沉積物中16種多環(huán)芳烴單體碳同位素GC-C-IRMS測定

陸 燕，王小云，曹建平

(廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000)

多環(huán)芳烴(PAHs) 是具有致癌、致畸、致突變“三致”效應(yīng)的有機污染物，廣泛分布于人們賴以生存的土壤、大氣、水體、沉積物及生物體中。人類使用化石燃料、植物秸稈的不完全燃燒以及化學(xué)工業(yè)和溢油污染事件等都可通過地表徑流、大氣沉降、污水排放輸送到海洋中，最后匯入沉積物。

前人對沉積物中多環(huán)芳烴單體碳同位素測定方法進(jìn)行了研究[1-5]。單體穩(wěn)定碳同位素測定中要盡量減少樣品基質(zhì)帶來的干擾[6-9]，確?；衔锪己玫纳V分離及高效的CO2的轉(zhuǎn)化率，是提高測定精密度和準(zhǔn)確度的關(guān)鍵[3,10-11]。為滿足多環(huán)芳烴單體碳同位素測定，合適的單體樣品量(10 ng)需求對樣品前處理提出了更高的要求[12]。沉積物樣品基質(zhì)復(fù)雜，樣品共流出物和難分辨有機物產(chǎn)生的背景干擾大，影響測定結(jié)果。沉積物中多環(huán)芳烴單體含量較低，較高含量的烷烴類對多環(huán)芳烴測定干擾較大，必須進(jìn)行純化分離。在沉積物樣品提取、分離、測定過程中，低環(huán)、多環(huán)芳烴可能會出現(xiàn)同位素分餾現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)偏移，影響污染物源解析的結(jié)果。這些因素對沉積物多環(huán)芳烴的提取、分離、純化、測定是一個挑戰(zhàn)[13-15]。這束縛了沉積物多環(huán)芳烴單體碳同位素在源解析中的應(yīng)用。

海洋沉積環(huán)境中多環(huán)芳烴含量少、危害大。沉積物中多環(huán)芳烴的富集，會沿食物鏈進(jìn)行生物放大，從而對人類造成極大危害。本文系統(tǒng)建立了沉積物中多環(huán)芳烴單體碳同位素的測定方法，可為相關(guān)執(zhí)法部門對污染物的責(zé)任裁定及制定相關(guān)環(huán)境法規(guī)提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀Sercon 20-22型配GC-CP接口(英國Sercon)，氣相色譜儀Agilent 7890B 型(美國Agilent)，有機元素分析儀Vario EL Cube型 (德國 Elementar)，自動氮吹儀XT-NS1型(上海新拓)。碳穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)樣：IAEA-C8(δ13CV-PDB= -18.3‰±0.2‰)， EMA-P2(δ13CV-PDB= -28.19‰±0.14‰)；16種多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)采用美國AccuSt，硅膠G板由青島海洋化工廠分廠生產(chǎn)。

氣體：參考?xì)舛趸?(>99.999%)、載氣氦氣(>99.999%)、氧氣(>99.999%)和壓縮干燥空氣。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)工作液的配制

依次準(zhǔn)確稱取320 mg 16種多環(huán)芳烴單體標(biāo)準(zhǔn)，于10 mL容量瓶中，滴加二氯甲烷使其溶解，最后用二氯甲烷滴加至刻度線，搖勻，配制成32 mg/mL多環(huán)芳烴混標(biāo)溶液。吸取上述混標(biāo)溶液0.1 mL于10 mL容量瓶中，用二氯甲烷稀釋至刻度，配成320 μg/mL多環(huán)芳烴混標(biāo)工作溶液，再采用逐級稀釋法，配制160，80，40，20 μg/mL系列多環(huán)芳烴混標(biāo)工作溶液。

1.3 EA-IRMS測定條件

EA分析條件：氧化爐1 150 ℃，還原爐850 ℃；載氣氦氣流量230 mL/min，載氣氦氣總壓1 250 mbar；充氧流量35 mL/min，充氧時間90 s。

1.4 GC-C-IRMS測定條件

HP-5石英毛細(xì)管柱 (30 m×0.32 mm×0.25 μm)；全自動無分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量1 μL；汽化室溫度：300 ℃；升溫條件：初始40 ℃(保持4 min)，再以2 ℃/min升至290 ℃(保持10 min)；載氣氦氣流量1 mL/min；氧化爐溫度860 ℃。

1.5 沉積物樣品處理

(1)索氏提取。采集的沉積物樣品取適量于潔凈的培養(yǎng)皿中，于陰涼通風(fēng)區(qū)風(fēng)干，研磨，過200目篩。準(zhǔn)確稱取過篩后樣品20 g，加入經(jīng)450 ℃灼燒過的無水硫酸鈉5 g，混勻，裝入玻璃纖維濾紙筒(450 ℃灼燒)中，量取150 mL二氯甲烷于250蒸餾瓶中，再加入還原銅片，于70 ℃下索氏萃取48 h。萃取液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸餾濃縮至約30 mL，冷卻至室溫后，過無水硫酸鈉柱，收集濾液備用。

