刀 谞，王 超，呂怡兵，齊煒紅

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

高效陰離子交換色譜脈沖安培檢測法測大氣顆粒物(PM25、PM10)中10種糖醇類物質(zhì)

刀 谞1，王 超1，呂怡兵1，齊煒紅2

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

2.邯鄲市環(huán)境監(jiān)測站，河北 邯鄲 056000

建立了大氣顆粒物(PM2.5、PM10)中10種糖醇類物質(zhì)的離子色譜檢測法。建立了大氣顆粒物(PM2.5、PM10)中丙三醇、赤蘚糖醇、木糖醇、左旋葡聚糖、山梨醇、甘露聚糖、海藻糖、甘露醇、半乳聚糖、葡萄糖的高效陰離子交換色譜(HPAEC)與脈沖安培檢測器(PAD)聯(lián)用技術(shù)(HPAEC-PAD)的快速檢測法。樣品采用2 mg/L疊氮化鈉溶液60 min振蕩提取，經(jīng)濃度為250 mmoL/L，流速為0.40 mL/min的氫氧化鈉淋洗液洗脫30 min后，濃度逐步增加，60 min時達(dá)到500 mmol/L，10種物質(zhì)被完全洗脫。該方法線性良好，線性回歸系數(shù)大于0.999，實際樣品測試加標(biāo)回收率為84%～115%，精密度為0.5%～8.2%，對北京市2016年1月采暖季的大氣顆粒物樣品(PM2.5、PM10)進行檢測，其中左旋葡聚糖質(zhì)量濃度最高，分別為(113±124)ng/m3,(118±100)ng/m3,其他9種物質(zhì)均有檢出。

高效陰離子交換色譜脈沖安培檢測；生物質(zhì)燃燒；脫水聚糖

生物質(zhì)燃燒是環(huán)境空氣污染的一個重要來源，研究表明在北京地區(qū)生物質(zhì)燃燒對PM2.5的貢獻(xiàn)最高可達(dá)44%[1]。生物質(zhì)燃燒產(chǎn)物影響大氣能見度、光化學(xué)鏈反應(yīng)平衡，促進更多的二氧化碳及有機物形成[2]。糖醇類物質(zhì)被認(rèn)為是該類來源的一類重要指示物質(zhì)，在污染源識別和利用受體模型進行源解析中起著關(guān)鍵作用[3-5]。目前對糖醇類物質(zhì)的測定分析主要集中在少數(shù)幾種物質(zhì)(如僅檢測左旋葡聚糖[6-7]、半乳聚糖、甘露聚糖3種物質(zhì)[8-9])。然而，環(huán)境空氣中糖醇類物質(zhì)種類豐富，除了通常所關(guān)注的3種，還有丙三醇、赤蘚醇、海藻糖等。糖類化合物質(zhì)量占大陸性氣溶膠質(zhì)量的13%～26%，占海洋性氣溶膠質(zhì)量最高能達(dá)到63%[10]。對其組成情況進行研究，不斷深入了解大氣組分意義重大[11-12]。開發(fā)能夠同時檢測多種糖類物質(zhì)的方法，以便為大氣組分分析工作提供技術(shù)支撐。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)是檢測大氣顆粒物中脫水糖類有機示蹤物的常用手段，但該法需要對樣品進行衍生化前處理，過程繁瑣，大量有毒有害試劑的使用對實驗人員的身體健康不利。根據(jù)糖及糖醇類物質(zhì)的強極性、易溶于水、揮發(fā)性低等特點，高效陰離子交換色譜(HPAEC)與脈沖安培檢測器(PAD)聯(lián)用法(HPAEC-PAD)避免了樣品的前處理和衍生化反應(yīng)[13]，且靈敏度高、操作簡單，是非常有前景的分析方式。但是國內(nèi)在環(huán)境樣品檢測領(lǐng)域?qū)ζ溥\用較少，且在糖醇類物質(zhì)測定中仍然存在儀器靈敏度對pH依賴較強、重現(xiàn)性不理想、復(fù)雜基體中的干擾問題較大[14-15]、常用的超聲提取法由于超聲時間過長容易導(dǎo)致溶液溫度升高對待測物質(zhì)回收率造成影響、缺乏完整的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制體系等問題亟待解決[16]。

