第42卷2014年8月
分析化学（FENXI HUAXUE ）研究报告第8期1094～1098
DOI ：10．11895/j．issn．0253-3820．140289
Chinese Journal of Analytical Chemistry
植物体氯的分离及其同位素分析
徐庆彩
1
2
*1
刘丽华
1
张艳灵
2
（山东省水土保持与环境保育重点实验室，临沂大学化学化工学院，临沂276005）
（中国科学院盐湖研究所盐湖地质与环境实验室，西宁810008）
摘要采用干灰化法与离子交换树脂色谱法联用，建立了植物中氯的分离方法，消除了有机质对氯同位素
测定的影响，能够满足氯同位素正热电离质谱法测定的需求，没有造成氯的损失和氯同位素的分馏。结果表
37
明，青藏高原和山东两个地区的5种植物组织器官的δCl 变化范围为! 1．79‰～4．77‰（平均值为1．20‰），3737山东地区的两种植物器官的δCl 小于或接近于0‰，而青藏高原地区的两种植物的δCl＞0‰，这说明山东地353737区的两种植物器官中相对富集Cl ，Cl 相对贫乏，而青藏高原地区的植物则相对富集Cl ，两个地区的植物具
可能是由于植物的生长环境或植物吸收利用氯的迁移、生物生理效应差别引起有明显的Cl 同位素分馏差异，
的，为进一步利用氯同位素技术研究植物吸收利用氯的生物行为提供参考。关键词
氯同位素；热电离质谱；植物；组织器官
1引言
氯是植物生长必需的一种微量营养元素，氯在维持植物细胞的膨压及电荷平衡方面起着重要作用。氯参与植物光合作用中水的光解反应，促进光合磷酸化作用和三磷酸腺苷（ATP ）的合成；氯能维持细胞液的缓冲性及液泡的渗透调节，激活质子泵ATP 酶；通过气孔开闭，氯能间接影响植物的光合作用和生长。
［1～4］
。氯与其它微量的阳离子结合，可保持植物体电荷平衡，同时还能促进碳水化合物的合成
在植物吸收利用氯的过程中，由于氯的迁移、转化和生物生理作用，可能产生与其生长环境相关的
3537
同位素（Cl 和Cl ）组成变化。随着植物组织器官的凋落，引起植物区域生长环境中氯同位素平衡和氯循环的改变。因此，研究陆生植物和海洋植物对氯的吸收利用，对重新认识全球氯同位素平衡变化和氯循环改变具有重要意义。
氯的分离是影响氯同位素地球化学应用研究的关键。有两种常用的氯分离方法能够满足其同位素质谱分析需求。其一是Xiao 等
+［5］
建立的基于Cs 2Cl 离子正热电离质谱法，采用离子交换色谱法进行氯
2+
+
+
Ba 型和Cs 型强阳离子交换树脂后，分离，将样品溶液分别通过H 型、溶液中CsCl 用于同位素质谱分析
［6～8］
。其二为基于CH 3Cl +离子的气体质谱法分析氯同位素组成［9～11］所采用的方法，该方法首先采用
［12，13］
Ag +沉淀Cl ! ，然后AgCl 在暗处与CH 3I 反应，转化成CH 3Cl 后，用于氯同位素的质谱分析。第二种方法比尤其是无机态氯向有机态氯的转化过程，操作繁琐。结合这两种方法的特点，孙爱德等较耗时，
建立
++2+
了低氯含量样品中氯的分离方法，先用Ag 型树脂将氯富集，然后用氨水洗脱，再通过Ba 和Cs 型树2－
NO －脂，有效去除SO 4、实现了雨水和雪水等样品中Cl 同位素质谱分析。3对氯同位素测试的影响，
而对于植物样品而言，植物中存在的大量有机质是限制植物氯同位素应用研究的瓶颈问题，因为有
机质的存在能够抑制质谱测定过程中Cs 2Cl 离子流的发射，导致其强度在短时间内大幅衰减，同时引起。传统去除有机质的方法是采用HNO 3/H2O 2湿法消解，这种方法能够有效去除植物
但是容易引起氯损失，导致氯同位素分馏。中大量有机质，氯同位素分馏
12，13］本实验在文献［基础上，建立能够满足正热电离质谱法需求的氯的分离方法，能有效消除了
植物中大量有机质对氯同位素质谱测定的影响，并对植物中氯同位素的分馏及其应用前景进行了探讨。
2014-03-29收稿；2014-05-29接受
41172160）资助项目本文系国家自然科学基金（Nos．41340028，
*E-mail ：xu_qingcai@163．com
［8］
+
第8期徐庆彩等：植物体氯的分离及其同位素分析1095
2
2．1
实验部分
样品采集
