样品前处理过程中多环芳烃的稳定碳同位素分馏_焦杏春.pdf

2010 年 6 月 June 2010 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 29，No． 3 207 ～211 收稿日期 2009- 09- 28; 修订日期 2009- 12- 05 基金项目 国家自然科学基金资助项目 40703029 ; 国家地质实验测试中心基本科研业务费项目资助 200607CSJ16， 200607CSJ04 作者简介 焦杏春 1977 － ， 女， 河北保定市人， 副研究员， 从事环境地球化学研究。E- mail jiaoxch sohu． com。 文章编号 02545357 2010 03020705 样品前处理过程中多环芳烃的稳定碳同位素分馏 焦杏春，王广，叶传永，刘晓端，杨永亮，王晓春 国家地质实验测试中心， 中国地质科学院生态地球化学重点实验室，北京100037 摘要 利用多环芳烃标准样品连续和穿插进样相结合的方式， 检验了气相色谱 － 燃烧 － 同位素比质谱仪 GC － C － IRMS 测定多环芳烃单体碳同位素比值 δ13C 的稳定性和准确性， 观察了测定过程中色谱柱的 分离效果。结果表明， 出峰面积和分离程度是影响化合物 δ13C 平行性的主要原因。通过多次实验， 分析 了样品前处理过程中多环芳烃各个化合物稳定碳同位素的分馏情况， 包括凝胶渗透色谱 GPC 和硅胶柱 等净化过程， 以及旋转蒸发和氮气吹扫等浓缩过程。实验表明， 各前处理过程中样品内多环芳烃的稳定碳 同位素分馏均不明显， 其中硅胶柱净化过程相比 GPC 过程对样品中多环芳烃的 δ13C 影响较大， 但总体上 仍未超过未处理标样 δ13C 值的 2 倍标准偏差范围。旋转蒸发和氮吹过程对样品中多环芳烃的 δ13C 影响 程度相当， 都位于未处理标样 δ13C 值 1 倍标准偏差以内的水平。 关键词 多环芳烃; 样品前处理; 稳定碳同位素; 分馏 中图分类号 O625． 1; O628． 21文献标识码 A Stable Carbon Isotope Fractionation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons During the Sample Preparation Process JIAO Xing- chun， WANG Guang， YE Chuan- yong， LIU Xiao- duan， YANG Yong- liang， WANG Xiao- chun National Research Center for Geoanalysis，Key Laboratory of Eco- Geochemistry， Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037，China Abstract Stability and accuracy for determination of δ13C of polycyclic aromatic hydrocarbons PAHs were tested by gas chromatography- combustion- isotope ratio mass spectrometry GC- C- IRMS with continuous and intermittent injection modes． The results showed that the peak area and peak separation degree were the main factors influencing the precision of δ13C data． The fractionation of stable carbon isotopes of PAHs during the sample pretreatment processes was also tested． The cleanup process with gel permeation chromatography GPC ，silica gel column，as well as rotatory evaporation， nitrogen purge and other enrichment process brought no significant isotope fractionation of PAHs． Isotope fractionation in cleanup processes with silica gel column was little larger than with GPC，but still within two standard deviation 2σ range of the mean δ13C of PAHs from an unprocessed standard material． And