研究擴充了檢測物質(zhì)的種類，開發(fā)了大氣顆粒物中10種主要糖醇類物質(zhì)的HPAEC-PAD檢測方法，從采樣、前處理、樣品凈化保存、干擾與影響、儀器條件等方面進行了系統(tǒng)的優(yōu)化研究，創(chuàng)新性地建立了疊氮化鈉溶液振蕩提取，RP凈化柱凈化待測溶液，梯度淋洗的技術(shù)，該方法在干擾消除等方面表現(xiàn)突出，具有重現(xiàn)性好、準(zhǔn)確度高、具備完整的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制措施等特點，可為大氣污染來源解析提供有力的技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1儀器和試劑

TH-16A四通道大氣顆粒物采樣儀(中國)；IC-5000離子色譜儀(美國)，分離系統(tǒng)采用的是Dionex Carbopac MA1 分析柱(4×250 mm)和Dionex Carbopac MA1保護柱(4×50 mm)，脈沖安培檢測器，金電極，Ag/AgCl參比電極，脈沖安培的波形為四電位,柱溫為30 ℃；定量環(huán)為100 μL；Yamato 2210超聲儀(日本)；振蕩搖床；Milli-Q超純水系統(tǒng)(美國)；15 mL離心管(PTFE材質(zhì))；PTFE材質(zhì)的水相微孔濾膜，0.22 μm；RP凈化小柱(Dionex On Guard II RP)。

淋洗液為濃度為50%的NaOH溶液；標(biāo)準(zhǔn)樣品及實際樣品稀釋液：疊氮化鈉(2 mg/L)，優(yōu)級純(中國)；超純水，電阻率≥18.2 MΩ·cm。10種糖、糖醇標(biāo)準(zhǔn)品包括丙三醇、赤鮮醇、木糖醇、左旋葡聚糖、山梨醇、海藻糖、半乳聚糖、甘露聚糖、甘露醇、葡萄糖(標(biāo)準(zhǔn)品，美國)。

1.2標(biāo)準(zhǔn)溶液和流動相的配制

標(biāo)準(zhǔn)溶液：將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用疊氮化鈉(2 mg/L)水溶液溶解并稀釋至質(zhì)量濃度為10 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備液，保存于4 ℃冰箱冷藏室中。待測時，取適量標(biāo)準(zhǔn)儲備液使用疊氮化鈉(2 mg/L)溶解稀釋至50、100、300、500、800、1 000、2 000 ng/mL。標(biāo)準(zhǔn)儲備穩(wěn)定期1個月，標(biāo)準(zhǔn)使用液需現(xiàn)用現(xiàn)配。

流動相：將52 mL飽和氫氧化鈉溶液使用超純水稀釋至1 L，NaOH濃度為1 mol/L，流動相A為純水，B為1 mol/L的NaOH(淋洗液瓶沖氮氣以防止氫氧化鈉溶液吸收空氣中的CO2)。

1.3樣品采集及前處理

大氣顆粒物的采集：PM2.5及PM10樣品采集均為流量100 mL/min，采集時間為23 h。PM10切割器：Da50=(10 ± 0.5)μm；捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)差為σg=(1.5 ± 0.5)μm。PM2.5切割器：Da50=(2.5±0.5)μm；捕集效率的幾何標(biāo)準(zhǔn)差為σg=(1.2 ± 0.1)μm。流量誤差≤ 2 %。采樣濾膜為適于有機物采樣的石英濾膜(Pall，90 mm)。

樣品前處理：將濾膜放入15 mL PTFE材質(zhì)的離心管中，加入10 mL濃度為2 mg/L的疊氮化鈉水溶液振蕩60 min，處理后的樣品使用0.22 μm微孔尼龍濾膜過濾，再過RP小柱凈化后待測。

2 結(jié)果與討論

2.1儀器方法的建立

2.1.1 色譜柱及流動相的選擇

色譜柱選擇：研究對比了可以用于糖類物質(zhì)分離的5種離子分離柱，分別為MA1、PA1、PA10、PA20、PA100，其中MA1對于糖類及糖醇類、醇類的分離較好，PA1可以測定較多的糖類物質(zhì)但是專屬性較差，PA10僅對于單糖的分離效果較好，PA20對單糖及低聚糖分離效果較好，PA100對于聚合度較大的糖類的分離效果較好，因此，對于包括單糖、聚糖、糖醇及醇類目標(biāo)物均要測定的樣品來說，MA1滿足要求，研究選擇MA1作為分析用色譜柱。