本实验选取青藏高原地区的两种植物川西獐芽菜、花锚和山东地区的两种植物红王子锦带、紫松果菊为研究对象。川西獐芽菜为龙胆科獐芽菜属两年生草本植物，可以全草入药，花果期为7～10月，主要生于海拔1900～3800m 的山坡、河谷、林下、灌丛、水边。花锚为龙胆科、花锚属一年生草本植物，主
［14］
花果期为7～9月。这两种植物分别采自青海省玉要生长于中性或偏碱性的壤土或灌丛草甸土中，
树和斑马县，采样时间为2012年8月。紫松果菊为菊科紫松果菊属多年生草本植物，花期为6～7月，
喜生于温暖向阳处，喜肥沃、深厚、富含有机质的土壤。红王子锦带为忍冬科锦带花属落叶灌木植物，花期为4～6月。这两种植物分别采自山东省临沂市平邑县和兰山区，采样时间为2012年6月。2．2仪器与试剂
ICS-90型离子色谱仪（美国戴安公司），包括电导检测器，配有阴离子抑制器，高容量阴离子交换25μL 定量环。色谱柱Dionex IonPac AS19（250mm ×4mm ），淋洗液：5～32mmol /LNaOH 溶液。柱，
检测器温度为30℃。淋洗液流速：1．0mL /min。
氯同位素比采用Triton 表面热电离质谱计（美国Thermo Fisher 公司）测定，该质谱计配有5个间距
++1373713737［5］
可调的法拉第杯系统，可实现m /z301（Cs 2Cl ）和303（Cs 2Cl ）离子流的同步接收和测定。
HNO 3，NaCl ，CsNO 3，AgNO 3和Ba （OH ）2均为优级纯试剂。Cl 标准溶液（1．0mg /L）购自国家标准物质研究中心。HNO 3经一次亚沸蒸馏提纯。光谱纯石墨与乙醇-水（8∶2，V/V）配制的悬浮液作为正热电离质谱发
++
Cs +百灵威科技有限公司），用于生成Ag 型、射剂。Dowex 50W ×8H 型强阳离子交换树脂（200～400目，
Ba 2+型阳离子树脂。Ag +型树脂采用AgNO 3溶液通过H +型离子交换树脂制备，Cs +型由CsNO 3制备，型、
－
Ba 2+型由Ba （OH ）2制备得到。氯同位素标准ISL 354NaCl ，配制用于5g /LCl 溶液。
实验用水均为蒸馏水并经过亚沸蒸馏和Ag 型树脂柱交换后的去离子水。2．3
植物样品处理
植物样品用去离子水洗净，在40℃下烘干后，将样品粉碎，过100目筛。准确称量0．3～0．5g 植
置于干燥的石英坩埚中，然后将样品和坩埚放置于马弗炉中，先升温至200℃，将植物样品进行物样品，
［15，16］
，碳化1h ，然后升温至550℃进行干灰化4h 然后在干燥器中冷却至室温。
+
Ba 2+型离子树脂和Cs +型离子树脂：（1）将0．1mol /LAgNO 3溶液通过H +型离制备Ag 型离子树脂、
++
用去离子水反复洗涤，直至无Ag 流出，制备Ag 离子树脂；（2）将0．1mol /LBa （OH ）2溶液子交换树脂后，
+2+2+
用去离子水反复洗涤，直至无Ba 离子流出，制备Ba 离子树脂；（3）通过H 型离子交换树脂后，
++
将0．1mol /LCsNO 3溶液通过H 型离子交换树脂后，用去离子水反复洗涤，制备Cs 离子树脂，待用。
+
将干灰化的植物样品用1mL 0．5mol /LHNO 3溶解后，将溶液加入Ag 离子树脂柱中，静置6h 。待
+
溶液完全完全流出后，用去离子水洗涤3次。向树脂柱中加入0．1mol /LNH 3·H 2O 溶液，直至将AgCl 沉淀完全洗脱，用去离子水洗涤3次后，收集所有的淋洗液。将淋洗液通过Ba 型树脂后，洗涤3次，将所有淋洗液收集至15mL 锥形Teflon 烧杯中，在80℃温度下气流烘干。分3次向其中加入50μL 去离
+－
子水，将其分别通过Cs 离子交换树脂，收集溶液后，在80℃温度下蒸发，直至溶液中Cl 含量达到2～4g /L，样品密封，在4℃下储存，用于Cl 同位素的质谱分析。2．4氯同位素测定
［5］
氯同位素组成的测定在中国科学院青海盐湖研究所盐湖地质与环境实验室进行。采用Xiao 等
+
建立的基于Cs 2Cl 离子的正热电离质谱法测定氯同位素组成。钽带（0．75cm ×0．076cm ×0．0025cm ）
2+
在3A 电流下真空去气1h 。涂样时，先将1μL 石墨悬浮液涂于钽带表面，在1．2A 电流下蒸至近干，再加入1μL 样品溶液，蒸发至近干，用于质谱测定。
［6，15］
采用标准平均海洋氯（SMOC ）ISL 354NaCl 作为氯同位素标准，相对于标准的样品氯同位素组37
成δCl （‰）可用式（1）表示：
1096分析化学
37
