謝曼曼，劉美美，凌媛，孫青*

(1.國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心，北京 100037；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京 100037)

多環(huán)芳烴(PAHs)的分子組成特征(如環(huán)數(shù)分布、同分異構(gòu)體比值)與其來(lái)源相關(guān)[1-6]，但PAHs多數(shù)為半揮發(fā)性有機(jī)物，受環(huán)境介質(zhì)、光氧化、生物降解及遷移過(guò)程的影響，其分布模式或相對(duì)濃度會(huì)發(fā)生改變。PAHs的單體碳同位素比值在遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中基本保持穩(wěn)定，可作為溯源指標(biāo)[7]。

單體碳同位素比值分析技術(shù)已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于大氣顆粒物[8-11]、表土[12-14]、沉積物[14-19]等不同環(huán)境樣品中的PAHs溯源。同位素比值質(zhì)譜(IRMS)單體碳同位素分析結(jié)果受絕對(duì)進(jìn)樣量影響[20-22]，實(shí)現(xiàn)精確分析則需要石英毛細(xì)色譜柱內(nèi)的每個(gè)化合物至少含有1nmol的碳[23]，譜峰強(qiáng)度達(dá)到200mV以上[24]。因此，PAHs單體碳同位素分析各單體的絕對(duì)進(jìn)樣量需要達(dá)到10ng以上，比氣相色譜分析所需進(jìn)樣量至少要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。IRMS分析靈敏度相對(duì)較低，有必要優(yōu)化進(jìn)樣口模式及參數(shù)，提高目標(biāo)物譜峰強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)低PAHs含量的環(huán)境樣品的高精度、準(zhǔn)確分析。隨著氣相色譜-同位素比值質(zhì)譜(GC-IRMS)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和溯源等方面應(yīng)用需求的增加，多種進(jìn)樣口系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)，其中分流/不分流和冷柱頭進(jìn)樣口的樣品容量低，一般進(jìn)樣量不超過(guò)2μL[25-28]。程序升溫汽化(PTV)可以增加進(jìn)樣量，提高目標(biāo)物譜峰強(qiáng)度，還有助于消除分流/不分流熱進(jìn)樣模式中會(huì)出現(xiàn)的進(jìn)樣針內(nèi)高沸點(diǎn)目標(biāo)物歧視、襯管內(nèi)大體積蒸汽云等。PTV技術(shù)結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜或液相色譜-質(zhì)譜已成功應(yīng)用于PAHs[25,29-34]、農(nóng)藥殘留[35-41]及其他空氣中的有機(jī)污染物[42-43]的定量半定量分析。PAHs單體碳同位素分析中應(yīng)用PTV進(jìn)樣技術(shù)的報(bào)道則比較少，且多結(jié)合大體積進(jìn)樣裝置，如Mikolajczuk等[24]利用大體積(進(jìn)樣量為100μL)PTV進(jìn)樣技術(shù)將6種PAHs包括蒽、熒蒽、芘、苯并(b)熒蒽、苯并(k)熒蒽、苯并(a)芘的單體碳同位素分析檢出限降至0.07～0.3μg/mL；Blessing等[23]利用液氮冷卻裝置進(jìn)一步降低了PTV的初始溫度，進(jìn)樣量在150μL時(shí)2～5環(huán)的PAHs(包括揮發(fā)性較強(qiáng)的萘或苊)的單體碳同位素檢出限低至0.04～0.1μg/mL。大體積進(jìn)樣裝置價(jià)格相對(duì)昂貴，因此針對(duì)正常進(jìn)樣量(≤5μL)，優(yōu)化建立高精度、準(zhǔn)確的單體碳同位素分析PTV進(jìn)樣方法很有必要。

