Citation: WANG Jia-Ni, ZHANG Han, HONG Zhen-Yu, Xu Hui, ZHANG Xian, CHEN Jin-Sheng. Analysis of Volatile Organic Compounds by Specific Carbon Stable Isotope[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2016, 44(9): 1342-1347. doi: 10.11895/j.issn.0253-3820.160153
热脱附-单体稳定同位素技术测定挥发性有机物
English
Analysis of Volatile Organic Compounds by Specific Carbon Stable Isotope
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1. 引 言
挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)是大气重要污染物,与氮氧化物发生光化学反应,引发光化学烟雾污染,部分中间反应产物可促进二次有机气溶胶(SOA)的生成,造成城市和区域大气复合污染。目前,对VOCs源解析主要依靠受体模型法[1, 2],稳定同位素质谱技术是近年发展起来用于识别和评价环境有机污染物来源和生物转化、降解过程的新方法[3~5]。气相色谱与稳定同位素质谱通过燃烧/裂解接口联用,能够分析复杂有机物中各单体的稳定同位素组成(Compound specific stable isotope analysis,CSIA),用于明确单个目标污染物来源和在环境中降解、迁移转化过程,在分析化学领域提供了除定性和定量以外的化合物认知理念,在环境、生态学和产地溯源等领域显示出广阔的应用前景[6~9]。
热脱附技术无需全空气采样,可选择性富集大气中挥发性有机物组分,便携,成本低,是大气中VOCs标准分析方法(EPA Method TO-17,HJ644-2013)。2006年,Turner等[10]将该技术应用于VOCs单体同位素的测试,认为热脱附过程产生的同位素分馏在仪器误差范围内,是一种可靠的大气样品富集技术。近年,Turner[11, 12]和Kawashima[13, 14]研究组再次对该技术展开进一步探索,就质谱的最低信号值、吸附管过载、吸附管保存时间和测试精度等参数进行讨论,并应用于工厂燃烧排放和汽车尾气中单体δ13C和δD同位素分析,初步认定该方法可应用于VOCs污染溯源。Sang等[15]将热脱附与二维气相相连,进一步提高复杂样品的分离效果,有望对生物质燃烧颗粒物中糖类化合物进行溯源,McHugh等[16]同时考察了碳和氯同位素,尝试分辨室内VOCs来自于地下或室内源。目前,相关研究仍十分有限,特别对于痕微量浓度且组分复杂的大气VOCs,样品量和分离度对单体同位素分析结果的影响鲜有关注,而确认方法和数据的可靠性是进一步开展相关研究的基础和保障。本研究建立了热脱附富集-稳定同位素分析源及环境空气中VOCs的分析方法,探讨二级热脱附技术及热脱附采样管在不同进样量、进样方式和样品分离度等条件下对同位素分馏影响情况,并将其应用于城市源及不同功能区的挥发性有机物单体同位素分析。
2. 实验部分
2.1. 仪器与试剂
TurboMatrix ATD650热脱附仪(美国Perkin Elmer公司); Trace GC气相色谱仪、Deta V advantage稳定同位素质谱仪(美国Thermo Fisher公司); 气相色谱与稳定同位素质谱通过GC Isolink联接,DB-624色谱柱(60 m × 0.25 mm × 1.4 μm,美国Agilient公司),Tenax TA采样管(美国Perkin Elmer公司); LFS低流量空气采样器(美国Gilian公司)。
2μg/mL的14种苯系物标准物质的甲醇溶液(苯、甲苯、乙苯、间-二甲苯、对-二甲苯、邻-二甲苯、1,2,3-三甲苯、1,2,4-三甲苯、1,3,5-三甲苯、异丙苯、间-乙基甲苯、对-乙基甲苯、邻-乙基甲苯、正丙基苯,纯度96.0%~100%,AccuStandard公司); 分离度测试采用臭氧前驱物(PAMS)VOCs 混合标准气体(美国Spectra公司)57种组分,含乙烯、正丁烷、异戊烷、环戊烷、甲基环戊烷、正辛烷等。
