环境空气中气态与颗粒态左旋葡聚糖的分析方法

史乃金,郭送军,黄绪,高博,刘明,任璐,张智胜,陶俊,陈来国

(1.广西大学 资源环境与材料学院， 广西 南宁 530004；2.生态环境部华南环境科学研究所国家环境保护城市生态环境模拟与保护重点实验室， 广东 广州 510655；3.广东工业大学 环境科学与工程学院， 广东 广州 510006)

0 引言

生物质燃烧源是城市大气污染的重要源之一[1-2]，识别其贡献率大小是确定进行重点防控的基本前提。左旋葡聚糖(Lev)具有特异性强、稳定性好和释放量大的特点，被广泛用作生物质燃烧源示踪物[3-4]。之前研究认为大气环境中Lev等糖类物质不易挥发，因而关于其研究主要集中在大气颗粒物中。最近有研究发现Lev等糖类物质是半挥发性有机物(SVOCs)[5-7]，忽略气相中的Lev，可能低估其在大气中的真实含量水平，并最终导致低估生物质燃烧源的排放贡献。近几年国外一些学者开始对Lev等SVOCs的气/颗粒两相间的分布进行了少量研究，如Xie等[7]实测出美国丹佛地区大气气/颗粒相中Lev的浓度比值范围为0.02～3.04(均值为0.23)，并对气/颗粒两相分配进行了模型模拟。Lev等糖类物质的主流分析方法为有机溶剂抽提、后衍生化、再经气相色谱—质谱法(GC-MS)分析[7-8]，此法检出限低，且存在耗时长、操作复杂和使用大量有机溶剂等缺点。因此，建立快速、环保和稳定的Lev等糖类物质的气/颗粒两相采集与分析方法，对于大气污染物源解析具有重要意义。

Lev等糖类具有极性强和易溶于水的特点，理论上采集气相时可直接水相吸收，目前已有文献报道通过纯水抽提同时采用高效阴离子交换色谱—脉冲安培检测法(HPAEC-PAD)直接检测颗粒相中糖类的方法[9]。基于上述设想与前人研究基础，本文拟通过对比不同的样品采集及前处理方法，建立一种同时采集并快速分析气/颗粒两相中Lev等糖类物质的方法，同时应用建立的方法初步分析广州夏季Lev的气/颗粒两相含量水平与分布特征。

1 材料与方法

① 仪器设备

中流量大气采样器(300 L/min，广州铭野)，离子色谱仪(Dionex)，旋转蒸发仪(Buchi)，超声仪(宁波新芝)。

② 试剂

1,6-脱水-β-D-葡萄糖固体标准物(98 %，J&K)，Milli-Q纯水(≥15.0 MΩ·cm)，Milli-Q超纯水(≥18.2 MΩ·cm)，二氯甲烷、甲醇(AR，广州化学试剂厂)。

③ 采样材料

石英滤膜(8×10 IN，Pall)使用前在马弗炉(450 ℃)中烘烤4 h、恒重48 h后称量，用于颗粒相采集；聚氨酯泡沫(PUF)用热水(≥60 ℃)、纯水各洗三遍，XAD-2树脂用纯水、甲醇各洗三遍使其活化，两者均用甲醇、二氯甲烷各抽提48 h后真空干燥，用于气相采集。

④ 其他材料

针孔聚四氟乙烯滤膜(0.2 μm TP，Whatman)，变色硅胶，滤纸，纱布，棉绳，镊子，玻璃器皿等。

2 实验方法

2.1 采样方法比选

目前鲜有报道Lev等糖类物质的气相采集方法，在已查阅的文献中只有Xie等[7]用“三明治” (PUF+XAD-2+PUF，PXP)系统有效采集了气相中包括Lev在内的SVOCs。由于单一的PUF也被用来采集气相中的多种SVOCs[9]，因此，本研究基于前人的研究结果和Lev的物理化学性质共设计三种不同的气相采集方法对比效果，分别为：①方法一：仅用PUF采集(两块直径55 mm和高度20 mm圆柱形PUF重叠)，②方法二：PXP采集(在两块PUF中间夹5 g的XAD-2树脂)和③方法三：用超纯水直接采集(在采集颗粒相后气流通过串连的2个装40 mL超纯水的吸收瓶，后接变色硅胶瓶防倒吸)。三种方法的颗粒相采集均用石英滤膜，采样仪器选用中流量主动采样器、单个样品采集时间为24 h，连续采集7天。

