植物中硼分离方法的建立及其同位素质谱测定

徐树建等

1引言

硼是植物正常生长所必需的一种微量营养元素。作为植物体的结构组成部分，硼不参与氧化还原反应，只促进碳水化合物的正常运转、植物体生殖器官的建成和发育、细胞分裂和细胞伸长等。硼与光合作用、核酸及蛋白质的合成也有一定的关系，还能提高作物的抗逆性，参与由多酚氧化酶所活化的氧化系统[1， 2]。

自然界中硼有两种稳定同位素：10B和11B，目前对硼和硼同位素组成的应用主要集中于宇宙事件[3，4]、壳幔演化[5]、物质来源判断[6～8]、古海洋和古气候[9～11]以及环境污染[12～15]的研究方面。而硼在植物生长过程的迁移、再循环及生物地球化学作用，都容易引起硼同位素组成的变化，这种作用同时也导致硼循环过程的同位素变化，因此通过了解硼元素在植物体的行为、迁移转化以及生物效应机理，能够更好地优化现代农业的培育种植、重建古营养学结构以及重新认识硼同位素的生物地球化学循环。

然而，植物体中存在的大量有机质，影响了硼同位素测定的精确度和准确度，硼的提取纯化技术成为限制硼同位素在植物领域方面应用的瓶颈[16～18]。通常，植物体中测定硼含量使用的分离方法为传统的HNO3/H2O2湿法消解，这种方法虽然能够有效去除植物中的大量有机质，但是HNO3的引入，容易产生影响硼同位素测定（Cs2BO+2）的同质异位素Cs2CNO+ [19～21]，Cs2CNO+能够大大抑制硼同位素离子流的发射。文献[19]建立的微升华法能够去除溶液中存在的有机质，但是不适用含有大量有机质植物样品。

在文献[22]建立的两步法离子交换技术分离硼的基础上，本实验建立了一种快速消除大量有机质的分离方法， 实现了植物中硼的有效分离，并能满足正热电离质谱法测定硼同位素测试的需求，初步探讨在植物体不同组织之间产生硼同位素分馏的原因。

2实验部分

2.1仪器与试剂

全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪（Inductively coupled plasma optical emission spectrometry， ICPOES，美国Varian，Vista MPX型），配40 MHz自激式射频发生器、中阶梯多色器系统和Vista Chip CCD检测器。硼同位素比采用Triton （Thermo Fisher）正热电离质谱计测定，该质谱计配有特制的双法拉第杯系统，可实现309（Cs211BO+2）/308（Cs210BO+2）离子的同步测定[10]。

硼酸、HCl、硼砂均为优级纯试剂。硼元素标准溶液（1 g/L）购自国家标准物质研究中心。使用前，盐酸经一次亚沸蒸馏配制而成。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射剂。Amberlite IRA 743树脂（60～100，SigmaAldrich （China）公司），研磨过100目筛。Dowex 50 W×8 H+型强阳离子交换树脂（200～400目）和Ion Exchanger Ⅱ型弱阴离子交换树脂（60～100目），百灵威科技有限公司。硼同位素标准NIST SRM 951硼酸，配制溶液浓度为1.0 g/L。用光谱纯Cs2CO3 （99.994%）配制12.3 g/L的溶液。用甘露醇（HPLC纯） 配制溶液浓度为1.82%。

实验用水均为蒸馏水，并经过亚沸蒸馏和硼特效树脂柱交换后的无硼去离子水。

2.2分离过程

2.2.1样品干灰化植物样品（松果菊和红王子锦带）采用去离子水反复洗涤，以除去表面的附着物和杂质。在40 ℃的温度下气流烘干后， 将样品粉碎，过100目筛。准确称量0.3～0.5 g植物样品，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 ℃，将植物样品进行碳化1 h，升温至550 ℃进行干燥灰化4 h，最后在干燥器中冷却至室温。

2.2.2硼特效树脂吸附Amberlite IRA743硼特效树脂（100～200 目）使用前，用0.5 mol/L HCl洗涤，然后用高纯水淋洗至中性，再用0.1 mol/L NH3·H2O洗涤，再用高纯水淋洗至中性，待用[10，23，24]。

将干燥灰化后的植物样品，用1 mL 0.5 mol/L HCl溶解后，向其中加入1 mol/L NH3·H2O溶液，调至pH 9。将样品溶液以2.5 mL/min流速通过硼特效树脂，用于硼的吸附。待溶液流尽后，用1 mL高纯水洗涤，然后用75 ℃ 10 mL 0.1 mol/L HCl淋洗，收集淋洗液。然后在60 ℃温度下气流蒸发至近干。