與傳統(tǒng)分流/不分流進(jìn)樣口相比，PTV進(jìn)樣口的影響參數(shù)更多。本文對(duì)比了PTV進(jìn)樣口的3種進(jìn)樣模式(恒溫不分流進(jìn)樣、PTV不分流進(jìn)樣和PTV溶劑分流)，對(duì)進(jìn)樣口多個(gè)參數(shù)(壓力梯度、傳輸溫度和時(shí)間、蒸發(fā)溫度和時(shí)間、不分流時(shí)間)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)比了增加預(yù)柱對(duì)目標(biāo)物峰形的影響。優(yōu)化后的PTV-GC-IRMS方法的準(zhǔn)確度利用較為成熟的EA-IRMS方法進(jìn)行驗(yàn)證，嘗試對(duì)GC的系統(tǒng)性同位素分餾進(jìn)行校正。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及工作條件

(1)GC-IRMS分析：PTV進(jìn)樣口-Trace 2000氣相色譜儀-GC/C III接口-MAT253質(zhì)譜儀(ThermoFisher公司)。配備的PTV進(jìn)樣口能夠?qū)崿F(xiàn)PTV分流、PTV不分流(SS)、PTV溶劑分流(SL)、恒溫(CT)分流和恒溫不分流5種進(jìn)樣模式。

工作條件為：氧化爐溫度950℃，還原爐溫度640℃；PTV進(jìn)樣口，高純氦氣作為載氣，流速2.0mL/min；DB-5MS色譜柱，柱箱程序升溫條件為：初始溫度60℃，保持5min，以4℃/min升至320℃，保持10min。

(2)EA-IRMS分析

FLASH1112元素分析儀-Conflo Ⅲ接口-MAT 253質(zhì)譜儀(ThermoFisher公司)。工作條件為：高純氦氣為載氣，Conflo-He載氣壓力100Pa，EA內(nèi)Carrier-He載氣流速90mL/min，氧氣流速180mL/min；氧化還原管溫度960℃，oven溫度50℃，注氧時(shí)間3s；氧化還原管填料由下至上分別為：50mm含銀氧化鈷、100mm銅、50mm氧化鉻，各填料之間以10mm石英棉間隔。

1.2 材料、標(biāo)準(zhǔn)溶液和主要試劑

DB-5MS色譜柱(30m×0.25mm×0.25μm,J&W公司)；錫杯(4mm×6mm,美國(guó)ThermoFisher公司)。

碳同位素工作標(biāo)準(zhǔn)：尿素(δ13C=-49.1‰)；植物表皮(δ13C=-9.0‰)；甘氨酸(δ13C=-33.3‰)。

正己烷(農(nóng)殘級(jí)，TEDIA公司)。

氦氣、二氧化碳、氧氣(純度≥99.999%,北京市北溫氣體制造廠)。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品a：EPA610逐級(jí)稀釋為6μg/mL。樣品a中含有16種PAHs組分，苯環(huán)數(shù)分布在2～5，沸點(diǎn)分布范圍較廣，可用于模擬環(huán)境樣品。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

(1)方法優(yōu)化

利用樣品a對(duì)GC-IRMS的PTV進(jìn)樣口的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括進(jìn)樣模式(恒溫不分流、PTV不分流和溶劑分流)，進(jìn)樣口壓力(30、40、60、70psi)，傳輸溫度(280℃、300℃、320℃)，傳輸時(shí)間(0.5、0.8、1.0、1.5min)，蒸發(fā)溫度(40℃、45℃、50℃、55℃)，蒸發(fā)時(shí)間(1.5、2.0、2.5、3.0min)，進(jìn)樣口不分流時(shí)間(0.8、1.0、1.5min)。每次進(jìn)樣量為5μL，每種參數(shù)條件下均連續(xù)分析3次。

(2)方法驗(yàn)證

EA-IRMS分析方法有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可以監(jiān)控、校準(zhǔn)。本文以EA-IRMS分析獲得的5種PAHs固體單標(biāo)的碳同位素值作為工作標(biāo)準(zhǔn)(樣品b)的標(biāo)準(zhǔn)值，以驗(yàn)證優(yōu)化后的PTV-GC-IRMS方法的準(zhǔn)確性。5種PAHs固體單標(biāo)各稱取5個(gè)，單個(gè)樣品的純碳量控制在60μg左右，用錫杯包好后利用EA-IRMS分析；樣品b利用優(yōu)化后的PTV-GC-IRMS方法分析，重復(fù)進(jìn)樣5次，每次進(jìn)樣量為5μL；對(duì)比PTV-GC-IRMS和EA-IRMS碳同位素分析結(jié)果。

