吹掃捕集—?dú)赓|(zhì)聯(lián)用測(cè)定天然水體中異戊二烯的研究

張洪海等

摘 要 建立了吹掃捕集氣質(zhì)聯(lián)用分析天然水體中痕量異戊二烯的方法，確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件：吹掃流量50 mL/min、吹掃時(shí)間15 min、毛細(xì)管分離柱類(lèi)型（RtAlumina BOND/KCl）以及程序升溫等。本方法對(duì)于測(cè)定水體中異戊二烯濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD<4%（n=6），回收率為92%～102%，檢出限為0.5 pmol/L。實(shí)驗(yàn)表明，水樣中異戊二烯濃度在60 d以?xún)?nèi)沒(méi)有發(fā)生明顯變化。利用本方法測(cè)得青島膠州灣及附近河流入海口水樣中異戊二烯的濃度在60.8～278.7 pmol/L之間，黃河口水樣濃度范圍為44.7～77.2 pmol/L，與文獻(xiàn)報(bào)道的其它近岸及河口水體中的濃度相當(dāng)，表明本方法能夠應(yīng)用于天然水體中異戊二烯濃度的準(zhǔn)確分析。

關(guān)鍵詞 異戊二烯； 吹掃捕集； 氣質(zhì)聯(lián)用； 天然水體

1 引 言

生物源和人為源釋放的非甲烷烴類(lèi)物質(zhì)（Nonmethane hydrocarbons，NMHCs）是大氣中的重要組成成分，對(duì)于對(duì)流層中的O3的濃度和二次有機(jī)氣溶膠（Second organic aerosol）的形成及氣候變化具有重要影響[1～4]。異戊二烯（Isoprene）作為NMHCs中含量最豐富、最重要的一種物質(zhì)，它不僅參與多種大氣化學(xué)反應(yīng)，影響大氣氧化平衡，而且對(duì)全球碳循環(huán)有著巨大貢獻(xiàn)[5，6]。眾所周知，大氣中的異戊二烯主要來(lái)源于陸生植物的光合成釋放[7]，但異戊二烯也普遍存在于天然水體中，主要由浮游植物的光合作用和有機(jī)物的光降解產(chǎn)生[8，9]。經(jīng)估算僅由海洋釋放到大氣的異戊二烯的年平均釋放量可達(dá)1 Tg[10，11]，可見(jiàn)海洋作為大氣異戊二烯的源對(duì)全球碳循環(huán)及氣候變化的影響也是不容忽視的。因此，開(kāi)展天然水體中異戊二烯的研究對(duì)于認(rèn)識(shí)其海氣交換通量及環(huán)境效應(yīng)具有重要意義。

由于水體中異戊二烯的濃度很低，一般在10 12～10 11 mol/L之間，最高至10 10 mol/L數(shù)量級(jí)[12]，而且其濃度明顯受到光照強(qiáng)度、界面交換和微生物活動(dòng)等因素的影響，對(duì)其分析技術(shù)及準(zhǔn)確性要求較高。目前，國(guó)外測(cè)定痕量NMHCs氣體的主要方法是使用氣相色譜（GC）進(jìn)行分離，后由氫火焰離子檢測(cè)器（FID）、電子捕獲檢測(cè)器（ECD）或質(zhì)譜檢測(cè)器（MSD）進(jìn)行檢測(cè)[6，13]。而國(guó)內(nèi)關(guān)于水體中異戊二烯的研究方法尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本研究利用吹掃捕集前處理技術(shù)，建立了氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析天然水體中異戊二烯濃度的方法。與現(xiàn)有方法相比，本方法樣品分析體積大大減少，提高了實(shí)驗(yàn)分析的效率； 此外，吹掃捕集前處理技術(shù)中引入反吹系統(tǒng)，極大地消除了樣品的殘留干擾，保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本方法操作簡(jiǎn)單，精密度好，檢出限低，并成功用于膠州灣及附近河流入海口和黃河口水體樣品中異戊二烯的含量測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 儀器與試劑