2.2.3阴阳离子混合树脂法阳离子树脂在使用前，用HCl 溶液再生，去离子水洗至中性。弱碱性阴离子树脂用饱和NaHCO3溶液淋洗，高纯水洗至中性。将上述阴、阳离子交换树脂均匀混合，备用。由于阴阳离子树脂粒径不一样，因此易于分离和再生使用。

将近干的溶液直接转移至阴阳离子混合交换树脂柱中，然后用10 mL高纯水洗涤，收集淋洗液，然后向其中加入适量的Cs2CO3溶液和甘露醇（使B/Cs 摩尔比为1∶2， B/甘露醇摩尔比为1∶l）。将溶液置于鼓风干燥箱中， 60 ℃温度下浓缩至约0.5 mL时，转移至0.5 mL具塞离心管，继续蒸发溶液至含硼约1 g/L 为止。样品密封，在4 ℃温度下储存，用于硼同位素组成测试。

2.3硼同位素测定方法

采用文献[22]建立的Cs2BO+2正热电离质谱法测定硼同位素组成。钽带（7.5 mm× 0.76 mm× 0.025 mm）在3 A电流下真空去气1 h。涂样时，先将2.5 μL石墨悬浮液涂于钽带表面，在1.2 A电流下蒸至近干，再加入1 μL样品，蒸发至近干，用于质谱测定。

1引言

硼是植物正常生长所必需的一种微量营养元素。作为植物体的结构组成部分，硼不参与氧化还原反应，只促进碳水化合物的正常运转、植物体生殖器官的建成和发育、细胞分裂和细胞伸长等。硼与光合作用、核酸及蛋白质的合成也有一定的关系，还能提高作物的抗逆性，参与由多酚氧化酶所活化的氧化系统[1， 2]。

自然界中硼有两种稳定同位素：10B和11B，目前对硼和硼同位素组成的应用主要集中于宇宙事件[3，4]、壳幔演化[5]、物质来源判断[6～8]、古海洋和古气候[9～11]以及环境污染[12～15]的研究方面。而硼在植物生长过程的迁移、再循环及生物地球化学作用，都容易引起硼同位素组成的变化，这种作用同时也导致硼循环过程的同位素变化，因此通过了解硼元素在植物体的行为、迁移转化以及生物效应机理，能够更好地优化现代农业的培育种植、重建古营养学结构以及重新认识硼同位素的生物地球化学循环。

然而，植物体中存在的大量有机质，影响了硼同位素测定的精确度和准确度，硼的提取纯化技术成为限制硼同位素在植物领域方面应用的瓶颈[16～18]。通常，植物体中测定硼含量使用的分离方法为传统的HNO3/H2O2湿法消解，这种方法虽然能够有效去除植物中的大量有机质，但是HNO3的引入，容易产生影响硼同位素测定（Cs2BO+2）的同质异位素Cs2CNO+ [19～21]，Cs2CNO+能够大大抑制硼同位素离子流的发射。文献[19]建立的微升华法能够去除溶液中存在的有机质，但是不适用含有大量有机质植物样品。

在文献[22]建立的两步法离子交换技术分离硼的基础上，本实验建立了一种快速消除大量有机质的分离方法， 实现了植物中硼的有效分离，并能满足正热电离质谱法测定硼同位素测试的需求，初步探讨在植物体不同组织之间产生硼同位素分馏的原因。

2实验部分

2.1仪器与试剂

全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪（Inductively coupled plasma optical emission spectrometry， ICPOES，美国Varian，Vista MPX型），配40 MHz自激式射频发生器、中阶梯多色器系统和Vista Chip CCD检测器。硼同位素比采用Triton （Thermo Fisher）正热电离质谱计测定，该质谱计配有特制的双法拉第杯系统，可实现309（Cs211BO+2）/308（Cs210BO+2）离子的同步测定[10]。

硼酸、HCl、硼砂均为优级纯试剂。硼元素标准溶液（1 g/L）购自国家标准物质研究中心。使用前，盐酸经一次亚沸蒸馏配制而成。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射剂。Amberlite IRA 743树脂（60～100，SigmaAldrich （China）公司），研磨过100目筛。Dowex 50 W×8 H+型强阳离子交换树脂（200～400目）和Ion Exchanger Ⅱ型弱阴离子交换树脂（60～100目），百灵威科技有限公司。硼同位素标准NIST SRM 951硼酸，配制溶液浓度为1.0 g/L。用光谱纯Cs2CO3 （99.994%）配制12.3 g/L的溶液。用甘露醇（HPLC纯） 配制溶液浓度为1.82%。

