環(huán)境空氣中氣態(tài)與顆粒態(tài)左旋葡聚糖的分析方法

史乃金,郭送軍,黃緒,高博,劉明,任璐,張智勝,陶俊,陳來國(guó)

(1.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西 南寧 530004；2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境模擬與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510655；3.廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

0 引言

生物質(zhì)燃燒源是城市大氣污染的重要源之一[1-2]，識(shí)別其貢獻(xiàn)率大小是確定進(jìn)行重點(diǎn)防控的基本前提。左旋葡聚糖(Lev)具有特異性強(qiáng)、穩(wěn)定性好和釋放量大的特點(diǎn)，被廣泛用作生物質(zhì)燃燒源示蹤物[3-4]。之前研究認(rèn)為大氣環(huán)境中Lev等糖類物質(zhì)不易揮發(fā)，因而關(guān)于其研究主要集中在大氣顆粒物中。最近有研究發(fā)現(xiàn)Lev等糖類物質(zhì)是半揮發(fā)性有機(jī)物(SVOCs)[5-7]，忽略氣相中的Lev，可能低估其在大氣中的真實(shí)含量水平，并最終導(dǎo)致低估生物質(zhì)燃燒源的排放貢獻(xiàn)。近幾年國(guó)外一些學(xué)者開始對(duì)Lev等SVOCs的氣/顆粒兩相間的分布進(jìn)行了少量研究，如Xie等[7]實(shí)測(cè)出美國(guó)丹佛地區(qū)大氣氣/顆粒相中Lev的濃度比值范圍為0.02～3.04(均值為0.23)，并對(duì)氣/顆粒兩相分配進(jìn)行了模型模擬。Lev等糖類物質(zhì)的主流分析方法為有機(jī)溶劑抽提、后衍生化、再經(jīng)氣相色譜—質(zhì)譜法(GC-MS)分析[7-8]，此法檢出限低，且存在耗時(shí)長(zhǎng)、操作復(fù)雜和使用大量有機(jī)溶劑等缺點(diǎn)。因此，建立快速、環(huán)保和穩(wěn)定的Lev等糖類物質(zhì)的氣/顆粒兩相采集與分析方法，對(duì)于大氣污染物源解析具有重要意義。

Lev等糖類具有極性強(qiáng)和易溶于水的特點(diǎn)，理論上采集氣相時(shí)可直接水相吸收，目前已有文獻(xiàn)報(bào)道通過純水抽提同時(shí)采用高效陰離子交換色譜—脈沖安培檢測(cè)法(HPAEC-PAD)直接檢測(cè)顆粒相中糖類的方法[9]?；谏鲜鲈O(shè)想與前人研究基礎(chǔ)，本文擬通過對(duì)比不同的樣品采集及前處理方法，建立一種同時(shí)采集并快速分析氣/顆粒兩相中Lev等糖類物質(zhì)的方法，同時(shí)應(yīng)用建立的方法初步分析廣州夏季Lev的氣/顆粒兩相含量水平與分布特征。

1 材料與方法

① 儀器設(shè)備

中流量大氣采樣器(300 L/min，廣州銘野)，離子色譜儀(Dionex)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(Buchi)，超聲儀(寧波新芝)。

② 試劑

1,6-脫水-β-D-葡萄糖固體標(biāo)準(zhǔn)物(98 %，J&K)，Milli-Q純水(≥15.0 MΩ·cm)，Milli-Q超純水(≥18.2 MΩ·cm)，二氯甲烷、甲醇(AR，廣州化學(xué)試劑廠)。

③ 采樣材料

石英濾膜(8×10 IN，Pall)使用前在馬弗爐(450 ℃)中烘烤4 h、恒重48 h后稱量，用于顆粒相采集；聚氨酯泡沫(PUF)用熱水(≥60 ℃)、純水各洗三遍，XAD-2樹脂用純水、甲醇各洗三遍使其活化，兩者均用甲醇、二氯甲烷各抽提48 h后真空干燥，用于氣相采集。