GC7890型氣相色譜儀（美國(guó)Agilent公司）； MSD5975型質(zhì)譜檢測(cè)儀（美國(guó)Agilent公司），配EI源和四級(jí)桿質(zhì)量分析器； 手動(dòng)六通閥（美國(guó)VICI公司）； RtAlumina BOND/KCl毛細(xì)管柱（30 m × 0.32 mm × 5 μm，美國(guó)RESTEK公司）； 氣提室： 玻璃圓柱體，底端加有砂芯（4#）濾板； 硬質(zhì)玻璃管（10 cm×1.5 cm， o.d.）作干燥管，經(jīng)硅烷化處理，內(nèi)填無(wú)水Mg（ClO4）2； 玻璃管（10 cm×1.5 cm， o.d.）CO2作去除管，經(jīng)硅烷化處理，內(nèi)填進(jìn)口NaOH顆粒； 捕集管： 長(zhǎng)1.5 m的1/16進(jìn)口鈍化不銹鋼管； 進(jìn)樣注射器： 50 mL（澳大利亞SGE公司）。

異戊二烯標(biāo)準(zhǔn)品（色譜純，99.9%，美國(guó)SigmaAldrich公司）； 甲醇（色譜純，99.8%，德國(guó)Merck公司）； 液氮（青島天源配氣有限公司）； 高純N2和高純He（青島合利氣體有限公司）。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

對(duì)于水體中易揮發(fā)的痕量氣體而言，無(wú)法使用GC直接進(jìn)樣測(cè)定，因此提取富集成為準(zhǔn)確測(cè)定的關(guān)鍵。本研究采用目前國(guó)際上通用的痕量氣體提取方法—吹掃捕集技術(shù)對(duì)水體中的異戊二烯進(jìn)行低溫預(yù)富集，經(jīng)熱解析后接GC分離，再進(jìn)入MSD進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。主要分析流程如下： 六通閥在捕集狀態(tài)下，將適量水樣（50～100 mL）用氣密性良好的注射器注入氣體室，高純N2鼓泡將水樣中的異戊二烯吹出，經(jīng)過(guò)裝有無(wú)水Mg（ClO4）2的干燥管和裝有固體NaOH的玻璃管進(jìn)行干燥和CO2去除，后進(jìn)入浸泡在液氮（

178 ℃）的不銹鋼捕集管進(jìn)行富集。富集一定時(shí)間后，關(guān)閉吹掃N2，將不銹鋼捕集管迅速放入沸水（100 ℃）中加熱解析，同時(shí)將六通閥切換到進(jìn)樣狀態(tài)，用高純He將解析出來(lái)的氣體組分送入GC分離后，最后MSD檢測(cè)分析。

2.3 GCMSD分析條件

配制一定濃度的異戊二烯溶液，優(yōu)化測(cè)定水體中異戊二烯的GCMSD分析條件如下： 進(jìn)樣口溫度： 150 ℃； 程序升溫： 設(shè)定起始溫度為60 ℃， 保持3 min； 以10 ℃/min升溫至120 ℃，保持1 min； 再以30 ℃/min升溫至160 ℃，保持3 min。 載氣（He）流速： 流量為1.5 mL/min，分流比10∶1； 檢測(cè)器溫度： 四級(jí)桿溫度150 ℃，離子源溫度230 ℃，EI工作電壓70 eV。

3 結(jié)果與討論

3.1 色譜柱的選擇

毛細(xì)管色譜分離柱的柱性、長(zhǎng)度和管徑等參數(shù)都是GCMSD分離的重要影響因素，因此，選擇適宜的毛細(xì)管色譜柱也是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

分別選用DB1（30 m × 0.32 mm × 0.25 μm）、DB624（60 m ×0.25mm × 1.4 μm）、RTX624（60 m × 0.32 mm × 1.8 μm）和RtAlumina BOND/KCl（30 m×0.32 mm×5 μm）4根不同的毛細(xì)管分離柱進(jìn)行柱分離對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，與其它色譜柱相比，RtAlumina BOND/KCl（30 m × 0.32 mm × 5 μm）毛細(xì)管柱不僅可以實(shí)現(xiàn)異戊二烯和其它吹掃出的氣體組分（其它NMHCs、揮發(fā)性鹵代烴VHCs等）的有效分離，而且出峰時(shí)間較短，無(wú)臨近峰干擾，峰形好。因此，本研究選用RtAlumina BOND/KCl毛細(xì)管柱作為水體中異戊二烯分析的色譜分離柱。