圖2 (a)PTV不分流和(b)PTV溶劑分流模式的溫度和時(shí)間序列Fig.2 Temperature and time series of (a) PTV splitless and (b) PTV solvent split mode

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)樣模式的選擇

圖1 不分流模式下進(jìn)樣口恒溫(CT)與程序升溫(PTV)的PAHs峰強(qiáng)度對(duì)比Fig.1 Comparison of intensity of PAHs by CT and PTV splitless modes

對(duì)于低含量樣品分析，進(jìn)樣模式通常選用恒溫不分流(CT)、PTV不分流(SL)或PTV溶劑分流(SS)。在相同進(jìn)樣量情況下，對(duì)比考察了SL模式(進(jìn)樣口初始溫度45℃、蒸發(fā)溫度45℃、傳輸溫度320℃)和CT模式(進(jìn)樣口溫度300℃)的分析結(jié)果。如圖1所示，SL模式(PTV-1至PTV-3)的樣品傳輸效率明顯更高，峰強(qiáng)度提高數(shù)倍，且沸點(diǎn)越高的PAHs峰強(qiáng)度增加越明顯；CT模式(CT-1至CT-3)基本無(wú)法檢出沸點(diǎn)高于芘的PAHs。這可能是由于CT模式下樣品注入襯管后會(huì)迅速汽化形成大體積蒸汽，體積過(guò)大時(shí)部分蒸汽甚至?xí)ㄟ^(guò)Purge氣路逸出，造成譜峰強(qiáng)度降低。尤其該進(jìn)樣口的專用襯管內(nèi)徑比傳統(tǒng)的分流/不分流襯管小，更容易產(chǎn)生大體積蒸汽云。而PTV冷進(jìn)樣模式下進(jìn)樣針頭插入進(jìn)樣口時(shí)不會(huì)被明顯加熱，可以減少樣品在進(jìn)樣針內(nèi)汽化產(chǎn)生的高沸點(diǎn)目標(biāo)物歧視，有利于提高高環(huán)數(shù)PAHs的峰強(qiáng)，同時(shí)溫度逐步升高不易形成大體積蒸汽。

SL模式在樣品注入之初分流閥處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著溫度升高溶劑和目標(biāo)物組分逐步汽化后分別傳輸進(jìn)入色譜柱(圖2)。SS模式在樣品注入之初分流閥為開(kāi)啟狀態(tài)；溶劑首先汽化后大部分經(jīng)過(guò)分流氣路清除，目標(biāo)物則在襯管中富集；分流閥關(guān)閉后目標(biāo)物隨溫度升高逐步汽化并被傳輸至色譜柱(圖2)。

在進(jìn)樣口初始溫度45℃、蒸發(fā)溫度45℃、傳輸溫度320℃條件下，對(duì)比SL和SS兩種進(jìn)樣模式下16種PAHs的峰強(qiáng)和單體碳同位素分析精密度。SS模式下萘的峰強(qiáng)度大幅度降低，苊烯、苊和芴也有不同程度地降低，但沸點(diǎn)高于芴的PAHs的峰強(qiáng)度相對(duì)提高(圖3a)，這可能與溶劑和目標(biāo)物的沸點(diǎn)有關(guān)。溶劑的沸點(diǎn)要求低于目標(biāo)物組分至少150℃，否則目標(biāo)物會(huì)受到溶劑蒸發(fā)的影響[43]。正己烷溶劑的沸點(diǎn)約為69℃，萘、苊烯、苊和芴(沸點(diǎn)分別為217.9℃、265℃、279℃、294℃)分別受到不同程度的溶劑蒸發(fā)分流的影響，而沸點(diǎn)更高的組分不受溶劑蒸發(fā)影響，且在溶劑分流的聚焦作用下峰強(qiáng)提高。SL模式下，萘、苊烯、苊的譜峰相對(duì)更寬，其他PAHs組分峰寬則略小或差別不大(圖3b)?？赡苁荢L模式受到溶劑效應(yīng)影響初始譜帶展寬，而SS模式下絕大部分溶劑經(jīng)過(guò)分流口消除，溶劑效應(yīng)影響更小。重復(fù)分析三次，SS模式對(duì)低沸點(diǎn)PAHs(萘、苊烯、苊、芴、菲)單體碳同位素的分析精度比SL略差(表1)，這可能是由于SS模式下低沸點(diǎn)組分部分隨溶劑一起蒸發(fā)、分流。

