动控制复杂性以及检测灵敏度等方面的限制[12]、[29]、[30]、[31]。因此，尽管DIC分析方法的样品体积要求已大幅降低，但目前仍缺乏一种能够在微升级样品中保持高灵敏度、快速响应且适合现场使用的可靠DIC量化方法。

微体积DIC测量具有挑战性，因为酸化处理后产生的CO2总量极低，且表现为瞬态信号而非稳态信号。对微升级样品进行酸化处理时，会产生一个CO2释放脉冲，其特征是快速上升、逐渐衰减以及明显的尾迹。微体积DIC的量化受到酸化动力学、气液质量传递、载气吹扫、气体在光学细胞内的停留时间以及气体交换等多种因素的共同影响。例如，气体路径或光学细胞中的死体积可能会稀释释放出的CO2，使瞬态峰变宽，增加记忆效应，并延迟基线恢复。此外，实际孔隙水样品的可用体积往往存在变化[14]、[16]、[17]。注入量的差异会直接影响释放出的CO2的绝对量，如果不进行适当校正，就可能会被误认为是DIC浓度的差异。因此，可靠的微体积DIC分析需要实现完整的DIC到CO2的转换、快速的气体提取、低死体积的气体传输、微型光学细胞中的高灵敏度检测，以及有效的注入量校正。可调谐二极管激光吸收光谱技术非常适合用于痕量气体检测，因为它具有窄的激光线宽、高选择性和快速响应特性[32]、[33]、[34]、[35]。通过酸化处理将水中的DIC转化为气态CO2，再与TDLAS技术结合，就可以将液相DIC分析转化为气相CO2的量化分析。不过，传统的TDLAS系统通常采用自由空间多程光路结构，虽然光路长度较长，但其物理体积通常在数十毫升甚至更大[33]、[35]、[36]。而空心芯波导则提供了一种有前景的替代方案，它可以将目标气体限制在微升级的小通道内，同时提供厘米级到米级的光路长度。这种结构减少了所需的气体体积，缩短了气体交换时间，从而有助于在较小的检测体积和足够的吸收光路长度之间取得平衡。

在本研究中，我们开发了一种微升级DIC测量方法，将该方法与酸化-吹扫提取技术以及空心芯波导波长调制TDLAS检测技术相结合。该方法旨在解决微升级DIC分析从样品转换到信号量化过程中的关键瓶颈问题。首先，通过整合一个密封的1.0毫升微型反应室、低死体积的气体传输路径以及约50微升的空心芯波导光学气体池，建立了一种微升级DIC量化方法，能够敏感地检测少至20微升的液体样品。其次，通过结合Voigt光谱拟合、瞬态CO2释放曲线的BiHill拟合以及注入量校正，建立了DIC量化策略。第三，该方法在推荐的50微升注入量下，重复性达到了0.446%，并且已应用于渤海湾表层海水和鳌山湾潮间带孔隙水样品的分析。表1总结了包括所提出方法在内的各种典型DIC测量方法的适用性。

章节摘录：

DIC向CO2转换的酸化-吹扫原理：天然水中的DIC物种分布受pH值、温度、盐度和碱度等因素的影响。虽然直接量化各个碳酸盐物种在分析上较为复杂，但在强酸性条件下，HCO3?和CO32?可以迅速转化为CO2[12]、[13]。在本研究中，通过添加过量的磷酸，将DIC转化为单一的气态分析物CO2，具体过程如下：酸化过程中产生的CO2会持续从液相转移到气相。

校准与DIC量化：为了量化微体积样品中的DIC，我们建立了两步校准策略，第一步是对光学响应与气相CO2浓度进行气相校准，第二步是对CO2浓度曲线积分面积与DIC浓度进行液相校准。气相校准的目的是建立WMS-2f光谱响应与CO2浓度之间的关系，典型的CO2 WMS-2f光谱处理流程如图3所示。

结论：我们通过将酸化-吹扫提取技术与HWG-WMS-TDLAS检测技术相结合，开发出了一种微升级DIC测量方法。该系统通过整合密封的1.0毫升微型反应室、低死体积的气体传输路径以及约50微升的空心芯波导光学气体池，将水中的DIC转化为瞬态CO2脉冲，从而能够在极低的样品消耗量下实现高灵敏度的光谱检测。这一设计使得传统的大体积DIC分析转变为以微小样品为驱动的分析方式。

作者贡献声明：
张志豪：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、研究实施、概念构思。
宁鹏举：撰写——审阅与编辑、研究实施、正式分析、数据整理。
王克辰：验证、方法论、研究实施、数据整理。
朱建锋：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、正式分析。
张子祥：研究实施、数据整理。
司刚尚：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。
郭金佳：监督、数据提供。数据将应要求提供。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了国家自然科学基金[项目编号：42506178]、中国博士后科学基金会[项目编号：2025M780834]、国家重点研发计划[项目编号：2025YFF0523300]以及安徽省高校重点科研项目[项目编号：2024AH051168]的支持。作者衷心感谢余欣教授为样本分析提供的TOC-L分析仪使用机会以及技术帮助。作者还包括：张志豪、宁鹏举、王克辰、朱建锋、张子祥、司刚尚、郭金佳，均来自中国青岛266100的中国海洋大学物理与光电工程学院。