張 晗, 廖 旭, 魏 來, 張子興, 任紅云, 張 嫻

(中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361021)

有機(jī)物是大氣顆粒物的重要組成部分。目前從分子水平上鑒別出來的有機(jī)物大致可分為15類,約占顆粒物質(zhì)量的10%,包括烷烴、多環(huán)芳烴、霍烷類、脂肪醇、脂肪酸、芳香酸、二元羧酸、多元酸、醛酮類、糖類和持久性有機(jī)物等[1]。顆粒物中單種有機(jī)組分的含量極低,通常在0.1～100 ng/m3[2],主要通過溶劑萃取、凈化和濃縮后進(jìn)行色譜分析,操作繁瑣,樣品需求量大[3]。與溶劑萃取相比,熱解吸技術(shù)分析顆粒物中有機(jī)物具有一定的優(yōu)越性:零有機(jī)溶劑污染,操作簡單,樣品量少,樣品利用率接近100%。該技術(shù)最早由韓國科學(xué)家Ho等[3,4]提出,即將大氣顆粒物濾膜樣品直接放入氣相色譜進(jìn)樣口,利用進(jìn)樣口的高溫將濾膜上的有機(jī)物引入色譜分析;該技術(shù)被Cao等研究組廣泛使用[5-7]。然而目前熱解吸技術(shù)主要局限于非極性有機(jī)物分析,極性有機(jī)物一般需要離線衍生后方可利用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析[8-10],所以熱解吸技術(shù)較少應(yīng)用于極性化合物的分析研究。有機(jī)酸是大氣顆粒物中含量最豐富的一類極性化合物,也是二次有機(jī)氣溶膠的重要組分,約占其顆粒物總質(zhì)量的20%～60%。有機(jī)酸的揮發(fā)性低、極性強(qiáng),在氣粒分配中更容易沉積到細(xì)顆粒物中,因具有強(qiáng)吸濕性可改變顆粒物的粒徑分布,其含量常用于評價(jià)氣溶膠的老化程度,在大氣顆粒物研究中占有重要地位[11]。

本研究設(shè)計(jì)制作了一套用于GC-MS分析極性有機(jī)物的在線衍生裝置,在進(jìn)樣口熱解吸技術(shù)基礎(chǔ)上,引入氣態(tài)衍生模式,實(shí)現(xiàn)大氣顆粒物濾膜樣品中有機(jī)酸、醇類、酚類等極性有機(jī)化合物的快速在線衍生,拓寬了熱解吸技術(shù)的應(yīng)用范圍,為在線衍生色譜技術(shù)提供了新思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

儀器:7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(安捷倫,美國),TH1000H大流量采樣器(武漢天虹)。標(biāo)準(zhǔn)樣品:丙二酸、戊二酸、己二酸、辛二酸、壬二酸、鄰苯二甲酸、正十六酸、正十八酸(上海國藥)、順蒎酸、蒎酮酸(Dr. Ehrenstorfer公司,德國)。衍生試劑:N-甲基-N-(三甲基硅烷)三氟乙酰胺(MSTFA)(Accu Standard,美國)。材料:三通(1/16 in,世偉洛克,美國);SS-41GXS1四通閥門(世偉洛克,美國);不銹鋼針(長100 mm,針尖上方側(cè)開孔,孔直徑2 mm)不銹鋼管道(外徑0.75 mm,內(nèi)徑0.5 mm);去活石英毛細(xì)管柱(內(nèi)徑0.32 μm);QMA石英濾膜(8 in×10 in,Whatman,英國)。

1.2 樣品采集

將石英濾膜置于馬弗爐中除去有機(jī)質(zhì)(500 ℃, 4 h),使用大流量采樣器連續(xù)采樣24 h。采樣完成后以鋁膜密封,置于-20 ℃冰箱中待用,測試前冷凍干燥。測試時(shí),以直徑1.5 cm的打孔器取樣后剪裁成條,使之適合襯管裝載。所有條件實(shí)驗(yàn)以空白膜加標(biāo)完成。