实验用水均为蒸馏水，并经过亚沸蒸馏和硼特效树脂柱交换后的无硼去离子水。

2.2分离过程

2.2.1样品干灰化植物样品（松果菊和红王子锦带）采用去离子水反复洗涤，以除去表面的附着物和杂质。在40 ℃的温度下气流烘干后， 将样品粉碎，过100目筛。准确称量0.3～0.5 g植物样品，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 ℃，将植物样品进行碳化1 h，升温至550 ℃进行干燥灰化4 h，最后在干燥器中冷却至室温。

2.2.2硼特效树脂吸附Amberlite IRA743硼特效树脂（100～200 目）使用前，用0.5 mol/L HCl洗涤，然后用高纯水淋洗至中性，再用0.1 mol/L NH3·H2O洗涤，再用高纯水淋洗至中性，待用[10，23，24]。

将干燥灰化后的植物样品，用1 mL 0.5 mol/L HCl溶解后，向其中加入1 mol/L NH3·H2O溶液，调至pH 9。将样品溶液以2.5 mL/min流速通过硼特效树脂，用于硼的吸附。待溶液流尽后，用1 mL高纯水洗涤，然后用75 ℃ 10 mL 0.1 mol/L HCl淋洗，收集淋洗液。然后在60 ℃温度下气流蒸发至近干。

2.2.3阴阳离子混合树脂法阳离子树脂在使用前，用HCl 溶液再生，去离子水洗至中性。弱碱性阴离子树脂用饱和NaHCO3溶液淋洗，高纯水洗至中性。将上述阴、阳离子交换树脂均匀混合，备用。由于阴阳离子树脂粒径不一样，因此易于分离和再生使用。

将近干的溶液直接转移至阴阳离子混合交换树脂柱中，然后用10 mL高纯水洗涤，收集淋洗液，然后向其中加入适量的Cs2CO3溶液和甘露醇（使B/Cs 摩尔比为1∶2， B/甘露醇摩尔比为1∶l）。将溶液置于鼓风干燥箱中， 60 ℃温度下浓缩至约0.5 mL时，转移至0.5 mL具塞离心管，继续蒸发溶液至含硼约1 g/L 为止。样品密封，在4 ℃温度下储存，用于硼同位素组成测试。

2.3硼同位素测定方法

采用文献[22]建立的Cs2BO+2正热电离质谱法测定硼同位素组成。钽带（7.5 mm× 0.76 mm× 0.025 mm）在3 A电流下真空去气1 h。涂样时，先将2.5 μL石墨悬浮液涂于钽带表面，在1.2 A电流下蒸至近干，再加入1 μL样品，蒸发至近干，用于质谱测定。

1引言

硼是植物正常生长所必需的一种微量营养元素。作为植物体的结构组成部分，硼不参与氧化还原反应，只促进碳水化合物的正常运转、植物体生殖器官的建成和发育、细胞分裂和细胞伸长等。硼与光合作用、核酸及蛋白质的合成也有一定的关系，还能提高作物的抗逆性，参与由多酚氧化酶所活化的氧化系统[1， 2]。

自然界中硼有两种稳定同位素：10B和11B，目前对硼和硼同位素组成的应用主要集中于宇宙事件[3，4]、壳幔演化[5]、物质来源判断[6～8]、古海洋和古气候[9～11]以及环境污染[12～15]的研究方面。而硼在植物生长过程的迁移、再循环及生物地球化学作用，都容易引起硼同位素组成的变化，这种作用同时也导致硼循环过程的同位素变化，因此通过了解硼元素在植物体的行为、迁移转化以及生物效应机理，能够更好地优化现代农业的培育种植、重建古营养学结构以及重新认识硼同位素的生物地球化学循环。

然而，植物体中存在的大量有机质，影响了硼同位素测定的精确度和准确度，硼的提取纯化技术成为限制硼同位素在植物领域方面应用的瓶颈[16～18]。通常，植物体中测定硼含量使用的分离方法为传统的HNO3/H2O2湿法消解，这种方法虽然能够有效去除植物中的大量有机质，但是HNO3的引入，容易产生影响硼同位素测定（Cs2BO+2）的同质异位素Cs2CNO+ [19～21]，Cs2CNO+能够大大抑制硼同位素离子流的发射。文献[19]建立的微升华法能够去除溶液中存在的有机质，但是不适用含有大量有机质植物样品。