流動相選擇：MA1分離柱承受壓力上限為2 000 psi，當(dāng)流動相流速大于0.5 mL/min則容易導(dǎo)致壓力超上限，并且流速較大時影響山梨醇、甘露聚糖及海藻糖的分離度，因此最終選擇流速為0.4 mL/min。氫氧化鈉淋洗液濃度的選擇：方法采用梯度淋洗，首先在250 mmol/L濃度下淋洗30 min，隨后濃度逐步升高，在60 min時達(dá)到500 mmol/L，以確保樣品中的其他組分完全洗脫，75 min后濃度變?yōu)?50 mmol/L，平衡10 min，確保下一次進樣的穩(wěn)定。完成整個樣品分析過程共計85 min，10種目標(biāo)物實現(xiàn)較好的分離，并且確保了實際樣品中的其他有保留能力的物質(zhì)從色譜柱上洗脫完全，不影響下一個樣品測試。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

配制濃度為50、100、300、500、800、1 000、2 000 ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液進行測試，得到10種目標(biāo)物的相關(guān)性方程，相關(guān)系數(shù)(r)均大于0.999，線性較好，見表1。不同濃度的色譜圖見圖1。

表1 10種糖醇類物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線Table 1 Standard curve of 10 kinds of polysaccharides

1.丙三醇；2.赤蘚糖醇；3.木糖醇；4.左旋葡聚糖；5.山梨醇； 6.甘露聚糖；7.海藻糖；8.甘露醇；9.半乳聚糖；10.葡萄糖。圖1 標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖(50～2 000 ng/mL)Fig.1 Standard solution chromatogram (50～2 000 ng/mL)

2.1.3 方法檢出限

配制較低濃度(與檢出限同一數(shù)量級)的10種糖醇類物質(zhì)的混合標(biāo)準(zhǔn)濾膜，按照樣品分析的步驟，重復(fù)n(≥ 7)次空白實驗，將各測定結(jié)果換算為樣品中的濃度，計算n次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，按公式(1)計算方法檢出限。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

式中：MDL為方法檢出限；n為樣品的平行測定次數(shù)；t為自由度n-1、置信度為99%時的t分布(單側(cè))；S為n次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。其中n為7，置信度為99 %，t(n-1,0.99)為3.143。

研究對樣品提取液濃度為10 ng/mL的樣品進行7次測定，計算標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)130 m3采樣量，得到方法檢出限及方法定量下限(結(jié)果見表2)。

表2 10種糖醇類物質(zhì)的檢出限及定量限Table 2 Detection limits (LODs) and quantification limits (LOQs) of 10 kinds of polysaccharides

依照該方法，中流量采樣(采樣流量為100 mL/min)，采集23 h，采樣量約為130 m3時，10種物質(zhì)檢出限為0.01～0.04 ng/m3，優(yōu)于衍生化GC-MS分析方法的檢出限(3.5、0.8 ng/m3)[16]。

2.2不同樣品前處理方法的比較

2.2.1 超聲提取與振蕩提取的比較

超聲提取是水溶性物質(zhì)的常用提取方式，在以往的糖醇類物質(zhì)提取中均選擇了超聲的方法，但超聲提取隨著超聲時間的增長，水溫升高，對物質(zhì)穩(wěn)定性不利，而振蕩提取則有效避免了該缺點。2個實際樣品均進行了2種提取方法的處理，測定樣品濃度，結(jié)果見表3，震蕩效果優(yōu)于超聲。

表3 超聲提取與振蕩提取的比對Table 3 Extraction ratio comparison ofultrasonication and oscillation ng/mL

對比了不同振蕩時間對測定結(jié)果的影響，對3個實際樣品進行了30、60、90 min的振蕩，測定結(jié)果見圖2，60 min時樣品提取效率最高。

圖2 不同振蕩時間下的樣品測定值Fig.2 Recovery in different oscillation time

2.2.2 對提取樣品的凈化

對于重污染天氣下采集的樣品，經(jīng)振蕩提取后的溶液一般含有大顆粒物、脂肪、色度等雜質(zhì)，通過以下2級凈化可以有效去除雜質(zhì)。

1級凈化：通過0.22 μm的濾膜，可以去掉大顆粒物質(zhì)。實驗發(fā)現(xiàn)，水相過濾頭中會引入較高濃度的丙三醇，對比了不同材質(zhì)的濾頭，PTFE材質(zhì)濾頭空白值較低，但仍然有部分產(chǎn)品批次有檢出，可以通過純水多次沖洗將濾器的丙三醇本底值降低到檢出限以下。

