（环境科学专业论文）特定紫外光波长下多环芳烃稳定碳同位素分馏的研究.pdf

a b s t r a c t a b s tr a c t p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) a r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r e p o p u l a rf o rr e s e a r c h e r sf o ri t st o x i c i t y , c a r c i n o g e n i c i t ya n dm u t a g e n i c i t y t h es t u d yo f t h ep a h s ss o u r c ea p p o i n t m e n ti sb e i n gd o n ea l lo v e rt h ew o r l d ，a m o n gw h i c hs t a b l e c a r b o ni s o t o p ei su s e da sar e l i a b l ei d e n t i f i c a t i o n t h i sp a p e rb a s e do no n eo ft h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o n d i n g sc a l l e ds o u r c ea p p o r t i o n m e n tf o rp a ha s s o c i a t e d o na m b i e n tp mb yu s i n gs t a b l ec a r b o ni s o t o pt e c h n o l o g y i no u rs t u d y , 610 s t a n d a r dm a t e r i a lw a su s e dt of i n dt h ef r a c t i o n a t i o no fs t a b l ec a r b o ni s o t o p e t h e r e s u l ts h o w s ： ( 1 ) t h es t a n d a r dd e v i a t i o n so f6 10s t a n d a r dm a t e r i a la r eb e t w e e n0 0 8 5 ( a c e ) a n d o 8 6 5 ( c h r ) ，a n dt h ec o e f f i c i e n tv a r i a t i o n sa r eb e t w e e no 0 8 7 ( a n t ) a n d1 0 6 ( i r a ) ， w h i c hi sn o tr e m a r k a b l er e l a t i v et ot h es a m p l e t h em e a ns q u a r ee r r o ro fa l ls a m p l e s i s0 0 0 5 9 ( c h r ) 一0 3 4 3 4 ( f l u o ) ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tt y p i c a lp a h ss t r u c t u r e s ，t h es m a l l e ro ft h er i n g n u m b e r , t h el e s sf r a c t i o n a t i o no fs t a b l ec a r b o ni s o t o p ei ti s t h el a r g e ro ft h er i n g n u m b e r , t h em o r ef r a c t i o n a t i o no fs t a b l ec a r b o ni s o t o p ei ti s t h ef r a c t i o n a t i o no f s t a b l ec a r b o ni s o t o p eg o e sm o r eo b v i o u s l yw h e nt h er i n gn u m b e rg e t ss m a l l e r ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ec o r r e c t e dm a t r i xo fi s o t o p er a t i oc a u s e db yf r a c t i o n a t i o n ，t h e m o d e lo fs o u r c ea p p o i n t m e n ts h o w st h a tt h ep a h sw h i c hc o m ef r o mi n d o o rs o u r c e s a c h i e v et h ee x p o s e da v e r a g el e v e li nas h o r tt i m er e l a t i v et ot h eo n e sc o m i n gf r o m f r o mo u t d o o rs o u r c e s a tt h es a m et i m e ，t h ed i f f u s i o nt i m eo fp a h sc a nb eo b t a i n e d b a s e do nt h ec o r r e c t e dm a t r i xo fc a r b o ni s o t o p e m e a n w h i l e ，u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e o fk n o w nm e t e o r o l o g i c a lp r o l i f e r a t i o nm o d e l ，m a ya c ta c c o r d i n gt ot h ek n o w ns o u r c e c h a r a c t e r i s t