在單體碳同位素分析中，SL模式下樣品傳輸效率明顯優(yōu)于CT模式；當(dāng)目標(biāo)物皆為高環(huán)數(shù)PAHs時(shí)，SS模式峰強(qiáng)更高，碳同位素分析精度不受影響(表1)；當(dāng)樣品組分沸程較寬或更關(guān)注低沸點(diǎn)組分時(shí)，SL模式更優(yōu)。

圖3 (a)PTV溶劑分流(SS)和(b)PTV不分流(SL)進(jìn)樣方式對(duì)PAHs峰強(qiáng)、峰寬的影響Fig.3 Effect of intensity and width of PAHs by (a) PTV solvent split and (b) PTV splitless modes

表1 溶劑分流和不分流進(jìn)樣模式下PAHs單體碳同位素的分析精度Table 1 Analysis precision of δ13C of PAHs by PTV solvent split and PTV splitless modes

2.2 PTV進(jìn)樣口參數(shù)的優(yōu)化

PTV進(jìn)樣口的壓力梯度、傳輸溫度和時(shí)間、蒸發(fā)時(shí)間、不分流時(shí)間等均可能影響樣品的傳輸效率，造成色譜目標(biāo)物峰強(qiáng)度改變，甚至帶來(lái)同位素分餾。壓力梯度、蒸發(fā)溫度和不分流時(shí)間等參數(shù)對(duì)溶劑和目標(biāo)物(尤其低沸點(diǎn))組分的分離度可能也產(chǎn)生影響(圖2)。

2.2.1進(jìn)樣口壓力

PTV進(jìn)樣口可以實(shí)現(xiàn)壓力梯度變化。當(dāng)初始?jí)毫?0psi、蒸發(fā)壓力40psi時(shí)，16種PAHs的峰強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于初始?jí)毫?0psi、蒸發(fā)壓力60psi時(shí)的峰強(qiáng)度，尤其沸點(diǎn)較低的萘基本無(wú)法檢出。這可能是由于初始/蒸發(fā)壓力小，載氣流速慢，溶劑在蒸發(fā)時(shí)間段更少被傳輸至色譜柱，溶劑與目標(biāo)物傳輸過(guò)程分離程度低導(dǎo)致目標(biāo)物聚焦程度降低、峰強(qiáng)降低。當(dāng)初始?jí)毫?0psi、蒸發(fā)壓力60psi時(shí)，傳輸壓力提高(70、80、90psi)對(duì)目標(biāo)物的峰強(qiáng)度普遍產(chǎn)生負(fù)面影響?？赡苁怯捎趥鬏攭毫^(guò)大導(dǎo)致樣品蒸氣堆積在色譜柱頭以致倒灌，部分從Purge氣路排出。初始?jí)毫?0psi、蒸發(fā)壓力60psi、傳輸壓力70psi時(shí)大多數(shù)PAHs峰強(qiáng)度最高(圖4a)。

2.2.2傳輸溫度和時(shí)間

樣品傳輸溫度過(guò)低不能保證樣品完全汽化，可能造成高沸點(diǎn)組分損失。對(duì)比傳輸溫度280℃、300℃和320℃，結(jié)果顯示傳輸溫度達(dá)到320℃時(shí)二苯并(a,h)蒽和苯并(g,h,i)苝可以檢出。傳輸溫度升高能夠提高目標(biāo)物(尤其高沸點(diǎn)組分)的峰強(qiáng)，這與傳統(tǒng)分流/不分流進(jìn)樣口溫度提高效果類似。