2.2. 实验原理
在低流速条件下,使用填有Tenax TA的吸附管吸附大气中的痕微量挥发性有机物,通过热脱附仪加热吸附管,使待测物脱附,并在冷阱聚焦; 快速加热冷阱,使待测物进入气相色谱进行分离,分离后的待测物先后进入GC Isolink接口中的反应管(碳同位素测定使用燃烧管,1 mm内径的Al2O3陶瓷管,内填充NiO管、CuO和NiO线催化燃烧,待测物在1030℃高温下逐个反应生成CO2); 各组分的CO2按分离顺序先后进入稳定同位素质谱检测,实现单组份挥发性有机物的碳稳定同位素测定。
2.3. 工作条件
热脱附条件: 脱附温度: 280℃,脱附时间: 10 min,脱附流量: 50 mL/min,分流流量: 不分流,传输线温度: 200℃。冷阱初始温度: -30℃,脱附温度: 280℃,升温速率: 40℃/s,保持时间: 3 min,冷阱解析流量: 20 mL/min。
气相色谱分析条件: 载气为高纯氦,定流量模式,流量: 1.67 mL/min; 升温程序: 初始温度: 33℃,保持1 min; 以3℃/min 升至42℃,保持4 min; 以4℃/min升至60℃,以8℃/min 升至150℃,4℃/min 升至200℃,最后以20℃/min 升至230℃,保持6 min; 不分流进样。
稳定同位素质谱分析条件: 燃烧反应管工作温度: 1030℃,离子源真空: 6.9 × 10-9 Pa,发射电流: 1.5 mA,CO2参考气校准采用尿素标准物质(Urea,IVA Analysentechnike.K.,δV-PDB13C为-40.81‰)标准物质采用元素分析-稳定同位素质谱仪测量10次以上校订,测量标准偏差碳σ≤0.25‰。
空气采集条件: 为保证采样管充分吸附,采用Gilian LFS低流量空气采样器,根据不同类型样品浓度差异调整采样时间和流速。对于石油挥发源高浓度样品,以50 mL/min速度采样1 min; 对城市不同功能区大气样品,以100 mL/min速度采样30 min。
2.4. 方法的灵敏度检测
用色谱纯甲醇溶液逐级稀释14种苯系物标准物质,配制系列浓度梯度标准溶液。将吸附管在300℃老化2 h,向吸附管内注入1 μL苯系物标准样品,用氦气以200 mL/min气流吹扫10 min,以特氟龙帽密封,装入热脱附仪自动进样。考察联用方法的灵敏度。
2.5. 方法的同位素分馏检测
二级热脱附技术存在多级温度骤变,该过程可能导致一定的同位素热力学平衡分馏。TurboMatrix ATD650热脱附仪具备样品回收功能,即在一定的分流比下,完成二级热脱附过程后,部分样品进入气相色谱进行分析,而部分分流出的样品可收集在干净的吸附管中,供二次进样。利用样品回收功能,对比以下3种进样方式:(1) 无热脱附过程(液态标准样从气相色谱进样口直接注射进样); (2) 一次二级脱附(液态标样注入采样管进行一次二级脱附后进样); (3) 二次二级脱附(用新采样管回收出口分流的样品再次二级热脱附进样,即对同一样品进行两次热脱附)。研究二级脱附过程对单体稳定同位素比值可能的分馏影响及其程度。
3. 结果与讨论
3.1. 样品量对同位素分馏的影响
虽然稳定同位素质谱采用固定质量数的法拉第杯收集特定离子信号,测量精度远优于普通GC-MS,然而要达到其测试精度,至少需要1 nmol或10 ng碳左右的样品量,由于Thermo公司的Delta系列稳定同位素质谱采用Conflo装置将不同的进样装置联接质谱,每个进样装置(如GC或EA)通过Open-Split技术将样品适当分流后方进入质谱,所以针对不同的进样装置,每种进样装置所需的最低样品量(检测限)均需分别考察。将14种苯系物标样分别配制成2,6,10,20,60和100 ng/μL浓度梯度,每个梯度直接进样3次,考察不同样品量对各组分同位素分馏的影响。如图 1所示(纵坐标为各化合物在不同浓度下的稳定同位素比值),针对14种苯系物,当进样量为2 ng/μL时,同位素比值明显偏高,当样品量大于6 ng/μL时,即样品信号值达到600 mV以上时,各组分同位素比值基本稳定(苯由于附近有杂峰干扰,同位素比值变化大,暂不列入考察)。所以在分析实际样品时,各组分应至少富集至600~1000 mV,所获得的信号值才有意义。