1.3 極性化合物在線衍生裝置工作流程和條件

極性化合物在線衍生裝置如圖1所示。室溫下,將濾膜置于進(jìn)樣口內(nèi)襯管中,以載氣吹掃。開啟四通閥門3,利用進(jìn)樣口載氣6將衍生試劑瓶5內(nèi)頂空的氣態(tài)衍生試劑吹入襯管。進(jìn)樣口溫度由室溫快速升高至310 ℃,保持10 min以完成在線衍生反應(yīng)。為避免大量衍生試劑進(jìn)入色譜柱,進(jìn)樣口采用分流模式。衍生過程中,色譜柱爐溫保持35 ℃,使衍生產(chǎn)物在柱頭保留。衍生完成后,切換閥門3,關(guān)閉衍生試劑,轉(zhuǎn)換為純氦氣載流,啟動程序升溫。

圖 1 大氣顆粒物濾膜中極性有機(jī)物在線分析裝置圖Fig. 1 Online analysis device diagram of polar organic compounds in atmospheric particulate filter1. split/splitless inlet; 2. T interface (let helium or helium+MSTFA pass through); 3. four way interface (determine whether helium enter the injection port directly or after passing through the MSTFA bottle); 4. needle(for import derivative reagent); 5. glass tube(derivative reagent); 6. helium(carrier gas). MSD: mass detector; MSTFA: N-methyl-N-(trimethylsilyl) trifluoroacetamide.

氣相色譜條件如下:色譜柱為DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm),載氣為氦氣,進(jìn)樣口為分流模式,分流比5∶1,載氣(載氣+衍生試劑)流量為1 mL/min, GC柱溫以35 ℃保持1 min,再以15 ℃/min升至280 ℃。

質(zhì)譜條件:離子源溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃,接口溫度280 ℃,質(zhì)荷比(m/z)為30～500, 電子轟擊電離(EI)源條件為70 eV,掃描模式為SCAN和SIM掃描,溶劑延遲6 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 衍生試劑選擇

極性化合物常用的衍生方法包括硅烷化、烷基化、?；?。其中硅烷化試劑主要是三甲基硅衍生試劑,如N,O-雙(三甲基硅基)三氟乙酰胺(BSTFA)-三甲基氯硅烷(TMCS)(99∶1, v/v)混合溶液和MSTFA等;烷基化法的試劑有烯烴、鹵代烷烴、硫酸烷酯和醇等;?；噭┲饕獮轷｛u、酸酐、?；溥?、酰胺及烷基氯甲酸酯等[12]。目前使用最為廣泛的是BSTFA衍生試劑,反應(yīng)快、易揮發(fā),BSTFA與TMCS聯(lián)用可對有位阻的化合物或胺類等較難反應(yīng)的化合物進(jìn)行衍生[13]。但由于TMCS在衍生反應(yīng)中用于脫去酸羥基或醇羥基上的質(zhì)子,促進(jìn)反應(yīng)正向發(fā)生,而脫去的質(zhì)子與TMCS上的Cl結(jié)合生成HCl,副產(chǎn)物為鹽酸,倘若用于在線衍生,大量的HCl勢必對色譜柱造成嚴(yán)重?fù)p壞。MSTFA與BSTFA衍生效率相似,然而MSTFA及其衍生后的副產(chǎn)物揮發(fā)性更強(qiáng),極易通過溶劑延遲去除,基于該易揮發(fā)的特性考慮,本套裝置選擇MSTFA作為衍生試劑。

衍生試劑閥門3打開后,啟動質(zhì)譜掃描,質(zhì)譜信號高達(dá)近2×107,信號平穩(wěn),如圖2所示。NIST庫檢索證實(shí)該信號為MSTFA,表明該裝置的設(shè)計(jì)的確使高濃度氣態(tài)MSTFA隨載氣(氦氣)引入了GC-MS,且濃度恒定。

圖 2 (a)He+MSTFA的GC-MS色譜圖和(b)NIST庫檢索結(jié)果Fig. 2 (a) GC-MS chromatogram of He+MSTFA and (b) search results of NIST library

圖 3 衍生試劑導(dǎo)入針設(shè)計(jì)圖Fig. 3 Design drawing of derivative reagent import needle

2.2 衍生試劑套針設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)衍生試劑的導(dǎo)入和引出系統(tǒng),如圖3所示,衍生試劑約1 mL密封在12 mL的玻璃瓶內(nèi),瓶口螺帽中心以丁基橡膠墊密封。進(jìn)樣針為套針,針尖上方開側(cè)孔,孔直徑為2 mm。不銹鋼針頭頂部連接三通接頭,一根1/32 in的不銹鋼管線連入三通側(cè)方,用于引入氦氣,該路載氣從不銹鋼針頭側(cè)孔流出;一根內(nèi)徑0.32 μm的石英毛細(xì)柱從三通頂部伸入不銹鋼針頭底部,用于導(dǎo)出氣態(tài)衍生試劑。從針頭側(cè)孔流出的氦氣載氣對密封的玻璃瓶施壓,該壓力將瓶內(nèi)頂空氣態(tài)衍生試劑從針尖內(nèi)的毛細(xì)柱壓入進(jìn)樣口的內(nèi)襯管,與襯管內(nèi)濾膜上極性化合物反應(yīng),實(shí)現(xiàn)衍生。