the enrichment processes of rotatory evaporation and nitrogen purge produced a little isotope fractionation for all the measured δ13C of PAHs within 1σ range of the mean δ 13C from the unprocessed standard material． Key words polycyclic aromatic hydrocarbon; sample preparation; stable carbon isotope; fractionation 702 ChaoXing 由于同位素分子之间存在着物理与化学性质 的差异， 在各种地质、 化学、 生物过程中常常引起元 素的同位素丰度涨落， 造成同位素在不同化合物或 不同物相间分布不均匀的现象， 通常把这种现象称 为同位素分馏 ［1 ］。同位素分馏效应被广泛应用于 油气地球化学、 生物地球化学、 古环境恢复研究以 及环境污染治理领域 ［2 ］。在过去的十几年中， 一 些生态与环境科学的最令人瞩目的进步依赖于稳 定同位素技术的应用， 稳定同位素能够被用来解决 与环境地球化学有关的许多问题。例如， 利用多环 芳烃的分子与同位素组成特征识别大气中多环芳 烃的来源 ［3 －4 ］; 利用碳同位素分馏效应判断卤代烃 在环境中的生物降解进程和效率 ［5 ］等等。面对众 多应用领域的需求， 有效、 准确的同位素分析手段 是所有研究的基础。随着气相色谱 － 燃烧 － 同位 素比质谱 GC － C － IRMS 联用技术的成熟， 有机 物单体同位素组成分析 CSIA 的操作变得简单， 分析时间减少而且精度得到大幅度提高; 但环境中 的目标化合物通常都是微量或痕量级别， 且须最大 程度避免前处理过程中可能带来的同位素分馏效 应。因此， 有效、 可靠的样品前处理技术是 CSIA 数据准确可靠的重要保证。 本研究通过测定混合标样中 16 种多环芳烃的 同位素组成， 摸索了 GC － C － IRMS 测定多环芳烃 稳定碳同位素比值 δ13C 的适当条件; 并考察了氮 气吹扫、 旋转蒸发、 凝胶渗透色谱和柱净化等过程 中多环芳烃化合物的同位素分馏情况。 1实验部分 1． 1仪器和主要试剂 目标化合物多环芳烃单体的碳同位素比值 δ 13C 用气相色谱 GC， 美国 Thermo 公司 － 同位 素比质谱 IRMS， Delta PLUS XL， 美国 Thermo 公 司 经燃烧过程 GC Combustion Ⅲ 测定。燃烧炉 和还原炉的反应温度分别控制在 900 ℃和 630 ℃。 采用 DB － 5MS Ultra Column 30 m 0． 25 mm 0． 25 μm， J＆W Scientific 公司 分离样品中的多环 芳烃化合物， 升温程序为 60 ℃ 保持 8 min， 以 3℃ /min的速率升温至 120 ℃， 再以 4 ℃ /min 的速 率升温至 300℃， 保持 8 min， 共 65 min; 进样口温 度 280℃， 不分流进样; 载气 He， 纯度 99． 999， 载 气流量 2． 0 mL/min。NiO/CuO/Pt 氧化管使用前 在 940℃下氧化 12 h。所有化合物的 δ13C 值均是 相对于 Vienna PeeDee Belemnite 标准 δ13CVPDB 的 比值。 多环芳烃标准物质为萘、 苊烯、 苊、 芴、 菲、 蒽、 荧蒽、 芘、 苯并［ a］蒽、 艹 屈、 苯并［ b］荧蒽、 苯并［ k］ 荧蒽、 苯并［ a］ 芘、 茚并［ 123 － cd］ 芘、 二苯并［ a， h］ 蒽和苯并［ ghi］苝的混合标样 US Chem Service， PAH16 Mixture 610 。 所有试剂如正己烷、 二氯甲烷、 丙酮等均为农 残级， 购自美国 Bakker 公司。 1． 2实验设计 1． 2． 1仪器稳定性检验 连续分析 6 个以上 PAHs 标样， 计算其标准偏 差， 以检验仪器测定多环芳烃单体碳同位素比值 δ 13C 的稳定性和准确性。在实际样品测定期间， 每分析 20 个样品， 要增加一个 PAHs 标准样品， 检 查仪器测定的稳定性， 同时对色谱柱的分离效果进 行监测。 1． 2． 2净化过程 在土壤和植物样品的前处理过程中， 硅胶柱净 化过程是最重要的净化手段。另外， 为了去除植物 样品中的叶绿素等大分子干扰物质， 凝胶渗透色谱 GPC 过程也是必须添加的步骤。因此， 本研究选 择了柱净化和 GPC 这两个重要的前处理过程作为 实验， 使用多环芳烃标准样品探讨了前处理过程中 多环芳烃化合物碳同位素的分馏情况。 本研究采用 Labtech 公司的 GPC －300 型仪器 进行 样 品 的 GPC 处 理。准 备 10 mL 浓 度 为 2 μg/mL的多环芳烃混标， 用 5 mL 玻璃注射器吸 取 2 mL 样品， 缓缓注入 GPC 仪器的进样口， 扳下 三通阀， 样品开始流经凝胶色谱柱进行分离。