图 1
图 1 样品量对同位素分馏的影响(1. 甲苯; 2. 乙苯; 3. 间,对-二甲苯; 4. 邻二甲苯; 5. 异丙苯; 6. 正丙苯; 7. 1,2,3-三甲苯; 8. 1,2,4-三甲苯; 9. 1,3,5-三甲苯; 10. 间-乙苯; 11. 对-乙苯; 12. 邻-乙苯)Figure 1. Influence of the inject volume on the isotopic fractionation(1. Toluene; 2. Ethybenezene; 3. m,p-Xylene; 4. o-Xylene; 5. Isopropybenzene; 6. n-Propylbenzene; 7. 1,2,3-Trimethylbenzene; 8. 1,2,4-Trimethylbenzene; 9. 1,3,5-Trimethylbenzene; 10. m-Ethytoluene; 11. p-Ethytoluene; 12. o-Ethytoluene)3.2. 进样方式对同位素分馏的影响
利用2.5节所述3种不同的进样方式考察二级热脱附过程中多级温度骤变是否造成同位素分馏。结果表明,除保留时间因样品进样过程不同,整体略有位移外,样品出峰顺序,峰强度比值均保持相对恒定。由图 2可见,Way 2和Way 3各化合物的稳定同位素比值几乎完全吻合,尽管与Way 1方式相比同位素整体略偏轻(偏轻0.1‰~0.4‰,1,2,4-三甲苯因分离度影响除外,偏轻0.8‰),但分馏幅度在仪器误差范围内,表明二级热脱附过程对样品的同位素影响甚微,可作为可靠的同位素样品富集方法。由于该分馏趋势明确,重复性高,作为方法的系统误差,可能的原因如下:因Way 2与Way 3结果完全一致,可推测二级热脱附过程并未对同位素产生影响,而与Way 1的差别在于样品由液态直接气化进入质谱,还是样品从吸附剂上解析后气化进入质谱。由于化合物在解析过程中可发生动力学非平衡分馏[17],即轻质量同位素优先完成反应,该过程或许为导致Way 2和Way 3同位素略偏轻原因。
图 2
3.3. 样品的分离度对同位素分馏的影响
研究表明,样品的分离度对各组分的稳定同位素比值有显著影响,1,2,3-三甲苯和1,2,4-三甲苯因属同分异构体,性质相似,未能在色谱柱上从基线分离(图 3),两个化合物无论在比较进样量(图 1)或进样方式(图 2),同位素比值均大幅波动,波动幅度远超出仪器误差范围。采用PAMS气体(57种组分)对多组色谱峰叠加的组分进行考察,采用峰高定义分离度,即Rh=(hI-hM)/hM,(其中,hI:相邻两峰相对较高峰的峰高,hM:相邻两峰之间的峰谷高度差,如图 3所示),比较分离度对同位素分馏产生的影响,结果如图 4所示。分离度越大,对同位素比值的影响越小。当分离度>2.5时,同位素分馏值<0.25‰,在仪器允许误差范围; 当峰高分离度<2.5时,同位素分馏值在0.5‰~2.5‰之间,超出仪器测量精度范围,表明两组化合物相互干扰,信号值不可信。
图 3
图 4
3.4. 不同源大气样品的测定
采集城市典型污染源,如汽油车尾气、汽油挥发、柴油车尾气、柴油挥发、溶剂挥发和餐饮油烟,以热脱附-气相色谱-稳定同位素质谱联用法分析污染源气体中挥发性有机物单体碳同位素,结果如表 1所示。在所有采集样品中,可检出苯、甲苯、乙苯、间,对-二甲苯和邻-二甲苯5种共同的苯系物。从表 1可知,不同污染源中苯系物的稳定碳同位素组成存在差异,单纯加油站内汽油挥发较机动车燃烧后汽油尾气中的苯系物δ13C值整体贫化,而97#汽油与93#汽油的δ13C亦显著不同,97#汽油挥发与尾气均较93#汽油的同位素组成偏重,可能为生产工艺不同带来的同位素分馏; 而柴油挥发或柴油车尾气则未发现规律性差异,餐饮油烟的δ13C值较为贫化,平均值达到-30.26‰。
表 1