在文献[22]建立的两步法离子交换技术分离硼的基础上，本实验建立了一种快速消除大量有机质的分离方法， 实现了植物中硼的有效分离，并能满足正热电离质谱法测定硼同位素测试的需求，初步探讨在植物体不同组织之间产生硼同位素分馏的原因。

2实验部分

2.1仪器与试剂

全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪（Inductively coupled plasma optical emission spectrometry， ICPOES，美国Varian，Vista MPX型），配40 MHz自激式射频发生器、中阶梯多色器系统和Vista Chip CCD检测器。硼同位素比采用Triton （Thermo Fisher）正热电离质谱计测定，该质谱计配有特制的双法拉第杯系统，可实现309（Cs211BO+2）/308（Cs210BO+2）离子的同步测定[10]。

硼酸、HCl、硼砂均为优级纯试剂。硼元素标准溶液（1 g/L）购自国家标准物质研究中心。使用前，盐酸经一次亚沸蒸馏配制而成。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射剂。Amberlite IRA 743树脂（60～100，SigmaAldrich （China）公司），研磨过100目筛。Dowex 50 W×8 H+型强阳离子交换树脂（200～400目）和Ion Exchanger Ⅱ型弱阴离子交换树脂（60～100目），百灵威科技有限公司。硼同位素标准NIST SRM 951硼酸，配制溶液浓度为1.0 g/L。用光谱纯Cs2CO3 （99.994%）配制12.3 g/L的溶液。用甘露醇（HPLC纯） 配制溶液浓度为1.82%。

实验用水均为蒸馏水，并经过亚沸蒸馏和硼特效树脂柱交换后的无硼去离子水。

2.2分离过程

2.2.1样品干灰化植物样品（松果菊和红王子锦带）采用去离子水反复洗涤，以除去表面的附着物和杂质。在40 ℃的温度下气流烘干后， 将样品粉碎，过100目筛。准确称量0.3～0.5 g植物样品，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 ℃，将植物样品进行碳化1 h，升温至550 ℃进行干燥灰化4 h，最后在干燥器中冷却至室温。

2.2.2硼特效树脂吸附Amberlite IRA743硼特效树脂（100～200 目）使用前，用0.5 mol/L HCl洗涤，然后用高纯水淋洗至中性，再用0.1 mol/L NH3·H2O洗涤，再用高纯水淋洗至中性，待用[10，23，24]。

将干燥灰化后的植物样品，用1 mL 0.5 mol/L HCl溶解后，向其中加入1 mol/L NH3·H2O溶液，调至pH 9。将样品溶液以2.5 mL/min流速通过硼特效树脂，用于硼的吸附。待溶液流尽后，用1 mL高纯水洗涤，然后用75 ℃ 10 mL 0.1 mol/L HCl淋洗，收集淋洗液。然后在60 ℃温度下气流蒸发至近干。

2.2.3阴阳离子混合树脂法阳离子树脂在使用前，用HCl 溶液再生，去离子水洗至中性。弱碱性阴离子树脂用饱和NaHCO3溶液淋洗，高纯水洗至中性。将上述阴、阳离子交换树脂均匀混合，备用。由于阴阳离子树脂粒径不一样，因此易于分离和再生使用。

将近干的溶液直接转移至阴阳离子混合交换树脂柱中，然后用10 mL高纯水洗涤，收集淋洗液，然后向其中加入适量的Cs2CO3溶液和甘露醇（使B/Cs 摩尔比为1∶2， B/甘露醇摩尔比为1∶l）。将溶液置于鼓风干燥箱中， 60 ℃温度下浓缩至约0.5 mL时，转移至0.5 mL具塞离心管，继续蒸发溶液至含硼约1 g/L 为止。样品密封，在4 ℃温度下储存，用于硼同位素组成测试。

2.3硼同位素测定方法

采用文献[22]建立的Cs2BO+2正热电离质谱法测定硼同位素组成。钽带（7.5 mm× 0.76 mm× 0.025 mm）在3 A电流下真空去气1 h。涂样时，先将2.5 μL石墨悬浮液涂于钽带表面，在1.2 A电流下蒸至近干，再加入1 μL样品，蒸发至近干，用于质谱测定。