在合 适的时间段收集得到含有 99 以上多环芳烃化合 物的组分 经验证为第 19 ～28 min， 16 种 PAHs 回 收率平均为 99． 70 ， 浓缩后上机测定。重复 3 次以确定平行结果。 使用 Li － Si 硅胶小柱 500 mg， 6 mL， 美国 Supulco 公司 对样品进行净化， 操作过程简述为 首 先用10 mL 农残级正己烷溶剂分2 次对小柱进行活 化， 待正己烷液面接近硅胶面时加入 1 mL 浓度为 2 μg/mL的 PAHs 标样， 依次用5 mL 正己烷、 5 mL正 己烷 －二氯甲烷混合溶剂 体积比 3 ∶ 2 以及 5 mL 二氯甲烷溶液淋洗小柱， 收集所有淋洗液， 浓缩后上 机测定。至少重复3 次， 取平均结果。此过程 16 种 PAHs 化合物的回收率为71 ～119。 802 第 3 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 1． 2． 3浓缩过程 浓缩过程是样品处理过程中必不可少的步骤， 样品提取完净化前， 以及样品净化完毕上机前， 都 需要浓缩至一定体积。旋转蒸发和氮气吹扫是目 前各实验室普遍使用的浓缩方法。本研究检验了 旋转蒸发和氮气吹扫对样品中多环芳烃碳同位素 比值的影响。取 1 mL 浓度为 2 μg/L 的 PAHs 标 样， 加入 99 mL 正己烷后旋转蒸发至约 1 mL， 收集 后待测。此旋转蒸发过程至少重复 3 次， 取平均结 果。取10 mL 浓度为200 ng/g 的 PAHs 标样， 在氮 气流下缓慢吹至 1 mL 左右， 收集待测。此氮气吹 扫过程至少重复 3 次， 取平均结果。 2结果与讨论 2． 1仪器稳定性检验 6 次连续进样得 到 的 稳 定 碳 同 位 素 比 值 δ 13C 列于表 1。各化合物 δ13C 值得到的相对标 准偏差 RSD， 样本标准偏差与平均值之比 位于 0． 39 ～6． 70。 表 1 PAHs 标准连续进样得到的 δ13C 值 Table 1δ13C values of PAHs standards by sequential sample injection 编 号 化合物 δ13C/‰ 进样1 进样2 进样3 进样4 进样5 进样6平均 RSD/ 1萘－26．64 －26．68 －26．59 －26．78 －27．05 －26．39 －26．69 0．75 2苊烯－22．70 －22．71 －22．72 －22．81 －22．94 －22．88 －22．79 0．39 3苊－23．90 －24．11 －24．09 －24．15 －24．42 －24．26 －24．15 0．66 4芴－27．66 －27．72 －27．45 －27．44 －27．91 －27．83 －27．67 0．63 5菲－26．29 －26．05 －25．94 －26．36 －26．45 －26．18 －26．21 0．67 6蒽－24．40 －24．61 －24．56 －24．81 －24．65 －24．65 －24．61 0．50 7荧蒽－24．79 －24．94 －24．62 －25．04 －25．23 －24．99 －24．94 0．77 8芘－26．01 －26．08 －25．92 －25．95 －26．21 －25．86 －26．00 0．44 9苯并 ［a ］蒽－27．93 －27．31 －28．20 －27．13 －27．03 －28．88 －27．75 2．37 10－28．63 －28．00 －29．01 －29．19 －28．91 －28．34 －28．68 1．42 11苯并 ［b ］荧蒽－26．71 －27．06 －28．60 －32．37 －29．76 －30．39 －29．15 6．70 12苯并 ［k ］荧蒽－26．31 －26．56 －28．40 －27．78 －26．03 －26．76 －26．97 3．11 11 12－28．81 －26．78 －28．49 －29．73 －27．61 －28．4 －28．81 3．58 13苯并 ［a ］芘－26．14 －26．61 －27．02 －27．19 －27．90 －27．17 －27．01 2．01 14 茚并 ［123 －cd ］芘 －26．71 －24．42 －26．80 －26．97 －27．31 －26．70 －26．48 3．57 15二苯并 ［a， h ］蒽－23．36 －24．76 －24．07 －24．08 －25．07 －24．16 －24．25 2．26 14 15－24．41 －24．61 －25．29 －25．36 －25．48 －24．54 －24．41 1．92 16苯并 ［ghi］苝－27．22 －27．86 －28．29 －28．78 －29．46 －28．21 －28．30 2．48 由表 1 分析结果可知， 16 种多环芳烃化合物 的δ13C测定比较稳定， 结果可靠， 不过在各化合物 之间仍有细微差别。