城市大氣顆粒物表面半醌自由基的測定方法

鄭祥民，沈　冶，周立旻，楊海軍，陳璞皎，盧　超

1.華東師范大學資源與環(huán)境科學學院，地理信息科學教育部重點實驗室，上海 200062

2.清華大學化學系，北京 100084

隨著我國將PM2.5納入環(huán)境空氣質(zhì)量新標準，大氣顆粒物因其與人類健康的密切關(guān)系而備受關(guān)注[1]。環(huán)境毒理學研究表明，城市大氣中的自由基是心血管、衰老、腫瘤等疾病的潛在致病源[2]，而自由基的氧化損傷又是大氣顆粒物致病的重要機制[3]。有關(guān)研究認為，顆粒物表面附著穩(wěn)定的醌類/半醌類自由基[4-6]，盡管這些自由基的濃度很低，但一旦進入人體肺部便會與氧發(fā)生反應(yīng)，生成活性氧自由基(ROS)，進而產(chǎn)生一系列毒理反應(yīng)[7-10]，嚴重危害人體健康。Dellinger[4-6]等利用電子自旋共振譜儀(ESR)在PM2.5表面檢測到穩(wěn)定的半醌自由基，并發(fā)現(xiàn)這類自由基會對人體細胞DNA造成氧化損傷[4-5,11]；Yamanaka等[12]在不同燃燒途徑產(chǎn)生的顆粒中發(fā)現(xiàn)，ESR信號來自碳中心自由基的聚合物；Cho等[13]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)首次將柴油燃燒尾氣顆粒中的4種醌類自由基的濃度量化；Valavanidis等[14-15]使用高效液相色譜(HPLC)在顆粒物苯萃取液中測定了5種不同結(jié)構(gòu)的醌類自由基，并在萃取后的顆粒殘體中檢測到碳中心自由基；邵敏等[16-17]利用水楊酸浸漬膜捕集-高效液相色譜技術(shù)進行了同步的大氣HO·自由基現(xiàn)場檢測，并分析其影響因素。

由于缺乏便捷有效的檢測技術(shù)，城市大氣顆粒物中的自由基一直未能納入大氣環(huán)境監(jiān)測中。該研究嘗試將電子自旋共振波譜技術(shù)應(yīng)用于大氣顆粒物表面穩(wěn)定自由基的定性和定量檢測，為城市大氣環(huán)境中穩(wěn)定自由基的日常監(jiān)測提供了一種簡便可行的分析測試方法。

1　實驗部分

1.1樣品采集

采樣點分別設(shè)在上海市城區(qū)(華東師范大學普陀校區(qū))和郊區(qū)(華東師范大學閔行校區(qū))，如圖1所示。采用3通道大氣顆粒物采樣器進行3個粒級樣品的采集，采樣高度18 m。TSP的采樣流量控制在800 L/h，PM10和PM2.5的采樣流量控制在500 L/h，每連續(xù)10 d采集1組氣溶膠樣品。采用孔徑0.45 μm、直徑50 mm的聚四氟乙烯(PTFE)濾膜作為大氣采樣濾膜。采集的樣品稱重后立即放入-20 ℃冰箱避光保存，2個月后進行穩(wěn)定自由基的測試。

注：底圖源自長三角地圖網(wǎng)(http://www.csjmap.com/csjmap)下載的1∶10 000自然地理版上海市地圖,審圖號為滬S(2010)197號,下載日期為2011-05-20。

1.2儀器與試劑

電子自旋共振譜儀(JES FA200，X-band型)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE52B，5 L)，尼龍針頭過濾器(Agela，50 nm)。

錐形瓶，茄口瓶，毛細管，pH試紙，二氯甲烷，甲苯，正己烷，無水乙醇，去離子水，1,4-萘醌，對苯醌，鄰苯二酚，對苯二酚，碳酸氫鈉，碳酸鈉，以上試劑均為分析純試劑。

1.3樣品前處理

醌類自由基是一種脂溶性物質(zhì)，可通過有機溶劑抽提分離[18]。該研究采用索氏提取法分離萃取吸附在顆粒物表面的穩(wěn)定自由基。首先，將氣溶膠樣品剪成若干小片，放入裝有40 mL萃取劑的錐形瓶中輕微振蕩10 min，隨后，在避光環(huán)境下連續(xù)浸泡12 h。浸泡后的濾膜在移除前先用10 mL萃取劑沖洗完全，隨后使用尼龍針頭過濾器對萃取液進行過濾，濾液在氮氣流旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中緩慢蒸發(fā)15 min，干燥后的存留物溶于1 mL萃取劑。樣品處理過程中，使用空白的聚四氟乙烯濾膜作對照實驗。

1.4參數(shù)介紹

采用電子自旋共振譜儀測定顆粒物表面的穩(wěn)定自由基。ESR波譜測試參數(shù)：微波頻率9 439.791 MHz，功率6.0 mW，中心磁場337.394 mT，掃場寬度4×1 mT，掃描時間4 min，調(diào)制寬度1×0.1 mT，放大倍數(shù)4×1 000，時間常數(shù)1 s，溫度18 ℃。同時用已知單電子濃度的錳標準樣品作參比，錳標的強度設(shè)定為470。測量液體樣品時，對于極性大的溶劑，需要將樣品放在毛細管中進行測試，以避免溶劑對微波的吸收。g因子值，又稱朗德因素，能夠反映分子內(nèi)部的磁聲特性，是提供分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的重要特征參數(shù)[19]。根據(jù)樣品的不同g值可推斷其中所包含的不同種類自由基的特征信息。