(2)薄層分離。將上述濾液用氮吹，濃縮至約0.2 mL，用玻璃毛細(xì)管點樣于硅膠G板上，以正己烷/氯仿(v/v=9/1)為展開劑進(jìn)行薄層分離，展開后薄板在紫外燈下劃定芳烴組分色帶、刮下，再用二氯甲烷洗脫、收集芳烴組分，氮吹，濃縮至約0.1 mL備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 參考?xì)釩O2的定值

稱取IAEA-C8標(biāo)準(zhǔn)品約200 μg于錫杯中，包好壓實。以鋼瓶氣體CO2作為參考?xì)猓?用EA-IRMS進(jìn)行碳同位素測定，如此重復(fù)測定10次，采用IAEA-C8標(biāo)準(zhǔn)值對CO2參考?xì)膺M(jìn)行定值，再以定值后的鋼瓶氣體CO2作為參考?xì)?，對EMA-P2標(biāo)準(zhǔn)品平行重復(fù)測定10次，測定結(jié)果見表1。由表1可知，鋼瓶氣體CO2碳同位素測定值為-38.40‰±0.11‰，其碳同位素測定值基本保持恒定，以鋼瓶氣體CO2作為參考?xì)鈱MA-P2標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行碳同位素測定值，其測定值與其標(biāo)準(zhǔn)值之間的差值小于-0.03‰(<0.2‰)[16]。

2.2 多環(huán)芳烴單體標(biāo)準(zhǔn)定值

稱取單體多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)品約60 μg于錫杯中，包好壓實。以上述定值的鋼瓶氣體CO2作為參考?xì)?，采用EA-IRMS聯(lián)用技術(shù)，測定各單體多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)的碳同位素，獲得16種單體多環(huán)芳烴碳同位素的定值，如此平行重復(fù)測定10次，測定結(jié)果見表2。結(jié)果表明，16種PAHs單體標(biāo)準(zhǔn)碳同位素10次重復(fù)測定，其偏差范圍在0.03‰～0.15‰之間(<0.2‰)。

表1 CO2參考?xì)饧癊MA-P2標(biāo)準(zhǔn)碳同位素測定結(jié)果

表2 多環(huán)芳烴單體標(biāo)準(zhǔn)碳同位素定值結(jié)果

2.3 樣品量對測定結(jié)果的影響

選取濃度320μg/mL的PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別進(jìn)樣0.5，1，1.5 μL，采用GC-C-IRMS技術(shù)測定各單體同位素，考察不同進(jìn)樣量對測定結(jié)果的影響。由圖1可知，在該濃度下進(jìn)樣1 μL，GC-C-IRMS測定的各單體碳同位素值與EA-IRMS測定值基本一致；在進(jìn)樣1.5 μL時，由于樣品中各單體輕分子量優(yōu)先進(jìn)入色譜柱，而較重分子被分餾，造成碳同位素測定結(jié)果偏負(fù)，故選擇樣品進(jìn)樣量為1 μL。

2.4 無分流時間對測定結(jié)果的影響

選取濃度320μg/mL的PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，調(diào)節(jié)無分流時間，考察不同分流時間對多環(huán)芳烴各單體碳同位素測定結(jié)果的影響。

圖1 不同進(jìn)樣量對多環(huán)芳烴單體碳同位素測定的影響

圖2 不同分流時間對多環(huán)芳烴單體碳同位素測定的影響

圖2結(jié)果表明，在進(jìn)樣體積為1 μL，無分流時間為0.75 min時，16種多環(huán)芳烴各單體碳同位素的GC-C-IRMS測定值與EA-IRMS碳同位素測定值較接近。因此確定GC-C-IRMS測定16種多環(huán)芳烴單體碳同位素的進(jìn)樣量為1μL，無分流時間為0.75 min。

2.5 GC-C-IRMS可信度

方法考察了16種PAHs 的EA-IRMS與GC-C-IRMS的單體碳同位素測定結(jié)果。由表3可見，除5、9號由于峰分離影響測試結(jié)果，偏差較大(<1.3 ‰)，其余都小于0.40 ‰，可見GC-C-IRMS測定結(jié)果可信度較高，能滿足測試要求。

2.6 薄層分離對PAHs單體同位素測定的影響

焦杏春等[2]認(rèn)為，樣品處理中的提取、濃縮、分離等前處理過程對碳同位素測定引起的分餾現(xiàn)象并不明顯，樣品峰的分離程度及其峰面積才是影響單體碳同位素值平行性的主要因素。本方法對樣品前處理中的薄層分離可能對PAHs單體碳同位素測定產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究。由圖3可知，PAHs單體碳同位素值在高效薄層分離前后各單體碳同位素值基本一致，說明采用高效薄層對樣品中多環(huán)芳烴進(jìn)行分離，對PAHs單體碳同位素測定并不會產(chǎn)生顯著的差異。