表 1 污染源主要共同污染物单体稳定同位素组成特征Table 1. Composition characteristics of stable isotope of different sources同位素比值δ13C(‰) 苯Benezene 甲苯Toluene 乙苯Ethybenezene 间,对-二甲苯m,p-Xylene 邻-二甲苯o-Xylene 平均Average 汽油挥发Volatile gasoline 93# -27.97 -29.45 -30.92 -32.79 -29.55 -30.14 97# -30.48 -27.92 -27.62 -27.88 -26.67 -28.11 汽油车尾气Vehicle exhaust 93# -23.85 -27.90 -27.42 -32.84 -27.66 -27.93 97# -22.88 -26.97 -25.47 -28.88 -24.98 -25.84 柴油挥发 Volatile diesel -25.97 -26.44 -26.47 -28.65 -23.70 -26.25 柴油尾气 Diesel exhaust -25.40 -23.92 -26.02 -32.91 -25.38 -26.73 溶剂挥发 Solvent evaporation -25.06 -28.45 -29.27 -30.80 -29.21 -28.56 餐饮油烟 Dining fumes -25.52 -29.13 -31.74 -34.76 -30.14 -30.26 3.5. 不同功能区大气中苯系物的稳定同位素组成特征
针对污染源共同的组分苯、甲苯、乙苯、间,对-二甲苯和邻-二甲苯5种组分进行单体稳定同位素质谱分析,根据不同污染物中苯系物δ13C的差异可以判别污染物的来源。采集厦门市背景区(后溪坂头水库)、居民区(洪文瑞景小学)、开发区(集美新城)、交通区(莲坂商业区)、港口区(海天码头)和工业区(海沧新阳工业区)大气环境样品进行分析。从表 2可知,厦门市各功能区5种挥发性有机物的δ13C平均范围在-27.03‰~-25.40‰之间,接近于汽油和柴油挥发及尾气中的δ13C(图 5),说明交通源对各功能区的VOCs的贡献较高。机动车污染是调查期间厦门市大气污染的主要来源,在制定改善空气质量的决策时应加强机动车污染物排放的控制。
表 2
表 2 不同功能区大气中VOCs的稳定同位素组成特征Table 2. Composition characteristics of stable isotope in different functional zones同位素比值(‰)δ13C(‰) 苯Benzene 甲苯Toluene 乙苯Ethybenzene 间,对-二甲苯m,p-Xylene 邻-二甲苯o-Xylene 平均Average 背景区 Background -24.40 -27.59 -27.57 -25.83 -27.49 -26.58 居民区 Residential zone -26.03 -24.46 -27.50 -28.75 -28.42 -27.03 开发区 Development zone -25.01 -24.95 -25.42 -25.50 -26.10 -25.40 交通区 Traffic zone -23.70 -26.57 -27.77 -25.80 -28.54 -26.48 港口区 Port zone -24.73 -25.79 -26.79 -25.53 -27.84 -26.14 工业区 Industrial zone -25.58 -24.53 -26.03 -28.73 -26.55 -26.28 图 5
4. 结 论
以热脱附与稳定同位素质谱相结合的检测方法分析测定了不同源及大气环境中挥发性有机物的排放特征。不同污染源中挥发性有机物的稳定碳同位素δ13C值不同,97#汽油车尾气的δ13C值偏重,平均值为-25.84‰; 餐饮油烟的δ13C值偏轻,平均值为-30.26‰。油品挥发比燃烧后以尾气的形式排放的苯系物δ13C值偏重。厦门市各功能区挥发性有机物的δ13C平均范围在-27.03‰~-25.40‰之间,接近于汽油和柴油挥发及尾气中的δ13C,说明厦门市空气中挥发性有机物以机动车排放源为主。
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Figure 1 Influence of the inject volume on the isotopic fractionation(1. Toluene; 2. Ethybenezene; 3. m,p-Xylene; 4. o-Xylene; 5. Isopropybenzene; 6. n-Propylbenzene; 7. 1,2,3-Trimethylbenzene; 8. 1,2,4-Trimethylbenzene; 9. 1,3,5-Trimethylbenzene; 10. m-Ethytoluene; 11. p-Ethytoluene; 12. o-Ethytoluene)