以苯并［ a］蒽为界， 苯并［ a］ 蒽之前的化合物 萘、 苊烯、 苊、 芴、 菲、 蒽、 荧蒽和 芘 δ13C 值多次测定的平行性较好， RSD 均不超过 1; 苯并［ a］ 蒽之后的化合物 苯并［ a］蒽、 、 苯 并［ b］ 荧蒽、 苯并［ k］荧蒽、 苯并［ a］芘、 茚并［ 123 － cd］ 芘、 二苯并［ a， h］蒽和苯并［ ghi］芘 测定的 平行性则稍差， 尤其编号为 11 和 12 的一对同分异 构体化合物 苯并［b］荧蒽和苯并［k］荧蒽 ， 其 δ13C值 6 次连续测定的 RSD 为 6． 70 和 3． 11， 位居 16 种化合物之最高。究其原因， 主要是因为 这对化合物在色谱分离时出峰时间接近， 以致未完 全分开， 如图 1 所示。对比编号为 5 和 6 的一对同 分异构体化合物 菲和蒽 ， 则由于分离效果好， δ13C值测定的平行性也好。 图 1多环芳烃标准样品 GC － C － IRMS 谱图与两对同分 异构体出峰对比图 Fig． 1The GC- C- IRMS spectra of PAHs standards and details of two couple of isomers 5菲; 6蒽; 11苯并［b］ 荧蒽; 12苯并［k］荧蒽。 在处理出峰接近以致未完全分离的多环芳烃化 合物时， 有研究者建议将二者合并， 依据以下公式 δ13CAB αAδ13CA α Bδ 13C B / αA α A 1 式中， αA和 αB分别是化合物 A 和 B 的峰面积; δ13CA 和 δ13CB分别是化合物 A 和 B 的碳同位素比值 ［ 6 －7 ］。 依据公式 1 对苯并［ b］ 荧蒽和苯并［ k］ 荧蒽 以及茚并［ 123 － cd］ 芘和二苯并［ a， h］ 蒽两对化合 物进行处理后， 多次平行测定的 RSD 数据显著降 低， 详见表 1。 将各化合物测定的 RSD 值与平均出峰面积作 相关性分析， 发现两者之间存在明显的负相关关 系， 相关系数为 －0． 568 p ＜ 0． 05， 图 2A ; 当以编 号 11 12 和编号 14 15 取代上述两对同分异构 体化合物作相关性分析时， 相关性变得更加明显， 相关系数 r －0． 754 p ＜0． 01， 图2B 。说明化合 物的出峰面积越大， δ13C 值的平行性分析越好; 同 902 第 3 期焦杏春等 样品前处理过程中多环芳烃的稳定碳同位素分馏第 29 卷 ChaoXing 时， 同分异构体化合物出峰太近确实是影响其 δ13C 值测定平行性的一个因素。 图 2GC － C － IRMS 测定的多环芳烃化合物峰面积与 RSD 的相关散点图 Fig． 2The scatter figures of correlations between PAHs compound peak areas and the relative standard deviations RSD analyzed by GC- C- IRMS 穿插进样得到的 δ13C 值平行性较好， 样品间 各化合物 RSD 值位于 0． 59 ～5． 98。与多环芳 烃连续进样的 δ13C 值相同， 编号为 11 和 12 以及 编号为 14 和 15 的两对同分异构化合物 δ13C 值测 定的平行性比其他化合物稍差。经合并处理后， 平 行性得到显著改善。样品测定期间多环芳烃各化 合物的碳同位素分馏并不明显。从穿插的标样多 环芳烃 δ13C 值与连续的标样多环芳烃 δ13C 值相关 性分析可知， 二者呈显著正相关关系， 且曲线拟合 斜率接近于 1 图 3 。 图 3样品测定过程中 PAHs 的同位素分馏情况 Fig． 3The isotope fractionation of PAHs during the sample analysis process 经过以上检验， 可以得知仪器在样品测定期间相 当稳定， 测得的多环芳烃碳同位素比值可靠。 2． 2净化过程中多环芳烃的碳同位素分馏 PAHs 标样经过 GPC 后测定的 δ13C 值平行性 较好， 大部分化合物的 RSD 位于0 ～2， 只有苯并 ［ b］ 荧蒽、 茚并［ 123 － cd］ 芘和苯并［ ghi］ 苝的 RSD 值略高， 分别为 4、 7． 25 和 5． 45。同未经处 理的 PAHs 标样相比， 各化合物的 δ13C 值几乎没有 变化， 斜率接近于 1， 如图 4A 所示。 将经过硅胶柱处理过程得到的多环芳烃各化 合物 δ13C 值与未经处理的标准样品相比， 如图4B。 可以看出， 经过小柱处理后， 多环芳烃的 δ13C 值普 遍偏轻， 但总体上仍处于未处理标样 δ13C 值的2 倍 标准偏差之内。对经过硅胶柱处理的所有化合物 δ13C 值进行 －1 的校正后， 可以得到与未处理标 样的斜率接近于 1。 图 4GPC 处理过程 A 与硅胶柱处理过程 B 中 PAHs 的同位素分馏情况 Fig． 