表3 GC-C-IRMS與EA-IRMS測定PAHs標(biāo)準(zhǔn)的δ13C值對照

圖3 多環(huán)芳烴單體碳同位素值在高效薄層分離前后的對照

2.7 數(shù)據(jù)校正

方法考察了不同濃度PAHs混標(biāo)在GC-C-IRMS測定中的變化，發(fā)現(xiàn)PAHs單體碳同位素在一定量的范圍內(nèi)隨其化合物量的減少而呈偏正趨勢。如圖4所示，熒蒽單體標(biāo)準(zhǔn)隨著峰面積增加，單體碳同位素值由偏正逐漸偏負(fù)，直至基本不變。在一定面積范圍內(nèi)，以EA-IRMS 測定值與GC-C-IRMS測定值的差為縱坐標(biāo)，以相應(yīng)面積為橫坐標(biāo)繪制校正曲線(圖5)，結(jié)果呈良好的相關(guān)性。表4為16種PAHs單體碳同位素測定校正曲線方程。

圖4 GC-C-IRMS測定熒蒽單體 碳同位素值隨峰面積的變化

圖5 EA-IRMS與GC-C-IRMS測定熒蒽 碳同位素差值隨面積的變化

編號化合物名稱校正方程R2峰面積范圍/10-101NPHy = 0.180x - 5.6240.9983.98～30.272ACYy = 0.279x - 3.6830.9973.87～13.963ACPy = 0.231x - 7.4250.9913.82～33.244FLRy = 0.180x - 4.7460.9975.12～25.645PHEy = 2.406x - 22.140.9962.38～9.426Anty = 0.473x - 10.740.9962.36～21.937Fluoy = 0.134x - 3.9120.9993.66～29.318PYRy = 0.482x - 7.2680.9913.73～13.029BaAy = 0.489x - 12.530.9994.00～22.4510CHRy = 0.584x - 11.550.9923.24～12.8611BbFy = 2.109x - 23.770.9992.09～7.8312BkFy = 0.183x - 6.5670.9984.79～22.3213BaPy = 0.424x - 6.8540.9933.89～16.2614InPy = 0.485x - 9.3640.9943.54～12.9215DhAy = 0.183x - 7.7160.9944.80～35.9216Bgpy = 0.230x - 10.020.9994.42～39.30

表5 沉積物中PAHs單體碳同位素測定結(jié)果

2.8 PAHs單體碳同位素的GC-C-IRMS測定

以實驗優(yōu)化獲得的PAHs單體碳同位素GC-C-IRMS測定條件，采用IAEA-C8和EMA-P2碳同位素標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的CO2鋼瓶氣為參考?xì)?，對沉積物樣品中的PAHs單體碳同位素進(jìn)行測定。測定過程中，每測定4個樣品加測一個PAHs混標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。測定結(jié)果根據(jù)其峰面積經(jīng)數(shù)據(jù)校正獲得PAHs單體碳同位素值(表 5)。

3 結(jié)論

(1)方法優(yōu)化了GC-C-IRMS測定16種PAHs單體碳同位素的儀器參數(shù)及分析條件。采用IAEA-C8標(biāo)準(zhǔn)，通過EA-IRMS測定對鋼瓶CO2氣體進(jìn)行了定值，再以定值后的CO2鋼瓶氣作為參考?xì)猓瑢MA-P2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精度試驗，測試結(jié)果δ13CPDB=-28.19‰±0.17‰，與標(biāo)準(zhǔn)值δ13CPDB=-28.19‰±0.14‰高度一致。采用EA-IRMS定值了16種PAHs單體標(biāo)準(zhǔn)碳同位素，結(jié)果表明16種PAHs單體標(biāo)準(zhǔn)平行10次測定，偏差范圍在0.03‰～0.15‰之間(<0.2‰)。

(2)比較了GC-C-IRMS測定高效薄層硅膠板分離前后PAHs單體碳同位素值，結(jié)果表明該方法樣品前處理并不會產(chǎn)生顯著的同位素分餾現(xiàn)象?？疾炝瞬煌瑵舛萈AHs混標(biāo)在GC-C-IRMS測定中的變化，發(fā)現(xiàn)PAHs單體碳同位素在一定量的范圍內(nèi)，隨化合物量的減少呈偏正趨勢，在一定范圍內(nèi)，測定峰面積與EA-IRMS 測定值與GC-C-IRMS測定值的差值呈良好的相關(guān)性，獲得了16種PAHs單體碳同位素測定校正曲線方程，R2大于0.99。

(3)建立了16種PAHs單體碳同位素的GC-C-IRMS測定方法，并對沉積物樣進(jìn)行了PAHs單體碳同位素測定，測試數(shù)據(jù)為海域沉積物中PAHs溯源提供了有力證據(jù)。