2級凈化：通過1級凈化的試液，已經(jīng)去除了固體顆粒物質(zhì)，試樣變得澄清，但仍然呈現(xiàn)黃色、橙色等色度，且其中脂肪等可溶性的大分子有機物也仍然存在，如不加以凈化，可對分離柱帶來影響，容易降低分析柱的壽命，嚴(yán)重影響方法穩(wěn)定性，因此，使用RP凈化柱進行進一步過濾。

將同一個實際樣品分別分成2份，進行凈化與不凈化的回收率對比，結(jié)果見表4，可見，過RP凈化柱后，色度等雜質(zhì)得以去除，而樣品的回收率并沒有顯著損失，是較好的處理方法。

表4 樣品凈化對比Table 4 Comparison of the sample purification

2.3濾膜空白與樣品保存

2.3.1 濾膜空白處理

選擇常用的石英濾膜進行采樣，采樣前用馬弗爐高溫加熱濾膜去除本底，500 ℃下烘2 h，冷卻后備用。對處理過的空白濾膜進行檢測，10種糖醇類物質(zhì)均未檢出。

2.3.2 樣品保存時間

對同一個樣品均分4份，其中1份于采樣后立即測定，其余在-18 ℃冰箱中鋁箔保存，分別于7、14、30 d后測定，回收率變化情況如表5所示。可知該實驗條件下保存30 d，10種物質(zhì)的回收率均在可接受范圍內(nèi)。

表5 樣品保存時間下的回收率Table 5 Recovery in deferent Storage time %

2.3.3 提取溶液的保存時間

使用純水超聲提取，為了減緩微生物對糖類物質(zhì)的降解，在提取溶液中添加保存劑疊氮化鈉(濃度為2 mg/L)防腐，可見未添加保存劑的樣品在7 d后的回收率為35%～81%之間，添加了保存劑的提取溶液保存7 d后的回收率為87%～110%之間，見表6。

表6 提取后的溶液回收率Table 6 Solution recovery after extraction method %

注：“—”表示未檢出。

2.4干擾因素

該方法可能的干擾來源有3方面：一方面是實際樣品中存在的多種糖及糖醇類物質(zhì)均被色譜柱保留，不同的物質(zhì)出峰時間較近或者交疊，將帶來干擾，通過調(diào)整淋洗液氫氧化鈉濃度及流速后，各物質(zhì)峰相互分離避免了該類干擾；另一方面空氣顆粒物中所含物質(zhì)種類繁多，提取液基質(zhì)較為復(fù)雜，通過RP柱凈化可以去除色度、大分子有機物，避免了基體干擾；還有一方面是淋洗液為堿溶液，易于吸收空氣中的二氧化碳后發(fā)生淋洗液濃度變化，待測物的出峰時間對淋洗液濃度變化較為敏感，影響方法的重現(xiàn)性，通過在淋洗液瓶上部空間充氮氣，與空氣隔絕避免氧化，避免了這方面的干擾。

2.5實際樣品的測試

對北京地區(qū)采暖季10種物質(zhì)的濃度水平進行測試。使用石英濾膜(PALL，90 mm)進行采樣，采樣前對濾膜烘干2 h，采樣流量為100 L/min，采樣時間為23 h。采樣后樣品保存于-18 ℃冰箱內(nèi)，并于1個月內(nèi)測定結(jié)果(表7)。

由表7可見，左旋葡聚糖濃度在PM2.5及PM10中均較其他聚糖類物質(zhì)的濃度高，分別為113、118 ng/m3，是最主要的糖類物質(zhì)，其同分異構(gòu)體的半乳聚糖、甘露聚糖濃度相對較低，其他7種目標(biāo)物均有檢出。說明大氣糖類物質(zhì)種類多樣化，來源于動植物釋放等多種渠道，但秸稈焚燒仍然是糖類物質(zhì)的主要來源。由表7還可以看出，北京地區(qū)2016年冬季的左旋葡聚糖濃度水平與往年冬季差異不大，與美國休斯敦冬季(1997)的濃度水平相當(dāng)。