傳輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)增強(qiáng)溶劑效應(yīng)，時(shí)間過(guò)短目標(biāo)物組分可能無(wú)法完全傳輸至色譜柱頭，造成譜峰強(qiáng)度降低、碳同位素分餾。對(duì)比16種PAHs在不同傳輸時(shí)間(0.5min、0.8min、1.0min和1.5min)的峰強(qiáng)度(圖4b)。沸點(diǎn)較低的8種PAHs(萘～芘)在傳輸時(shí)間為1.0min時(shí)峰強(qiáng)度最高，單體碳同位素分析結(jié)果最穩(wěn)定(兩次分析結(jié)果差值△δ13C在0.36‰以內(nèi))，萘和苊烯的峰寬展寬約14%～18%，但單體碳同位素分析結(jié)果未受影響；傳輸時(shí)間1.5min時(shí)沸點(diǎn)較低的8種PAHs譜峰強(qiáng)度略降低，單體碳同位素分析穩(wěn)定性明顯降低(△δ13C分布在0.2‰～-1.36‰之間)，這可能是傳輸時(shí)間增加，帶來(lái)更多干擾物，基線抬升、共流出等造成碳同位素分析穩(wěn)定性下降。沸點(diǎn)較高的8種PAHs[苯并(a)蒽～苯并(g,h,i)苝]的峰強(qiáng)度在傳輸時(shí)間1.5min和1.0min時(shí)相差不大；苯并(a)芘的兩次單體碳同位素分析結(jié)果差值在傳輸時(shí)間1.5min時(shí)(△δ13C=-0.41‰)優(yōu)于1.0min時(shí)(△δ13C=-0.83‰)，但均在儀器分析誤差之內(nèi)。期望在一個(gè)分析流程中獲得16種PAHs的單體碳同位素比值或更關(guān)注低沸點(diǎn)PAHs組分時(shí)選擇傳輸時(shí)間1.0min更優(yōu)。

2.2.3蒸發(fā)溫度和時(shí)間

PTV不分流模式中溶劑和溶質(zhì)的傳輸過(guò)程不能通過(guò)物理閥門控制分開(kāi)，揮發(fā)性較強(qiáng)的組分可能部分與溶劑同時(shí)汽化、傳輸，相對(duì)較難在色譜柱頭聚焦。調(diào)整蒸發(fā)溫度和時(shí)間，可以更好地將溶劑和目標(biāo)物的傳輸過(guò)程分開(kāi)。

不同蒸發(fā)溫度(40℃、45℃、50℃、55℃)下，PAHs峰強(qiáng)度普遍在55℃時(shí)最高，僅沸點(diǎn)最低的萘在40℃時(shí)峰強(qiáng)最高(圖4c)。不受溶劑蒸發(fā)影響的組分，使用較慢溫度梯度或增加一定時(shí)間的恒溫能夠更好地控制傳輸過(guò)程，有利于溶劑和目標(biāo)物傳輸過(guò)程分開(kāi)[44]。針對(duì)PAHs沸程較寬的環(huán)境樣品時(shí)選擇55℃蒸發(fā)溫度。

對(duì)比不同蒸發(fā)恒溫時(shí)長(zhǎng)(1.5、2.0、2.5、3.0min)，沸點(diǎn)高于苯并(k)熒蒽的組分在蒸發(fā)時(shí)長(zhǎng)2.5min時(shí)峰強(qiáng)度最高，1.5min時(shí)略低；其他PAHs的譜峰強(qiáng)度普遍在1.5min時(shí)最大，2.5min次之(圖4d)。PAHs單體碳同位素分析精度在蒸發(fā)時(shí)長(zhǎng)2.5min時(shí)，分析精度最優(yōu)(SD<0.45‰，n=3)，其他蒸發(fā)時(shí)長(zhǎng)(1.5、2.0、3.0min)下分析精度分別為0.55‰、0.53‰和0.67‰(n=3)。針對(duì)16種PAHs單體碳同位素分析選擇蒸發(fā)時(shí)長(zhǎng)2.5min更優(yōu)。