④ 其他材料

針孔聚四氟乙烯濾膜(0.2 μm TP，Whatman)，變色硅膠，濾紙，紗布，棉繩，鑷子，玻璃器皿等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 采樣方法比選

目前鮮有報(bào)道Lev等糖類物質(zhì)的氣相采集方法，在已查閱的文獻(xiàn)中只有Xie等[7]用“三明治” (PUF+XAD-2+PUF，PXP)系統(tǒng)有效采集了氣相中包括Lev在內(nèi)的SVOCs。由于單一的PUF也被用來采集氣相中的多種SVOCs[9]，因此，本研究基于前人的研究結(jié)果和Lev的物理化學(xué)性質(zhì)共設(shè)計(jì)三種不同的氣相采集方法對(duì)比效果，分別為：①方法一：僅用PUF采集(兩塊直徑55 mm和高度20 mm圓柱形PUF重疊)，②方法二：PXP采集(在兩塊PUF中間夾5 g的XAD-2樹脂)和③方法三：用超純水直接采集(在采集顆粒相后氣流通過串連的2個(gè)裝40 mL超純水的吸收瓶，后接變色硅膠瓶防倒吸)。三種方法的顆粒相采集均用石英濾膜，采樣儀器選用中流量主動(dòng)采樣器、單個(gè)樣品采集時(shí)間為24 h，連續(xù)采集7天。

2.2 樣品前處理方法比選

已有文獻(xiàn)利用純水超聲提取顆粒相中Lev等糖類物質(zhì)[8]，而用純水直接提取氣相樣品中Lev等糖類物質(zhì)的方法未見報(bào)道?？紤]到PUF和XAD樹脂的強(qiáng)吸附能力，本實(shí)驗(yàn)參考傳統(tǒng)持久性有機(jī)污染物前處理提取方法，用純水作為提取溶劑，并用三種方法對(duì)模擬樣品(PXP基質(zhì)+0.1 mg/L Lev標(biāo)樣)提取分析，每種方法設(shè)置3個(gè)平行樣。三種前處理方法的具體步驟如下：①超聲法(Ultrasonic extraction)：樣品經(jīng)超純水超聲(60 min、2次)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、定容、過濾后上機(jī)分析；②索氏抽提法(Soxhlet extraction)：樣品經(jīng)超純水抽提(12 h)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮、定容、過濾后上機(jī)分析；③反萃取法(Back extraction)：樣品經(jīng)二氯甲烷抽提(12 h)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，用超純水潤(rùn)洗樣品瓶使Lev從有機(jī)相進(jìn)入水相，定容、過濾后上機(jī)分析。

2.3 儀器分析條件與質(zhì)量保證/質(zhì)量控制

離子色譜配有MA1分析柱(4×250 mm)，流動(dòng)相為NaOH溶液(400 mmol/L，0.4 mL/min)，進(jìn)樣體積為100 μL，儀器檢測(cè)限為2 μg/L，儀器環(huán)境溫度為25 ℃。

定量標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性均大于0.999；每測(cè)10個(gè)樣品插入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，以檢驗(yàn)儀器是否正常，并保證平行樣品之間的測(cè)量誤差小于5 %；所報(bào)道的樣品濃度已扣除實(shí)驗(yàn)空白值。

3 結(jié)果與討論

3.1 方法的建立

3.1.1 采樣方法的確定

三種采樣方法的測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)比法一和法二：當(dāng)顆粒相中Lev、總糖含量偏差(D)低于15 %時(shí)(如圖1)，法二(PXP法)吸附的氣相Lev、總糖濃度均高于法一(PUF法)(圖1)。法三受限于采樣流量過小或傳質(zhì)阻力過大，導(dǎo)致其含量低于方法檢出限且難以應(yīng)用于實(shí)際野外采樣。因此，最終選擇法二作為最優(yōu)采樣方法，即：使用300 L/min中流量主動(dòng)采樣器，顆粒相和氣相分別使用石英濾膜和PXP采集。