3.2 吹掃捕集條件

吹掃流量的選擇不僅影響捕集效率，同時(shí)也會(huì)影響分析時(shí)間。較低流速首先會(huì)影響單位時(shí)間內(nèi)的吹掃效率，導(dǎo)致分析時(shí)間的延長(zhǎng)； 但高流速又會(huì)影響樣品組分的捕集效率，甚至將大量水分吹出，除影響干燥效果外，還會(huì)影響MSD的基線(xiàn)漂移程度。因此，吹掃流量對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的前處理?xiàng)l件的優(yōu)化至關(guān)重要。在一定的吹掃時(shí)間內(nèi)，分別將364 pmol/L水溶液與吹掃速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了平行實(shí)驗(yàn)（n=5），獲得了不同吹掃速率與峰面積的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)（圖2）。從圖2可見(jiàn)，流速小于45 mL/min時(shí)，峰面積隨吹掃流速的增大而迅速增加，而且增加趨勢(shì)隨流量增大逐漸減緩； 當(dāng)流速大于50 mL/min時(shí)，峰面積幾乎不再隨流速的增加而發(fā)生改變，這說(shuō)明在此情況下水體中異戊二烯幾乎完全被吹出。綜合考慮各因素，既保證吹掃效率，又不影響干燥劑的除水效果和MSD靈敏度的情況下，選擇50 mL/min為水體中異戊二烯的最佳吹掃流量。

在一定的吹掃流速和吹掃時(shí)間內(nèi)，如果能將水體中較高濃度的異戊二烯吹出，那么較低濃度的樣品也就得以保證。因此，實(shí)驗(yàn)中配制已知濃度的異戊二烯水樣進(jìn)行吹掃時(shí)間的實(shí)驗(yàn)。在選定的最佳吹掃流量為50 mL/min條件下，對(duì)同一濃度溶液分別吹掃6， 8， 10， 12， 15， 18和20 min，并進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)（n=5），得到峰面積與吹掃時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)（圖3）。從圖3可見(jiàn)，6～12 min內(nèi)，峰面積隨著吹掃時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯增加； 12 min后，峰面積趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為水體中的異戊二烯已經(jīng)完全被吹出。為了保證水體中的異戊二烯吹出效率和實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性，本研究選擇15 min作為異戊二烯的最佳吹掃時(shí)間。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)及線(xiàn)性范圍

由于水體中異戊二烯的濃度一般在10 12～10 10 mol/L，配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度應(yīng)包含此范圍。實(shí)驗(yàn)中，以甲醇為溶劑，準(zhǔn)確配制異戊二烯一級(jí)母液，用微量注射器依次抽取0.5， 1， 2， 3， 5， 7， 10， 13和16 μL的一級(jí)母液并分別注入已吹掃過(guò)的50 mL空白海水的注射器中，并直接注入吹掃室進(jìn)行氣提分析。在測(cè)定的實(shí)驗(yàn)濃度下（3.80～304 pmol/L），峰面積與濃度呈線(xiàn)性關(guān)系，工作曲線(xiàn)為y=455.9x+12715（R2=0.999， n=9， p<0.0001）。目前，已報(bào)道的或測(cè)定的異戊二烯的濃度均在該濃度范圍以?xún)?nèi)，完全可以滿(mǎn)足水體中異戊二烯濃度測(cè)定的要求。

3.4 精密度、檢出限與回收率

分別配制27.3和109.6 pmol/L標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下平行測(cè)定6次，以測(cè)定方法的精密度，結(jié)果見(jiàn)表1。兩種不同濃度水樣測(cè)定結(jié)果的精密度分別為3.0%和3.7%，表明本方法精密度良好。

對(duì)于異戊二烯的回收實(shí)驗(yàn)，通過(guò)前處理吹掃捕集進(jìn)樣與GC柱頭直接進(jìn)樣的測(cè)量結(jié)果比對(duì)計(jì)算方法的回收率。對(duì)于已知準(zhǔn)確濃度的異戊二烯樣品，用柱頭和前處理進(jìn)樣兩種方式獲得的峰面積分別為18647和17747（n=8）， 平均回收率為95%。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，本方法對(duì)異戊二烯回收率在92%～102%之間。采用本方法得水體中異戊二烯的檢出限為0.5 pmol/L（檢測(cè)器產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)為噪聲值3倍時(shí)的量為檢出限）。

3.5 保存實(shí)驗(yàn)