（37Cl /35Cl ）δCl （‰）=［
第42卷
sam
/（37Cl /35Cl ）
smoc
－1］×1000（1）
（37Cl /35Cl ）式中，
sam
，（37Cl /35Cl ）
smoc
为分别为样品和标准（ISL 354NaCl ）的氯同位素比值。对ISL 354
NaCl 测定37Cl /35Cl 平均值为0．31909±0．00006（2σ=0．02%，n =5）。
3
3．1
结果与讨论
分离过程氯的回收
植物样品干灰化过程氯的挥发或损失将造成氯同位素的分馏，因此要保证在干灰化过程中没有氯
损失。干灰化后样品用HNO 3溶解后，采用离子色谱法进行氯含量测定，用以检测回收率。一般认为，氯在植物体内以Cl ! 的形式存在
，因此以准确称量的基准试剂NaCl 作为参考试剂，采用称重法，比
NaCl 回收率变化为99．9%～较在干灰化过程前后其质量变化，估算Cl 的回收率。5次平行实验中，
孙爱德等
［12］
+－
认为，由于Ag 型树脂粒径非常小，其树脂床能够阻止AgCl 沉淀的渗漏，同时将NO 3
［17］
－［15］
100．2%，表明干灰化过程中不会引起Cl 损失。
－－－
Ba 2+型树脂能够去除SO 2完全去除，因为在氯同位素的质谱测定过程中，当［NO 3］/［Cl ］＞1．0、4，－+2－［8，19］13］
［SO 2/［Cl －］＞3．0时，NO －。孙爱德等［12，对低氯含4］3和SO 4将影响到质谱中Cs 2Cl 的发射强度
Ba 型Cs 型离子交换树脂色谱过程对氯的回收率能采用Ag 型、量雨水等样品中氯的研究结果表明，达到100%，没有造成氯的损失和氯同位素的分馏的产生。干灰化过程和整个分离过程的样品氯的回干灰化过程和全流程过程中氯的回收率变化范围为96．0%～105．9%，这说收率见表1。从表1可见，
明在干灰化过程和全流程未造成氯的损失，也不会造成氯同位素分馏。
表1分离过程中氯的回收率（n =3）
Table 1Ｒecoveriesof chlorine in drying ash and the total procedure of separation （n =3）
植物Plant
器官Organ 根Ｒoot茎Stem 叶Leaf 花Flower 茎Stem 叶Leaf 花Flower 根Ｒoot茎Stem 叶Leaf 花Flower 根Ｒoot茎Stem 叶Leaf 花Flower
取Cl 量Amount of Cl （μg ）0．580．330．210．830．770．230．530．170．100．030．020．070．070．020．10
干灰化过程Dry ashing process 加Cl 量回收Cl 量回收率Addition of Measured Cl ＲecoveriesCl （μg ）（μg ）（%）0．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．5
0．620．360．220．870．740．250．540．170．100．030．020．070．070．020．10
106．3110．3104．8105．396．7108．2102．698．599．4107．6105．9100．8102．6108．498．2
ＲSD
（%）6．55．86．17．06．05．44．97．56．44．25．86．84．74．97．4
全流程Total procedure
加Cl 量回收Cl 量回收率Added Measured ＲecoveriesCl （μg ）Cl （μg ）（%）0．50．5798．90．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．5
0．320．210．830．800．220．560．170．110．030．020．070．070．020．11
96．099．099．6103．497．7105．3101．1105．9102．3101．9100．899．698．7104．7
ＲSD
（%）5．66．22．75．53．83．13．45．33．94．54．55．36．05．54．3
+2++
红王子锦带Weigela florida
紫松果菊Echinacoa angustifofia
川西獐芽菜Swertia mussotii
花锚Halenia elliptica