1.5測試方法的建立

測試方法參考Dellinger等[4-5]的報道：將吸附有大氣顆粒物的聚四氟乙烯濾膜卷成細長條形，直接插入ESR石英玻璃測試管中進行原位測試，同時用空白的聚四氟乙烯濾膜作本底值測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ESR波譜特征表現(xiàn)為單重峰，且具有較寬的波譜帶(圖2)，所有測試樣品的g因子值均在2.106 1～2.106 5范圍內(nèi)，作本底對照的PTFE濾膜無ESR信號。原位測試雖然保證了樣品的無損,具有效率高、操作簡便、無前處理等優(yōu)點，但是由于大氣顆粒物是由眾多不同的原子或分子結(jié)合在一起的聚集體所組成的混合物，因而其粒徑范圍、形狀、相態(tài)及化學組成極其復(fù)雜，不同組分間的ESR信號很容易相互疊加或干擾，采用原位測試很難獲得具有辨識度的有效信號，故需對大氣顆粒物樣品進行前期的化學組分分離處理。

圖2　大氣顆粒物樣品的ESR圖譜

1.6萃取劑的選取

在利用ESR測定自由基的方法中，由于不同溶劑的流動速度不同，會影響到ESR測試結(jié)果，因此選擇一種合適的萃取劑至關(guān)重要。分別選取正己烷、甲苯和二氯甲烷3種有機溶劑作為萃取劑，在相同萃取條件和測試參數(shù)下研究比較ESR檢測結(jié)果。結(jié)果表明，在相同測試條件下，使用3種不同溶劑分別萃取同一大氣顆粒物樣品后的萃取液具有不同的ESR波譜性質(zhì)(見圖3～圖5)。3張圖譜的總體特征均表現(xiàn)為三重分裂，但每重分裂的精細分裂情況有很大差異。正己烷萃取液中的精細分裂最多，噪聲最大，且譜線較寬；甲苯萃取液中的分裂情況相對較好，且信噪比較高。自由基信號最清晰的是二氯甲烷萃取液，主體表現(xiàn)為清晰的三重信號峰，每重峰又裂分為3個尖細的窄峰，信噪比也相對較好。另外，結(jié)合3張ESR圖譜可以看到，3種不同萃取液檢出的電子自旋濃度(即自由基的濃度)存在較大差異，表現(xiàn)為二氯甲烷>甲苯>正己烷，說明在相同萃取條件和萃取時間下，二氯甲烷的萃取效率最高。因此，實驗采用二氯甲烷作為大氣顆粒物樣品的萃取溶劑。

圖3　大氣顆粒物樣品正己烷萃取液的ESR圖譜

圖4　大氣顆粒物樣品甲苯萃取液的ESR圖譜

圖5　大氣顆粒物樣品二氯甲烷萃取液的ESR圖譜

2　結(jié)果與討論

ESR分析數(shù)據(jù)表明，測試的大氣顆粒物樣品g值均為2.002 7～2.004 7，可以判斷信號來源于半醌類自由基。將檢測結(jié)果分別與1,4-萘醌、對苯醌、鄰苯二酚、對苯二酚(4種醌類物質(zhì)的g值均為2.003 8～2.004 0)的堿性飽和溶液ESR波譜比較發(fā)現(xiàn)，無論g值或波譜特性，顆粒物樣品的二氯甲烷萃取液檢測結(jié)果與鄰苯二酚半醌自由基的信號特征相近，均表現(xiàn)為顯著的三重信號峰。由此推斷，通過這種分析方法在上海城市大氣顆粒物表面至少可以檢測到一種鄰位半醌自由基，該結(jié)果與Pryor等[11，14-15]的檢測結(jié)果一致。通過錳標定量的方式可以估算顆粒物樣品表面半醌自由基的濃度(圖6)，結(jié)果表明，閔行采樣點TSP、PM10和PM2.5的半醌自由基平均濃度分別為5.02×105、5.54×105、9.43×105g-1，而普陀采樣點的半醌自由基濃度均值分別為2.02×105、3.50×105、7.16×105g-1，閔行采樣點的濃度分別是普陀的2.49、1.58、1.32倍。可見，閔行站位半醌自由基的濃度遠大于普陀站位，這種差異很可能與采樣點周邊的環(huán)境有關(guān)，值得深入研究。

圖6　采樣點顆粒物萃取液的ESR圖譜(加錳標)

3　結(jié)論

以二氯甲烷作為萃取溶劑，采用索氏抽提法，萃取分離了吸附在大氣顆粒物表面的穩(wěn)定半醌自由基，并利用電子自旋共振波譜技術(shù)對其進行了定性和定量檢測。研究結(jié)果表明，使用該種測定方法，在上海市大氣顆粒物表面至少可以檢測到一種鄰位半醌自由基信號。通過錳標定量的方式估算，閔行采樣點TSP、PM10和PM2.5表面半醌自由基的平均濃度分別為5.02×105、5.54×105、9.43×105g-1，而普陀采樣點的自由基濃度均值為2.02×105、3.50×105、7.16×105g-1。考慮到萃取效率很難達到100％，顆粒物表面半醌自由基的實際濃度均會高于檢出值。另外，由于缺乏大氣顆粒物表面穩(wěn)定自由基的標準樣品，因此，目前所有針對大氣顆粒物表面穩(wěn)定自由基的測定方法中都無法提供檢測方法的回收率實驗結(jié)果。

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