2.3 衍生條件的選擇

大氣顆粒物中主要的有機(jī)酸包括一次排放的碳數(shù)小于20的脂肪酸,其中正十六碳酸和十八碳酸與人類活動密切相關(guān),是城市大氣顆粒物樣品中豐度最高的有機(jī)酸組分,占可測出正構(gòu)烷酸總質(zhì)量的44%～76%[14],二次排放的有機(jī)酸則主要通過苯、甲苯等芳香烴類化合物的芳環(huán)斷裂降解反應(yīng)生成二羰基化合物的氧化[15],如丙二酸、丁二酸等二元酸,其余還有芳香酸、酮基酸等。本研究選取了有代表性的4類有機(jī)酸:1.一元酸,包括正十六酸和正十八酸;2.二元酸,包括丙二酸、戊二酸、己二酸、辛二酸和壬二酸;3.芳香酸,鄰苯二甲酸;4.單蒎烯類氧化產(chǎn)物,包括順蒎酸和蒎酮酸,共計(jì)10種化合物進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)。

2.3.1衍生溫度

進(jìn)樣口溫度即衍生反應(yīng)溫度,分別考察290、300、310、320 ℃ 4個(gè)溫度對各極性化合物衍生反應(yīng)的影響,如圖4所示,結(jié)果表明衍生效率隨進(jìn)樣口溫度升高而提高。但低沸點(diǎn)化合物丙二酸和戊二酸在310 ℃以上,信號值開始下降,高溫導(dǎo)致更多樣品快速氣化后分流出。而己二酸和蒎酸則在310 ℃時(shí)發(fā)生了信號降低,其余化合物在310 ℃信號基本趨于平穩(wěn),綜合效率和節(jié)能考慮,衍生溫度采用310 ℃。

2.3.2衍生時(shí)間

考察衍生時(shí)間對化合物衍生過程的影響,即進(jìn)樣口溫度達(dá)到設(shè)定的310 ℃高溫后,不同保留時(shí)間對衍生反應(yīng)的影響。分別考察0、5、10、15和20 min 5個(gè)時(shí)間,如圖5所示,結(jié)果表明:反應(yīng)初期,衍生時(shí)間越長,反應(yīng)越完全,但10 min以后,丙二酸、戊二酸和鄰苯二甲酸信號開始呈現(xiàn)下降趨勢,表明樣品若已經(jīng)反應(yīng)完全并氣化,在進(jìn)樣口分流的條件下,保留時(shí)間越長,樣品將被分流越多,盲目延長衍生時(shí)間將會導(dǎo)致樣品損失;其余化合物亦在15 min時(shí)達(dá)到峰值后下降,綜合考慮,選擇10 min作為衍生時(shí)間。

圖 4 衍生溫度對反應(yīng)效率的影響Fig. 4 Effect of derivatization temperature on reaction efficiency

圖 5 衍生時(shí)間對反應(yīng)效率的影響Fig. 5 Effect of derivatization time on reaction efficiency

圖 6 10種有機(jī)酸衍生物的總離子流色譜圖Fig. 6 Total ion chromatogram of ten organic acid derivatives

2.4 方法的線性關(guān)系和精密度

配制混合酸標(biāo)準(zhǔn)溶液系列濃度為1、5、10、20、50、100 mg/L,按照1.3節(jié)中方法和色譜條件進(jìn)樣分析,并進(jìn)行線性關(guān)系、重復(fù)性(日內(nèi)、日間)和檢出限的考察,每個(gè)濃度樣品分別測定3次,取3次峰面積平均值建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,另取50 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液同日和隔天分別重復(fù)進(jìn)樣5次測定峰面積,計(jì)算重復(fù)性。經(jīng)過NIST數(shù)據(jù)庫檢索,10種有機(jī)酸全部完成衍生。標(biāo)準(zhǔn)樣品的色譜圖見圖6,線性關(guān)系和精密度結(jié)果見表1。