Figure 2 Influence of the inject ways on the isotopic fractionation
1. 甲苯; 2. 乙苯; 3. 间、对-二甲苯; 4. 邻二甲苯; 5. 异丙苯; 6. 正丙苯; 7. 1,2,3-三甲苯; 8. 1,2,4-三甲苯; 9. 1,3,5-三甲苯; 10. 间-乙苯; 11. 对-乙苯; 12. 邻-乙苯。
1. Toluene; 2. Ethybenezene; 3. m,p-Xylene; 4. o-Xylene; 5.Isopropybenzene; 6. n-Propylbenzene; 7. 1,2,3-Trimethylbenzene; 8. 1,2,4-Trimethylbenzene; 9. 1,3,5-Trimethylbenzene; 10. m-Ethytoluene; 11. p-Ethytoluene; 12. o-Ethytoluene.
Table 1. Composition characteristics of stable isotope of different sources
同位素比值δ13C(‰) 苯Benezene 甲苯Toluene 乙苯Ethybenezene 间,对-二甲苯m,p-Xylene 邻-二甲苯o-Xylene 平均Average 汽油挥发Volatile gasoline 93# -27.97 -29.45 -30.92 -32.79 -29.55 -30.14 97# -30.48 -27.92 -27.62 -27.88 -26.67 -28.11 汽油车尾气Vehicle exhaust 93# -23.85 -27.90 -27.42 -32.84 -27.66 -27.93 97# -22.88 -26.97 -25.47 -28.88 -24.98 -25.84 柴油挥发 Volatile diesel -25.97 -26.44 -26.47 -28.65 -23.70 -26.25 柴油尾气 Diesel exhaust -25.40 -23.92 -26.02 -32.91 -25.38 -26.73 溶剂挥发 Solvent evaporation -25.06 -28.45 -29.27 -30.80 -29.21 -28.56 餐饮油烟 Dining fumes -25.52 -29.13 -31.74 -34.76 -30.14 -30.26 Table 2. Composition characteristics of stable isotope in different functional zones
同位素比值(‰)δ13C(‰) 苯Benzene 甲苯Toluene 乙苯Ethybenzene 间,对-二甲苯m,p-Xylene 邻-二甲苯o-Xylene 平均Average 背景区 Background -24.40 -27.59 -27.57 -25.83 -27.49 -26.58 居民区 Residential zone -26.03 -24.46 -27.50 -28.75 -28.42 -27.03 开发区 Development zone -25.01 -24.95 -25.42 -25.50 -26.10 -25.40 交通区 Traffic zone -23.70 -26.57 -27.77 -25.80 -28.54 -26.48 港口区 Port zone -24.73 -25.79 -26.79 -25.53 -27.84 -26.14 工业区 Industrial zone -25.58 -24.53 -26.03 -28.73 -26.55 -26.28 -
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