由于GCMSD使用條件和環(huán)境的限制，目前還無(wú)法達(dá)到船載要求，因此水體中異戊二烯的濃度還不能滿(mǎn)足海上現(xiàn)場(chǎng)分析，如何保存水樣，對(duì)于異戊二烯含量的準(zhǔn)確測(cè)定至關(guān)重要。影響水體中異戊二烯含量變化的主要因素是微生物活動(dòng)和光照[1]，因此，避光和限制微生物活動(dòng)也就成為水樣保存成功與否的關(guān)鍵。本實(shí)驗(yàn)選用100 mL棕色窄口玻璃瓶進(jìn)行采樣，排空氣泡后加入2滴飽和HgCl2溶液，帶聚四氟乙烯襯墊的鋁蓋壓蓋密封，在4 ℃避光保存。除微生物活動(dòng)和光照影響外，保存時(shí)間對(duì)于異戊二烯的準(zhǔn)確分析也應(yīng)予以考慮。在上述保存條件下，取青島石老人海水浴場(chǎng)海水樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別于0， 1， 2， 3， 5， 7， 10， 15， 20， 30， 40， 50和60 d對(duì)采集的平行樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，樣品中異戊二烯的含量幾乎沒(méi)有明顯變化。因此，在保證實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，樣品可以加飽和HgCl2、4 ℃避光保存兩個(gè)月以上。

3.6 天然水體中異戊二烯濃度的測(cè)定

分別對(duì)2013年5月份采集的膠州灣以及附近河流入海口處的表層水樣（見(jiàn)圖4）和2013年10月采集黃河口海域的表層水樣，利用本方法對(duì)其中的異戊二烯進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。膠州灣及附近河流入海口處水體中異戊二烯的濃度在60.8～278.7 pmol/L之間，平均濃度為176.6 pmol/L，黃河口水體中異戊二烯的濃度范圍在44.7～ 77.2 pmol/L，平均濃度為57.7 pmol/L。此結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的其它近海海域及河口區(qū)中異戊二烯的濃度調(diào)查結(jié)果相接近[12，14]，卻明顯高于北太平洋海水中平均值為30 pmol/L [10]。這可能是因?yàn)樗w中異戊二烯主要來(lái)自于浮游植物的釋放和有機(jī)物的光降解[9]，而膠州灣海域及附近河流入海口和黃河口海域受人為活動(dòng)的影響嚴(yán)重，浮游植物生物量明顯高于大洋海區(qū)； 另外，由調(diào)查數(shù)據(jù)可知，膠州灣附近河流中異戊二烯的濃度（鹽度 S<10）明顯高于膠州灣及黃河口水樣中的濃度，表明陸地植物對(duì)于河流水體中異戊二烯的貢獻(xiàn)較大，通過(guò)河流輸入進(jìn)入近海，可能也是導(dǎo)致調(diào)查海域異戊二烯濃度偏高的重要原因。此分析結(jié)果也表明，近岸、河口海域雖然只占全球海域的很小一部分，但由于其異戊二烯濃度較高，對(duì)全球海洋異戊二烯的貢獻(xiàn)較大，進(jìn)而對(duì)全球或區(qū)域環(huán)境氣候變化產(chǎn)生重要影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

建立了吹掃捕集法結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)測(cè)定水體中異戊二烯的方法，用于膠州灣及附近河流入海口和黃河口表層水樣中異戊二烯的測(cè)定。本方法操作簡(jiǎn)單，進(jìn)樣體積小，靈敏度及準(zhǔn)確性高，適用于天然水體中異戊二烯濃度的分析測(cè)定。

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Abstract Gas chromatography with mass spectrum detector （GCMSD） coupled with purgeandtrap system was set up to analyze the concentration of isoprene in natural waters. The best experimental conditions were established， including purge gas flow rate （50 mL/min）， purge time （15 min）， the optimum capillary column （RtAlumina BOND/KCl） and the appropriate condition of temperature programming. When analyzing isoprene in natural waters， the precision was <4% （n=6）， the detection limit was 0.5 pmol/L and the recovery was 91%-102%. The preservative experiment showed that there was no obvious variation in sample concentrations of isoprene within 60 days. The concentrations of isoprene measured with the method ranged from 60.8 to 278.7 pmol/L in the Jiaozhou Bay and its adjacent river estuaries and from 44.7 to 77.2 pmol/L in Yellow River estuary， which was in good accord with those results reported in literatures in other coastal waters. In conclusion， the analytical method could meet the requirements of the analysis of concentration of isoprene in natural waters.

Keywords Isoprene； Purge and trap system； Gas chromatographymass spectrometry； Natural water

（Received 3 November 2014； accepted 24 December 2014）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （Nos. 41306069 and 41030858）， the Changjiang Scholars Program， Ministry of Education of China， and the Taishan Scholars Program of Shandong Province， China