表7 北京市采暖季10種聚糖類物質(zhì)濃度水平Table 7 Concentrations of 10 kinds of polysaccharides in the heating season of Beijng ng/m3

注：“—”表示無相應(yīng)濃度值。

2.6質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

2.6.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線精密度與準(zhǔn)確度

精密度實驗：對標(biāo)準(zhǔn)曲線中的高(2 000 μg/L)、中(500 μg/L)、低(50 μg/L)濃度點的標(biāo)準(zhǔn)濾膜進行6次精密度測定，10種物質(zhì)的RSD值為0.2%～7.5%之間，精密度良好。準(zhǔn)確度通過加標(biāo)回收率可知，為93%～107%，回收率較好，見表8。

表8 準(zhǔn)確度與精密度測試Table 8 Accuracy and precision testing of different samples

2.6.2 實際樣品測試的準(zhǔn)確度與精密度

通過加標(biāo)回收率控制實際樣品測定的準(zhǔn)確度，通過精密度實驗控制樣品測定的精密度，結(jié)果見表9和表10。

表9 實際樣品的準(zhǔn)確度Table 9 Accuracy of real samples

表10 實際樣品精密度Table 10 Precision of real samples

由表9和表10可知，10種目標(biāo)物質(zhì)回收率均為84%～115%，回收率較好，對實際樣品分別進行6次平行測定，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5%～8.2%，方法精密度滿足要求。

3 結(jié)論

建立了HPAEC-PAD法測定大氣顆粒物(PM2.5、PM10)中的丙三醇、赤蘚糖醇、木糖醇、左旋葡聚糖、山梨醇、甘露聚糖、海藻糖、甘露醇、半乳聚糖、葡萄糖共計10種物質(zhì)的檢測方法，創(chuàng)新性地運用了振蕩提取的方法解決了超聲提取時間過長，溶液溫度升高影響回收率的問題，通過2級凈化對提取溶液的濁度、色度及大分子有機雜質(zhì)進行去除，降低了干擾，通過氫氧化鈉加氮保護解決了重現(xiàn)性差的問題，通過添加疊氮化鈉保存劑，延長了試樣的保存時間。通過對北京市2016年1月采暖季的樣品測試可知，在冬季，10種物質(zhì)均有檢出，其中左旋葡聚糖濃度最高(PM2.5中的濃度為113 ng/m3，PM10中的濃度為118 ng/m3)，其次為甘露聚糖、半乳聚糖。實際樣品測試加標(biāo)回收率為84%～115%，精密度為0.5%～8.2%，該方法快速、靈敏、穩(wěn)定、可靠，滿足大氣顆粒物中10種糖及糖醇類物質(zhì)的測定。

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QuickDetectionofTenKindsofDehydrationGlycansinAtmosphericParticulateMatter(PM2.5，PM10)byIonChromatography

DAO Xu1,WANG Chao1,LYU Yibing1,QI Weihong2

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring,China National Environmental Monitoring Centre,Bejing 100012,China2.Handan Environmental Monitoring Station，Handan 056000,China

A method was developed for the determination of ten glycans and alcohols in atmospheric particles(PM2.5，PM10) by high performance anion exchange chromatography (HPAEC) with pulsed amperometric detector (PAD). Samples were extract by sodium azide solution for 60 min shaking extraction, then dehydration glycans separated by sodium hydroxide solution with the concentration of 250 mmoL/L and a flow rating of 0.40 mL/min for 30 min. The method showed good linear correlations in a range of 50-2 000 μg/L with correlation coefficients greater than 0.999 9. Recovery of spiked for ten glycans and alcohols were 84%-115%，the precision from 0.5% to 8.2%.Samples of atmospheric particulate matter (PM2.5, PM10) in heating season of Beijing in January 2016 were detected, the concentration of Levoglucosan was the highest, which was (113±124)ng/m3and (118±100) ng/m3in PM2.5and PM10respectively.

HPAEC PAD;biomass combustion;Dehydration glycans

X830.2

A

1002-6002(2017)05- 0139- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.05.20

2016-09-30；

2016-12-07

氣專項“大氣污染多組分在線源解析技術(shù)集成的典型區(qū)域示范”(2016YFC0208506)

刀 谞(1984-)，女，云南普洱人，碩士，工程師。