3．2分离过程中的氯同位素分馏
［20］
引起氯同位素比值变化的因素可能是分离过程中空白的引入和分离过程中氯同位素的分馏。以基准试剂NaCl 溶液通过全流程，分别测定过程之前和之后氯同位素组成的变化，相对ISL 354NaCl 同位素
37
标准，其δCl 分别为+0．42‰和+0．41‰，说明在整个分离过程中未出现氯同位素的分馏。－
采用标准加入法和同位素稀释法测定全流程空白的Cl ，全流程中空白氯的量小于16ng ，空白氯的影响是可以忽略的。总之，干灰化能够完全去除植物中大量有机质对氯同位素质谱测定的影响，干灰化
和离子交换树脂色谱联用对氯的回收能达到95%以后，没有造成氯损失，不会引起氯同位素分馏。3．3植物样品中氯同位素组成测定
为了了解植物吸收利用氯后产生的氯同位素分馏变化，对2个地区4种植物的组织器官（根、茎、叶
第8期徐庆彩等：植物体氯的分离及其同位素分析1097
37
和花）中的氯同位素组成进行了测试。5种植物样品的氯同位素组成及δCl 值见表2。
表2植物器官中氯同位素组成
Table 2Chlorine isotopic composition in the tissues of plant samples
植物Plants
器官Organs 根Ｒoot茎Stem 叶Leaf 花Flower 茎Stem 叶Leaf 花Flower 根Ｒoot茎Stem 叶Leaf 花Flower 根Ｒoot茎Stem 叶Leaf 花Flower
取样量
Amount of sample
（g ）
0．41770．43290．47840．41630．42920．47950．42840．38820．41530．41780．42340．33680．45340．41940．3973
样品Cl 浓度Content （mg /g）
1．280．990．602．592．440．731．560．720．420．150．120．410．280．140．70
氯同位素比值Measured 37Cl /35Cl
（n =3）
0．319370．320280．319100．319710．319080．319450．319190．320540．320070．319820．320540．320070．321170．320770．32073
δ37Cl±2SD*
（‰）－0．88±0．221．99±0．37－1．71±0．050．21±0．15－1．79±0．16－0．60±0．10－1．42±0．062．80±0．591．34±0．390．55±0．462．81±0．951．31±0．254．77±0．623．53±0．363．39±0．35
红王子锦带Weigela florida
紫松果菊Echinacoa angustifofia
川西獐芽菜Swertia mussotii
花锚Halenia elliptica
*：SD ：Standard deviation．
37
植物组织器官δCl 的变化范围为! 1．79‰～+4．77‰（平均值为1．20‰），总宽度达到6．56‰，目前
37［21］37
对自然界中样品δCl 范围为! 14‰～+16‰，约占δCl 总宽度的22%，可以看出，
植物吸收利用氯的
过程是造成自然界氯同位素分馏的重要原因。山东
37
地区的两种植物器官δCl 的变化范围为! 1．79‰～+1．99‰（平均值为－0．6‰），除了红王
37
子锦带茎的δCl （+1．99‰）偏大外，其它的组织器
37
官的δCl 值均接近或小于0‰，说明山东地区两种3737植物的组织器官相对富集Cl ，而Cl 相对贫乏；而青
37
藏高原地区的两种植物δCl 的变化范围
37
为+0．55‰～+4．77‰（平均值为2．56‰），其δCl
均大于0‰，说明青藏高原地区的两种植物的组织
3735
器官中相对富集Cl ，而Cl 相对贫乏（图1）。
两地区植物组织器官间δCl 的差异较大，产生
37
图1Fig．1
37
几种植物组织器官的δCl 变化
的不同氯同位素分馏趋势可能是由于植物的生长环境、氯的迁移或植物吸收利用氯的生物生理效应的差别引起的。对不同区域、不同种类或同一种类不同植株之间的氯同位素的分馏趋势和产生分馏的原因尚需深入研究。Ｒeferences