2.2 样品前处理方法比选

已有文献利用纯水超声提取颗粒相中Lev等糖类物质[8]，而用纯水直接提取气相样品中Lev等糖类物质的方法未见报道。考虑到PUF和XAD树脂的强吸附能力，本实验参考传统持久性有机污染物前处理提取方法，用纯水作为提取溶剂，并用三种方法对模拟样品(PXP基质+0.1 mg/L Lev标样)提取分析，每种方法设置3个平行样。三种前处理方法的具体步骤如下：①超声法(Ultrasonic extraction)：样品经超纯水超声(60 min、2次)、旋转蒸发浓缩、定容、过滤后上机分析；②索氏抽提法(Soxhlet extraction)：样品经超纯水抽提(12 h)、旋转蒸发浓缩、定容、过滤后上机分析；③反萃取法(Back extraction)：样品经二氯甲烷抽提(12 h)、旋转蒸发浓缩，用超纯水润洗样品瓶使Lev从有机相进入水相，定容、过滤后上机分析。

2.3 仪器分析条件与质量保证/质量控制

离子色谱配有MA1分析柱(4×250 mm)，流动相为NaOH溶液(400 mmol/L，0.4 mL/min)，进样体积为100 μL，仪器检测限为2 μg/L，仪器环境温度为25 ℃。

定量标准曲线的相关性均大于0.999；每测10个样品插入一个标准样品，以检验仪器是否正常，并保证平行样品之间的测量误差小于5 %；所报道的样品浓度已扣除实验空白值。

3 结果与讨论

3.1 方法的建立

3.1.1 采样方法的确定

三种采样方法的测试结果表明，对比法一和法二：当颗粒相中Lev、总糖含量偏差(D)低于15 %时(如图1)，法二(PXP法)吸附的气相Lev、总糖浓度均高于法一(PUF法)(图1)。法三受限于采样流量过小或传质阻力过大，导致其含量低于方法检出限且难以应用于实际野外采样。因此，最终选择法二作为最优采样方法，即：使用300 L/min中流量主动采样器，颗粒相和气相分别使用石英滤膜和PXP采集。

为了防止PXP系统吸附过载，本实验进行了穿透实验，即：两个PXP系统串连，计算其穿透率(B)：

(1)

[PXP]front、[PXP]back分别为一组串联样品上、下PXP中Lev的浓度(ng/m3)。当穿透率B达到或高于50 %时，说明完全穿透；当B低于33 %时，说明单个PXP具有良好的吸附效率[10]。本次穿透实验共进行了7组。结果显示(表2)，7组实验中B值低于33 %，进一步说明了PXP系统在采集气相中的Lev时可靠性强，采集效率高。

(a) Particle phase

(b) Gas phase

图1 不同采样方法中颗粒相与气相总糖与Lev浓度对比图

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

注：Suger(总糖)包括：左旋葡聚糖(Lev)、甘露聚糖(Man)、半乳聚糖(Gal),RSD:总糖含量偏差,N:方法二与方法一的比值

表1 七组PXP样品的穿透实验结果

3.1.2 样品前处理方法的确定

仪器分析结果如图2所示。索氏抽法：Lev有明显的干扰峰，可能由于较高的抽提温度(约100 ℃)导致PXP中杂质溶出。反萃取法：仪器响应程度较低且有强的干扰峰，同时该法需使用有机溶剂，且用时较长、步骤复杂。对比而言，超声法：出峰较好，操作简单、环保并对仪器分析干扰少。因此，选择超声法作为样品前处理方法。

为进一步验证超声法的提取效率，本研究对PXP基质进行加标回收率验证。实验结果表明(表2)，低、中、高浓度(0.02、0.1、1.0 mg/L)加标回收率范围分别为119.0 %～123.0 %、103.0 %～111.0 %和95.8 %～98.9 %，平行样品的RSD均低于5.0 %，说明超声法提取气相中的Lev等糖类物质不仅有好的准确度，还有好的精确度。