為了防止PXP系統(tǒng)吸附過載，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了穿透實(shí)驗(yàn)，即：兩個(gè)PXP系統(tǒng)串連，計(jì)算其穿透率(B)：

(1)

[PXP]front、[PXP]back分別為一組串聯(lián)樣品上、下PXP中Lev的濃度(ng/m3)。當(dāng)穿透率B達(dá)到或高于50 %時(shí)，說明完全穿透；當(dāng)B低于33 %時(shí)，說明單個(gè)PXP具有良好的吸附效率[10]。本次穿透實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了7組。結(jié)果顯示(表2)，7組實(shí)驗(yàn)中B值低于33 %，進(jìn)一步說明了PXP系統(tǒng)在采集氣相中的Lev時(shí)可靠性強(qiáng)，采集效率高。

(a) Particle phase

(b) Gas phase

圖1 不同采樣方法中顆粒相與氣相總糖與Lev濃度對(duì)比圖

Fig.1 Comparison of the concentration of total sugars and Lev in particulate and gas phase in different sampling methods

注：Suger(總糖)包括：左旋葡聚糖(Lev)、甘露聚糖(Man)、半乳聚糖(Gal),RSD:總糖含量偏差,N:方法二與方法一的比值

表1 七組PXP樣品的穿透實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 樣品前處理方法的確定

儀器分析結(jié)果如圖2所示。索氏抽法：Lev有明顯的干擾峰，可能由于較高的抽提溫度(約100 ℃)導(dǎo)致PXP中雜質(zhì)溶出。反萃取法：儀器響應(yīng)程度較低且有強(qiáng)的干擾峰，同時(shí)該法需使用有機(jī)溶劑，且用時(shí)較長(zhǎng)、步驟復(fù)雜。對(duì)比而言，超聲法：出峰較好，操作簡(jiǎn)單、環(huán)保并對(duì)儀器分析干擾少。因此，選擇超聲法作為樣品前處理方法。

為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲法的提取效率，本研究對(duì)PXP基質(zhì)進(jìn)行加標(biāo)回收率驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(表2)，低、中、高濃度(0.02、0.1、1.0 mg/L)加標(biāo)回收率范圍分別為119.0 %～123.0 %、103.0 %～111.0 %和95.8 %～98.9 %，平行樣品的RSD均低于5.0 %，說明超聲法提取氣相中的Lev等糖類物質(zhì)不僅有好的準(zhǔn)確度，還有好的精確度。

(a) Standard solution

(b) Ultrasonic extraction

(c) Soxhlet-extraction

(d) Back extraction

圖2 Lev標(biāo)準(zhǔn)液和三種提取方法樣品的譜圖

Fig.2 Spectrogram of Lev standard solution and three extraction methods

表2 水相超聲法各濃度水平的加標(biāo)回收率

3.2 方法的實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 廣州夏季大氣中Lev的含量

本研究應(yīng)用建立的方法，對(duì)廣州進(jìn)行實(shí)際大氣環(huán)境樣品采集分析。采樣時(shí)間為2017-07-05～2017-07-11，采樣地點(diǎn)為生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所東區(qū)樓頂(N23.8°，E113.17°)，采樣點(diǎn)距地面高約30 m。采樣避開持續(xù)降雨時(shí)期，單個(gè)樣品累計(jì)采集24 h。本次采樣共采集7組樣品，不包括現(xiàn)場(chǎng)空白(表3)。

采樣期間Lev顆粒相含量均值31.8 ng/m，低于北京[11](369 ng/m3)、上海[12](148 ng/m3)；與國(guó)外相比相當(dāng)，如美國(guó)德州[13](52.7 ng/m3)和濟(jì)州島[14](37.8 ng/m3)。其較低的含量與采樣期間廣州盛行相對(duì)清潔的東南風(fēng)及降水有關(guān)。