4The isotope fractionation of PAHs during the GPC process A and the silica gel column cleanup process B 综上得出， GPC 过程对样品中多环芳烃的 δ13C 值几乎不产生影响， 相对来说， 硅胶柱净化过程则 对样品中多环芳烃的 δ13C 影响较大， 但总体上仍 处于未处理标样 δ13C 值的 2 倍标准偏差之内。因 此， 这两种前处理过程在 GC － C － IRMS 的测定中 都是可以接受的。针对样品性质和杂质含量， 尽可 能选择 GPC 过程作为净化样品的优先手段。 012 第 3 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2010 年 ChaoXing 2． 3浓缩过程中多环芳烃的碳同位素分馏 经过旋转蒸发和氮气吹扫浓缩后的 PAHs 样 品， 经测定各化合物的 δ13C 值变化都不大。相关性 分析得知， 旋转蒸发和氮气吹扫后的 δ13C 值与未经 处理的 PAHs 标准样品δ13C值呈显著正相关关系， 且 斜率均接近于 1， 分别为 1． 014 和 1． 013 图 5 。因 此可以认为， 在浓缩过程中， PAHs 化合物的分馏效 应不明显， 可根据实验室条件任意选择旋转蒸发或 氮气吹扫作为浓缩手段。 图 5旋转蒸发浓缩过程 A 与氮气吹扫浓缩过程 B 中 PAHs 的同位素分馏情况 Fig． 5The isotope fractionation of PAHs during the rotatory evaporation enrichment process Aand nitrogen purge enrichment rocess B 3结语 多环芳烃标准样品连续和穿插进样相结合的 测定结果表明， 出峰面积和分离程度是影响化合物 δ13C 平行性的主要原因。对 GPC、 硅胶柱净化以及 旋转蒸发和氮气吹扫等过程的实验表明， 各前处理 过程中样品内多环芳烃的稳定碳同位素分馏均不 明显。其中， 硅胶柱净化过程相比 GPC 过程对样 品中多环芳烃的 δ13C 影响较大， 但总体上仍未超 过未处理标样 δ13C 值的 2 倍标准偏差范围。旋转 蒸发和氮气吹扫浓缩过程对样品中多环芳烃的 δ13C影响程度相当， 都位于未处理标样 δ13C 值的 1 倍标准偏差以内的水平。 4参考文献 ［ 1］郑淑惠． 稳定同位素地球化学分析［ M］ ． 北京 北京 大学出版社， 1986 309 －356． ［ 2］李中平， 李立武， 杜丽， 张明峰．同位素比率质谱仪在地球 化学中的应用 ［ J］ ．中国测试技术， 2007， 335 14 －17． ［ 3］Okuda T，Kumatab H，Zakariac M． Source identifi- cation of malaysian atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons nearby forest fires using molecular and isotopic compositions［J］ ． Atmospheric Environment， 2002， 36 611 －618． ［ 4］彭林， 白志鹏， 朱坦， 徐永昌， 李剑， 冯银厂． 应用稳定 碳同位素组成特征研究环境空气颗粒物中 PAHs 的 来源［ J］ ． 环境科学， 2004， 25 S1 17 －21． ［ 5］Hunkeler D，Aravena R，Butler B J． Monitoring micro- bial dechlorinationoftetrachloroethene PCE in groundwater using carbon isotope rationsMicrocosm andfieldstudies ［J］ ．EnvironmentScience＆ Technology， 1999， 33 2733 －2738． ［ 6］Boschker H T S，de Brouwer J F C，Cappenberg T E． The contribution of macrophyte- derived organic matter to microbial biomass in salt- marsh sediments Stable carbon isotope analysis of microbial biomarkers［J］ ． Limnol Oceanogr， 1999， 44 309 －319． ［ 7］Jones W B．Stable carbon isotopic compositions of bacterial fatty acids in a seagrass dominated system ［D］ ． MS Thesis，Texas A＆M University，College Station， 2001 54． 112 第 3 期焦杏春等 样品前处理过程中多环芳烃的稳定碳同位素分馏第 29 卷 ChaoXing