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Separation of Chlorine and Its Isotopic Composition in Plants
XU Qing-Cai *1，LIU Li-Hua 1，ZHANG Yan-Ling 2
1
（Shandong Provincial Key Laboratory of Water and Soil Conservation and Environmental Protection ，
College of Chemistry ＆Chemical Engineering ，Linyi University ，Linyi 276005，China ）
2
（Key Laboratory of Salt Lake Ｒesourcesand Chemistry ，Qinghai Institute of Salt Lakes ，
Chinese Academy of Sciences ，Xining 810008，China ）
Abstract A method using dry ashing combined with triple-phase ion-exchange chromatography was developed
to enrich chlorine in the plant ，which could eliminate the effect of organic impurities on the determination of chlorine isotope by thermal ionization mass spectrometry．In the procedure ，the recoveries indicated that there was no loss of chlorine and no fractionation of chlorine isotopes occur．The results showed that the composition of chlorine isotope in the tissues of plants in Qinghai-Tibet Plateau area and Shandong area ranged from
37
! 1．79‰to +4．77‰with an average of 1．20‰．δCl values of the two plant samples in Shandong area not more than 0‰indicated that 35Cl was enriched in the organs of the two plants and δ37Cl values in Qinghai-Tibet
Plateau area more than 0‰indicated the deficiency of 35Cl．Chlorine isotope composition fractionated significantly in the plant samples or in different tissues of a plant．This may be caused by the differences of the medium where the plants grow ，the transport of chlorine or the physiological effect in the uptake of chlorine by plants ，which put forward a new insight for the further investigation of chlorine behavior in plant and the global cycling of chlorine in the biogeochemistry．Keywords
Chlorine isotope ；Thermal ionization mass spectrometry ；Plant ；Tissue
（Ｒeceived29March 2014；accepted 29May 2014）
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos．41340028，41172160）