表3 大氣中Lev的含量水平

注：G為氣相，P為顆粒相

3.2.2 Lev氣/顆粒兩相分布特征與影響因素

氣相與顆粒相中Lev的濃度比值(G/P)和占比(表3)，表明廣州夏季大氣中顆粒相Lev含量高于氣相。廣州夏季Lev的G/P值范圍為0.11～0.32(均值為0.25)，氣相Lev占比最高可達(dá)24.2 %，這與Xie等[7]在美國(guó)丹佛地區(qū)的研究結(jié)果G/P值范圍0.02～3.04(均值為0.23)大致相當(dāng)。

SVOCs的氣/顆粒兩相分配會(huì)影響其長(zhǎng)距離遷移、干濕沉降和降解等環(huán)境行為[14-16]。本文利用氣/顆粒兩相分配系數(shù)(Kp)[17]表征Lev的氣/顆粒兩相分配特征：

(2)

式中，F(xiàn)為L(zhǎng)ev在顆粒相中的濃度(ng/m3)；A為L(zhǎng)ev在氣相中的濃度(ng/m3)；TSP為大氣中總懸浮顆粒物濃度(ng/m3)。由公式(1)計(jì)算所采樣品的Lev氣/顆粒兩相分配系數(shù)Kp值見表4。

表4 Lev氣/顆粒兩相分配系數(shù)Kp

Lev的物理化學(xué)性質(zhì)(蒸氣壓、水溶性等)、顆粒物的含量和組分和環(huán)境條件(溫度、濕度等)會(huì)影響其在氣/顆粒兩相的分配[18-19]。其中，溫度是影響Lev氣/顆粒兩相分配系數(shù)Kp的一個(gè)主要因素，Yamasaki等[19]研究表明lgKp與T的倒數(shù)之間具有相關(guān)性，公式為：

(3)

式中，m和b為常數(shù)；Kp為氣/顆粒兩相分配系數(shù)；T為環(huán)境溫度(取采樣當(dāng)天平均值)，單位K。根據(jù)公式2，本文對(duì)夏季樣品中Lev的Kp值與T的倒數(shù)進(jìn)行了分析(圖1)。由圖1可見，lgKp與1/T在夏季呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，R2為0.830(p<0.05)，進(jìn)一步證明溫度是影響大氣中Lev氣/顆粒兩相分配的主要因素之一。

圖3 Lev的lgKp與1/T線性相關(guān)性

4 結(jié)論

① 本文建立了一種同時(shí)采集分析氣/顆粒兩相中Lev等糖類物質(zhì)的方法，該法用濾膜+PXP系統(tǒng)組合分別采集顆粒相和氣相中的Lev，并使用純水超聲提取，利用HPAEC-PAD直接上機(jī)分析?？朔藗鹘y(tǒng)的GC-MS分析法需衍生化、用時(shí)較長(zhǎng)和需使用有機(jī)溶劑的缺點(diǎn)。

② 應(yīng)用建立的方法對(duì)廣州大氣進(jìn)行了實(shí)際采樣分析。結(jié)果表明，采樣期間廣州夏季大氣中Lev氣相占比最高可達(dá)24.2 %，G/P均值(0.25)與國(guó)外研究相當(dāng)。氣/顆粒相分配系數(shù)Kp可直觀表征Lev的兩相分配特征，lgKp與1/T呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，說明溫度是影響大氣中Lev氣/顆粒兩相分配的主要因素之一。

③ 本方法建立在使用大量超純水的基礎(chǔ)上。實(shí)驗(yàn)過程易受外界環(huán)境污染，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要求較高。除此之外，氣相樣品不耐儲(chǔ)存易發(fā)霉變質(zhì)需盡快處理。