圖4 PTV進(jìn)樣口參數(shù)對(duì)PAHs峰強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of PTV injector parameters on intensity of PAHs

2.2.4進(jìn)樣口不分流時(shí)間

不分流時(shí)間以進(jìn)樣口達(dá)到傳輸溫度為始、分流閥打開(kāi)為止，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)溶劑效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，時(shí)間過(guò)短可能樣品不能全部傳輸至色譜柱而引起同位素分餾。

2.3 毛細(xì)管預(yù)柱對(duì)色譜峰形的影響

不分流進(jìn)樣模式下，樣品汽化后的體積相對(duì)于分析柱內(nèi)載氣流量太大，導(dǎo)致樣品的初始譜帶展寬，既不利于譜峰基線分離，還會(huì)降低峰強(qiáng)度。在進(jìn)樣口和色譜分析柱之間增加一段1～2m的無(wú)固定相涂層的毛細(xì)管預(yù)柱可以改善峰形。對(duì)比增加預(yù)柱前后，16種PAHs的譜峰拖尾得到改善，峰強(qiáng)度明顯增加，尤其對(duì)高環(huán)PAHs這種作用十分顯著，苯并(a)芘、茚并(1,2,3-cd)芘、二苯并(a,h)蒽和苯并(g,h,i)苝的峰強(qiáng)度提高了50%～100%(圖5)。

各組分別為：1—萘；2—苊烯；3—苊；4—芴；5—菲；6—蒽；7—熒蒽；8—芘；9—苯并(a)蒽；10—；11—苯并(b)熒蒽；12—苯并(k)熒蒽；13—苯并(a)芘；14—茚并(1,2,3-cd)芘；15—二苯并(a,h)蒽；16—苯并(g,h,i)苝。圖5 增加預(yù)柱前后PAHs色譜峰Fig.5 Effect of pre-column on peak shape of PAHs

2.4 分析精度和準(zhǔn)確度

表2 優(yōu)化后的分析方法對(duì)PAHs的單體碳同位素的分析精度Table 2 Precision of δ13C of PAHs by the optimized instrument method

a—對(duì)比GC-IRMS和EA-IRMS對(duì)5種PAHs單體碳同位素分析結(jié)果；b—GC-IRMS和EA-IRMS對(duì)5種PAHs單體碳同位素分析結(jié)果差值(△δ13CEA-GC)與PAHs沸點(diǎn)的關(guān)系。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，PTV-GC-IRMS進(jìn)樣口最優(yōu)參數(shù)為不分流進(jìn)樣、進(jìn)樣口壓力40psi—60psi—70psi梯度升高、傳輸溫度320℃、傳輸時(shí)間1.0min、蒸發(fā)溫度55℃、蒸發(fā)時(shí)間2.5min、進(jìn)樣口不分流時(shí)間1.5min。進(jìn)樣口增加2m毛細(xì)管預(yù)柱能進(jìn)一步改善色譜峰峰形，5環(huán)PAHs峰強(qiáng)度最高增強(qiáng)50%～100%，對(duì)16種PAHs的單體碳同位素比值分析精度(1σ)均在0.5‰以內(nèi)，系統(tǒng)性碳同位素分餾可以采用雙標(biāo)法校正。

優(yōu)化后的方法明顯提高了PAHs的GC-IRMS色譜峰強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)低含量PAHs的高精度分析，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)可能實(shí)現(xiàn)方法的進(jìn)一步優(yōu)化。理論上優(yōu)化后的PTV-GC-IRMS方法對(duì)低含量半揮發(fā)或不揮發(fā)有機(jī)樣品(如農(nóng)藥殘留等)同樣適用，今后有必要采用多種類型的實(shí)際樣品如土壤、大氣沉降等驗(yàn)證該方法。