如何监测核磁共振定量测定用于海洋环境？ 一

摘要： 本文综述了核磁共振定量测定技术在海洋环境监测中的应用。阐述了海洋环境监测的重要性以及传统监测方法的局限性，详细介绍了核磁共振定量测定的原理、优势，并全面梳理其在石油烃类、有机污染物、重金属等海洋污染物分析中的应用实例，探讨了该技术与其他技术的联用情况，最后对其未来发展趋势进行了展望，旨在为海洋环境监测领域的研究与实践提供全面的参考。

一、引言

海洋环境对地球生态系统的平衡和人类社会的可持续发展具有极为关键的意义。它不仅是全球气候调节的重要参与者，还蕴藏着丰富的生物资源和能源。然而，随着工业化进程的加速、人口的增长以及海上活动的日益频繁，海洋环境面临着前所未有的污染挑战。石油泄漏、工业废水排放、农药和塑料垃圾的流入等，使得海洋中的污染物种类繁多且浓度不断变化。这些污染物对海洋生物的生存、繁衍以及海洋生态系统的结构和功能造成了严重的威胁，也间接影响到人类的健康和经济活动。

传统的海洋环境监测方法包括化学分析方法如分光光度法、滴定法，以及仪器分析方法如气相色谱 - 质谱联用（GC - MS）、原子吸收光谱（AAS）等。这些方法在过去的海洋环境监测中发挥了重要作用，积累了大量的数据。例如，GC - MS 能够对复杂的有机混合物进行分离和鉴定，在有机污染物检测方面具有较高的灵敏度和选择性；AAS 则可精确测定多种重金属元素的含量。但传统方法也存在诸多局限性。它们往往需要复杂的样品前处理过程，如萃取、净化、衍生化等，这不仅耗时费力，而且容易引入误差。许多传统仪器设备昂贵、体积庞大，需要专业的操作人员，难以实现现场快速监测和大规模样品的高通量分析。此外，对于未知污染物的筛查和鉴定，传统方法有时显得力不从心，需要结合多种技术才能完成。

核磁共振（NMR）定量测定技术作为一种强大的分析工具，在化学、生物医学等领域已得到广泛应用。近年来，其在海洋环境监测中的应用逐渐受到关注。NMR 基于原子核的自旋特性，在磁场作用下，不同化学环境的原子核会产生不同的共振频率，从而形成特定的 NMR 谱图。通过对谱图中峰的位置（化学位移）、强度和裂分情况的分析，可以获取分子结构和组成的信息，并进行定量测定。与传统监测方法相比，NMR 定量测定具有样品前处理相对简单、非破坏性、能够多组分同时定量分析以及对未知物有一定结构解析能力等优势。这些优势使得 NMR 技术在海洋环境监测领域具有广阔的应用前景，有望为解决当前海洋污染监测面临的问题提供新的途径和方法。

二、核磁共振定量测定原理

核磁共振现象源于原子核的自旋和磁矩。当置于外加磁场  中时，具有自旋量子数  的原子核（如 、 等）会发生能级分裂，形成一系列等间距的塞曼能级。根据量子力学原理，相邻能级之间的能量差  与外加磁场强度  和原子核的旋磁比  有关，即 （ 为约化普朗克常数）。

当施加一个与能级差匹配的射频脉冲（频率为 ）时，原子核会吸收射频能量，从低能级跃迁到高能级，产生核磁共振信号。在射频脉冲停止后，处于激发态的原子核会通过弛豫过程回到基态，同时释放出能量并产生感应电流，被检测线圈接收并转化为 NMR 谱图。

在海洋环境监测中，不同的污染物分子由于其化学结构的差异，所含原子核周围的电子云分布不同，会导致原子核感受到的有效磁场发生变化，从而在 NMR 谱图上表现出不同的化学位移。例如，对于有机污染物中的氢原子，其化学位移会受到相邻原子或官能团的电负性、化学键的类型等因素的影响。通过对化学位移、峰面积等谱图信息的分析，可以确定分子中不同官能团的种类和数量，进而实现对污染物的定性和定量分析。

三、核磁共振定量测定在海洋环境监测中的优势

（一）样品前处理简便

传统海洋环境监测方法的样品前处理常常涉及多步复杂操作，如对于有机污染物的气相色谱分析，可能需要进行繁琐的衍生化反应以提高挥发性和检测灵敏度，还需要进行多次萃取和净化步骤以去除杂质干扰。而核磁共振定量测定通常只需对海洋样品进行简单的提取，如使用合适的有机溶剂（如正己烷、二氯甲烷等）对目标污染物进行萃取，然后过滤除去不溶性杂质，即可得到适合 NMR 分析的样品溶液。这种简化的前处理过程不仅减少了操作时间和工作量，还降低了因复杂操作引入误差的可能性，提高了分析结果的准确性和可靠性。

（二）非破坏性分析

在海洋环境监测中，某些样品可能具有独特的研究价值或难以获取，如深海生物组织、珍稀海洋矿物等。传统分析方法如燃烧法测定有机碳含量、酸消解测定重金属等，会对样品造成不可逆的破坏，使其无法再次用于其他分析或研究。核磁共振定量测定基于原子核的磁性响应，在分析过程中不改变样品的化学组成和物理形态，分析后的样品仍可完整保留，可用于后续的其他检测或研究，充分利用了有限的海洋样品资源，为多维度研究海洋环境提供了可能。

（三）多组分同时定量分析

海洋环境中的污染物是复杂多样的，往往同时存在多种有机化合物、重金属离子以及其他类型的污染物。传统监测方法通常需要针对不同类型的污染物采用不同的分析技术和仪器分别进行测定，例如用 GC - MS 分析有机污染物，用 AAS 或 ICP - MS 分析重金属。这不仅增加了分析成本和时间，还可能由于不同方法间的误差传递和数据整合问题影响最终结果的准确性。核磁共振技术能够在一次实验中对多种组分进行同时定量分析。因为不同化合物的原子核在 NMR 谱图上具有独特的化学位移和峰形特征，通过对谱图中各个共振峰的识别、积分计算，并结合标准曲线，就可以同时确定多种污染物的含量。例如，在对受污染海水样品的 NMR 分析中，可以同时检测到石油烃类化合物中不同碳链长度的烃类组分、有机氯农药以及溶解态重金属离子与有机配体形成的配合物的特征峰，从而实现对这些不同类型污染物的同步定量测定，为全面评估海洋环境的污染状况提供了高效、便捷的手段。

（四）未知物结构解析能力

随着人类活动对海洋环境影响的不断加深，新的海洋污染物不断涌现。对于这些未知污染物的鉴定和结构解析是海洋环境监测的重要任务之一。传统分析方法在面对未知污染物时，往往需要先通过复杂的分离纯化技术将其从样品中分离出来，然后再采用多种分析手段如红外光谱、质谱等进行结构鉴定，过程繁琐且耗时较长。核磁共振定量测定技术本身具有强大的结构解析能力，能够根据未知污染物在 NMR 谱图中的化学位移、峰形、峰面积以及自旋 - 自旋耦合常数等信息，推断出分子中不同官能团的类型、数量以及它们之间的连接方式，初步确定未知化合物的分子结构框架。结合其他辅助分析技术如高分辨质谱等，可以进一步完善对未知污染物的结构鉴定，为深入研究其环境行为、毒性效应以及生物降解途径等提供基础数据和理论依据。

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