2.5 實(shí)際樣品檢測

圖7為對本研究所上空大氣顆粒物進(jìn)行24 h采集后,濾膜樣品在線衍生的全掃描色譜圖。由表2可見,通過NIST庫進(jìn)行比對,共計(jì)5大類,一共26種極性有機(jī)化合物被硅烷化衍生,包括二元酸7種、芳香酸2種、一元酸6種、醇6種、其他酸4種,檢出的組分涵蓋了大氣化學(xué)分析常見的大部分目標(biāo)物,同時(shí)NIST庫檢索表明該方法不僅適用于標(biāo)樣中的有機(jī)酸類化合物,同時(shí)適用于醇類化合物,包括多元醇類,如葡萄糖醇和山梨糖醇,分子上多達(dá)5～6個(gè)羥基,存在較大位阻,均全部順利完成衍生,使得方法適用性進(jìn)一步擴(kuò)大。

表 1 各化合物衍生后主要離子、方法的重復(fù)性、線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限Table 1 Major ions, reproducibility, linear ranges, correlation coefficients (r) and detection limits of ten organic acids after derivatization

表 2 PM2.5濾膜中檢出的有機(jī)酸和醇類化合物信息Table 2 Organic acid and alcohol informations detected in PM2.5 filter

表 2 (續(xù))Table 2 (Continued)

由圖7和表2可見,基于在線衍生裝置建立的極性有機(jī)物檢測方法可直接通過GC-MS對大氣顆粒物濾膜樣品進(jìn)行原位分析，同時(shí)獲得大氣顆粒物中多種類有機(jī)酸的含量信息。由于不同類型一次排放源產(chǎn)生差異性有機(jī)酸，因此可根據(jù)有機(jī)酸的相對豐度對其來源和貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。例如大氣顆粒物中含量較高的正十六酸(E4)和正十八酸(E7)與人類活動和生物排放密切相關(guān),在全掃描色譜圖(圖7)上直觀體現(xiàn),與段鳳魁等[15]利用傳統(tǒng)的溶劑萃取方法報(bào)道的結(jié)果一致;有機(jī)物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)形成的二次有機(jī)氣溶膠是顆粒物中二元有機(jī)脂肪酸的主要來源,如甘油酸(A2)和蘋果酸(A3)是大氣中有機(jī)物二次光氧化的主要產(chǎn)物;部分有機(jī)酸是分子標(biāo)記物,是溯源研究的有力工具,如左旋葡聚糖(C2)是含纖維素生物質(zhì)的熱解產(chǎn)物,是生物質(zhì)燃燒的典型示蹤物;葡萄糖、山梨糖醇類多羥基化合物是表層土壤的示蹤物;鄰苯二甲酸(F1)是塑料制品焚燒的指示物;而不飽和油酸(E6)可在微生物活動及烹飪排放中產(chǎn)生,亞油酸(E5)主要來自烹飪排放等[16]。本研究建立的方法可快速定量檢測大氣顆粒物或細(xì)顆粒物中的有機(jī)酸,在大氣顆粒物污染溯源和大氣化學(xué)研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

本工作設(shè)計(jì)制作了一套用于GC-MS分析極性有機(jī)物的在線衍生裝置,通過使用氣態(tài)衍生模式,在進(jìn)樣口襯管對極性化合物實(shí)現(xiàn)在線衍生,與傳統(tǒng)離線衍生方法相比具有以下優(yōu)勢：1.降低樣品需要量。常規(guī)溶劑萃取方法分析顆粒物中有機(jī)物需采用大流量采樣器,需要A4紙大小石英濾膜,而本方法僅需直徑2 cm2左右的濾膜樣品,常規(guī)顆粒物采樣器(通常為直徑47 mm濾膜)即可滿足需求；2.衍生反應(yīng)處于惰性氣體氛圍,排除了空氣中水分對衍生試劑的損耗和衍生產(chǎn)物降解風(fēng)險(xiǎn),經(jīng)濟(jì)高效；3.樣品前處理零有機(jī)試劑污染,綠色環(huán)保；4.裝置搭建簡單,實(shí)驗(yàn)操作簡便,易于在不同實(shí)驗(yàn)室間推廣。目前該裝置為手動操作模式,下一步將進(jìn)行自動化設(shè)計(jì),并與熱脫附聯(lián)用,更有利于批量大氣顆粒物中極性化合物的快速定量分析。