毕业时间：2019年9月（博士）

毕业去向：国家纳米科学中心 博士后 / 中粮营养健康研究院

导师：史权 教授

学科专业：化学工程与技术

研究方向：石油与天然气化学

 

学位论文题目

天然水体可溶性有机质分子组成与分子结构分析方法与应用

Molecular Composition and Structure Analysis of Dissolved Organic Matter in Natural Water: Methodology and Application

 

论文摘要

溶解性有机质（Dissolved organic matter，DOM）广泛存在于各种环境水体中，通过参与水体中污染物的迁移转化过程，可以产生非常重要的生态环境效应。然而DOM的分子组成和分子结构仍然尚不明确。本论文基于高分辨质谱，包括傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）和静电场离子轨道阱质谱（Orbitrap-MS），分别建立了天然水体DOM分子组成与分子结构的表征方法，并且研究了不同来源D OM分子结构特征。主要包括以下内容：（1）利用共沉淀法与固相萃取（SPE）相结合，建立了一种全面表征海水中可溶性有机质分子组成的新方法。通过氢氧化铁的共沉淀作用同时实现了海水DOM的分离富集过程；该方法使固相萃取DOM总有机碳收率提高了25%；与传统SPE方法相比，-ESI FT-ICR MS鉴定到的DOM分子式多出51%以上；同时，该方法对于传统SPE方法中极易丢失的类单宁酸类化合物具有很好的检测选择性。因此，该方法有望作为环境水体中DOM提取的常规评价策略。

（2）系统分析了不同水体DOM串联质谱碎片，论证了不同水体DOM分子结构的相似性。不同水体DOM的串联质谱碎片离子有非常大的比例（约75-90%）是相同的；并且有证据表明，不同水体DOM串联质谱碎片的差异是由不同来源DOM分子组成不同造成的。因此，不同水体DOM中相同分子式的化合物可能具有极其相似分子结构。本研究从质谱分析角度为解释海洋惰性DOM难降解机制提供了重要数据支撑。

（3）基于串联质谱和结构预测软件（CFM-ID）建立了一种水体DOM分子结构表征新方法。即首先利用UPLC-Orbitrap MS得到SRFA的分子组成，形成了包括多个化合物数据库（HMDB、MassBank和PubChem等）的联合检索数据库，其次基于母离子簇与碎片离子簇的相似性，确定母离子与由其产生的碎片离子的对应关系；最后，通过结构预测软件（CFM-ID）检索得到最佳结构候选化合物；同时，利用四个模型化合物验证了该方法的可行性。该方法有望应用于其它复杂体系样品（例如，石油、脂类等）分子结构鉴定工作。

（4）将建立的分子结构鉴定方法应用于SRFA的分子结构表征，鉴定得到了一系列具有特征结构的DOM单体化合物。对于等效双键（double bond equivalent,DBE）不同的系列化合物，随着DBE的减小，化合物中的环状结构逐渐减少；而对于DBE相同的系列化合物，该类化合物结构具有很大结构相似性，即都是由一个或多个烷基链连接苯环形成的羧酸类化合物。此外，一些亚结构单元，例如，羧基、苯环、脂键、醚键和羰基等多种官能团普遍存于SRFA分子结构中，该结果表明木质素是天然水体中DOM的重要来源之一。

关键词：可溶性有机质；分子组成；分子结构

 

创新点

（1）将无机离子共沉淀与固相萃取相结合，开发了一种海水DOM分离分析的新方法，实现了海水DOM分子组成更加全面的表征。

（2）分析了不同水体DOM质谱碎片，论证了不同水体中DOM分子结构的相似性，从质谱分析角度为解释海洋惰性DOM难降解原因提供了重要数据支撑。

（3）基于串联质谱和结构预测软件（CFM-ID）建立了一种水体DOM单体化合物分子结构鉴定新方法，为精确表征DOM的分子结构提供了一种新思路。

 

发表学术论文

1. [1]Fang, Z.; Li, L.; Jiang, B.; He, C.; Li, Y.; Xu, C.; Shi, Q. Molecular Composition and Transformation of Dissolved Organic Matter (DOM) in Coal Gasification Wastewater. Energy and Fuels 2019, 33 (4), 3003–3011
   https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b04450

2. [2]Li, L.; Fang, Z.; He, C.; Shi, Q. Separation and characterization of marine dissolved organic matter (DOM) by combination of Fe(OH) 3 co-precipitation and solid phase extraction followed by ESI FT-ICR MS. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2019, 411 (10), 2201–2208
   https://doi.org/10.1007/s00216-019-01663-y