(a) Standard solution

(b) Ultrasonic extraction

(c) Soxhlet-extraction

(d) Back extraction

图2 Lev标准液和三种提取方法样品的谱图

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

表2 水相超声法各浓度水平的加标回收率

3.2 方法的实际应用

3.2.1 广州夏季大气中Lev的含量

本研究应用建立的方法，对广州进行实际大气环境样品采集分析。采样时间为2017-07-05～2017-07-11，采样地点为生态环境部华南环境科学研究所东区楼顶(N23.8°，E113.17°)，采样点距地面高约30 m。采样避开持续降雨时期，单个样品累计采集24 h。本次采样共采集7组样品，不包括现场空白(表3)。

采样期间Lev颗粒相含量均值31.8 ng/m，低于北京[11](369 ng/m3)、上海[12](148 ng/m3)；与国外相比相当，如美国德州[13](52.7 ng/m3)和济州岛[14](37.8 ng/m3)。其较低的含量与采样期间广州盛行相对清洁的东南风及降水有关。

表3 大气中Lev的含量水平

注：G为气相，P为颗粒相

3.2.2 Lev气/颗粒两相分布特征与影响因素

气相与颗粒相中Lev的浓度比值(G/P)和占比(表3)，表明广州夏季大气中颗粒相Lev含量高于气相。广州夏季Lev的G/P值范围为0.11～0.32(均值为0.25)，气相Lev占比最高可达24.2 %，这与Xie等[7]在美国丹佛地区的研究结果G/P值范围0.02～3.04(均值为0.23)大致相当。

SVOCs的气/颗粒两相分配会影响其长距离迁移、干湿沉降和降解等环境行为[14-16]。本文利用气/颗粒两相分配系数(Kp)[17]表征Lev的气/颗粒两相分配特征：

(2)

式中，F为Lev在颗粒相中的浓度(ng/m3)；A为Lev在气相中的浓度(ng/m3)；TSP为大气中总悬浮颗粒物浓度(ng/m3)。由公式(1)计算所采样品的Lev气/颗粒两相分配系数Kp值见表4。

表4 Lev气/颗粒两相分配系数Kp

Lev的物理化学性质(蒸气压、水溶性等)、颗粒物的含量和组分和环境条件(温度、湿度等)会影响其在气/颗粒两相的分配[18-19]。其中，温度是影响Lev气/颗粒两相分配系数Kp的一个主要因素，Yamasaki等[19]研究表明lgKp与T的倒数之间具有相关性，公式为：

(3)

式中，m和b为常数；Kp为气/颗粒两相分配系数；T为环境温度(取采样当天平均值)，单位K。根据公式2，本文对夏季样品中Lev的Kp值与T的倒数进行了分析(图1)。由图1可见，lgKp与1/T在夏季呈现出良好的线性相关性，R2为0.830(p<0.05)，进一步证明温度是影响大气中Lev气/颗粒两相分配的主要因素之一。

图3 Lev的lgKp与1/T线性相关性

4 结论

① 本文建立了一种同时采集分析气/颗粒两相中Lev等糖类物质的方法，该法用滤膜+PXP系统组合分别采集颗粒相和气相中的Lev，并使用纯水超声提取，利用HPAEC-PAD直接上机分析。克服了传统的GC-MS分析法需衍生化、用时较长和需使用有机溶剂的缺点。

② 应用建立的方法对广州大气进行了实际采样分析。结果表明，采样期间广州夏季大气中Lev气相占比最高可达24.2 %，G/P均值(0.25)与国外研究相当。气/颗粒相分配系数Kp可直观表征Lev的两相分配特征，lgKp与1/T呈现出良好的线性相关性，说明温度是影响大气中Lev气/颗粒两相分配的主要因素之一。

③ 本方法建立在使用大量超纯水的基础上。实验过程易受外界环境污染，对实验操作要求较高。除此之外，气相样品不耐储存易发霉变质需尽快处理。