i cm u l t i - l i n ka r o m a t i ch y d r o c a r b o ni s o t o p er a t i ot oo b t a i nt h eb i t r a r yp o i n t a c c e p t o rp l a c em u l t i l i n k a r o m a t i c h y d r o c a r b o ni s o t o p e r a t i o t h r o u g h t h e m u l t i d i m e n s i o n a lm o d e lc o m p u t a t i o n k e yw o r d ：s t a b l ec a r b o ni s o t o p e f r a c t i o n a t i o np a h ss o u r c ea p p o i n t m e n t i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：秘逻 删矿年( 月、咽 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时 间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：楚蝮礓 砂矿年6 月l 日 第一章引言 第一章引言 多环芳烃自被发现以来即因其强烈的致癌、致畸、致突变的强烈毒性引起 人们的注意。大量调查表明，空气、水体、土壤、生物体等无不受到多环芳烃 的污染n 刊。现代工业( 尤其是焦化及石油工业) 的兴起和现代交通工具汽车、 飞机等各种机动车辆造成的废气排放在极大程度上增加了多环芳烃对人类环境 的污染。在各国走向现代化的过程中，致癌性多环芳烃的问题也必然成为人们 关注的焦点之一。在人类的日常生活中某些活动时常与多环芳烃的产生有密切 关系。例如，吸烟就是造成室内多环芳烃污染的重要来源，已经被证明是诱发 人类肺癌的重要因素h ，；再如，在油脂类食物的煎、炒、烤、熏等烹调过程中也 有致癌性多环芳烃的产生，并认为是导致非吸烟人群肺癌发病率升高的原因之 一哺圳。在居民冬季取暖时，由于煤和木柴燃烧产生的多环芳烃造成比较严重的 室内和室外低空污染n 旷1 6 3 。正因如此，在对大气颗粒物上吸附的有机物污染研究 中，多环芳烃成为人们研究的热点之一n 引。 在各种多环芳烃来源解析的方法中，稳定碳同位素作为一种示踪物质越来 越多的被应用。为了保证多环芳烃源解析的精确度，基于稳定碳同位素自身稳 定性的研究也逐步引起研究人员的注意。 第一节多环芳烃性质概论及来源解析 1 1 1多环芳烃性质及危害 多环芳烃( p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，p a h s ) 从广义上讲是指分 子中含有两个或两个以上苯环的化合物，根据苯环的连接方式可以分为联苯类、 多苯代脂肪烃和稠环芳香烃。多环芳烃是指由若干个苯环稠合在一起或是由若 干个苯环和环戊二烯稠合在一起组成的稠环芳香烃类。多环芳烃中含有很多个 共轭兀键形成的共轭体系，共轭丌键具有高的键能，整个分子体系比较稳定， 使多环芳烃类物质能够广泛地存在于环境中。 多环芳烃进入环境后，会发生一系列物理、化学以及生物化学反应，如多 第一章引言 相间的分配、吸附、挥发、氧化、水解、光解、生物富集和生物转化等。这些 环境行为取决于多环芳烃物理化学性质。 图卜1 是部分多环芳烃的结构式。大多数多环芳烃在常温下是固态，沸点 比相同碳原子数目的正构直链烷烃高。苯环数目比较少( 如2 3 个苯环) 的多环 芳烃蒸汽压较高，主要分布在气相中，而具有5 - 6 个苯环的多环芳烃蒸汽压较 低，主要吸附于颗粒物表面上，介于两者之间的含有3 - 4 个苯环的多环芳烃在 气相和固相均有分布。 晕苯 蒽 荧葸 苯并( a ) 芘 苯并( g ，h ，i ) 茈 二苯并( a h ) 蒽 图1 - 1 多环芳烃的结构 2 翟眵国 第一章引言 在引发生物体癌症的原因中有7 0 9 0 来自于环境因素，特别是环境中化学 致癌物。到目前为止，总计发现了2 0 0 0 多中可疑化学致癌物质，多环芳烃就是 其中重要一类。这类化合物广泛存在于环境中，主要是有机物在低温缺氧条件 下不完全燃烧，并进一步热合成的产物。多环芳烃生成后附着在烟尘颗粒上， 漂浮与环境空气中，这是导致城市肺癌发病率常高于农村的重要原因之一；经 常接触烟道灰的清扫工人易发生皮肤癌，吸烟者易发生肺癌，均与烟灰颗粒物 和香烟烟雾冷凝物中的多环芳烃有密切关系。多环芳烃的致癌特性也是其成为 颗粒有机物( p a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e r ，p o m ) 研究重点的重要原因之一n 8 i 。 对多环芳烃的致癌活性曾有人做了大量工作。通过量子化学计算或模式识 别技术来探讨致癌活性与致癌物分子结构间的关系n 9 | 。 多环芳烃污染造成的危害主要表现为两个方面，一是多环芳烃在大气中能 与n o ：+ h n o 。以及0 。发生化学反应，形成具有直接致突变性的硝基多环芳烃和氧 化多环芳烃n 7 棚谢3 ；另一方面，对环境中多环芳烃在不同粒径颗粒物上分布进行 研究表明，粗粒子中多环芳烃的含量很少乜铲3 2 1 ，大约有7 0 9 0 的多环芳烃吸附 于小于5um 的可吸入尘上，其中苯并( a ) 芘则主要吸附在小于1um 粒径的颗粒 物上。粒径较大的颗粒物可以被鼻腔阻挡于体外，而粒径较小的颗粒物，如直 径小于1 0um ( p a r t i c u l a t em a t t e r l o ( p m 。) 和小于2 5um 的p m 2 5 ，可以随呼吸 进入人体沉积于肺部，颗粒物本身和其上吸附的有毒有害物质对人体造成危害。 p i s t i k o p o u l o s 等人在研究颗粒态多环芳烃的形成机理时，对吸附于细颗粒物上 的多环芳烃的粒径分布进行了更加深入的分析测定，结果表明，低挥发性多环 芳烃主要吸附于直径小于1ui l l 的颗粒物上，高挥发性多环芳烃则主要吸附于直 径大于lum 矧。 1 1 2 多环芳烃的来源 环境空气中多环芳烃的来源包括天然来源和人为来源。二十世纪六十年代 以前，人们只知道多环芳烃是有机质不完全燃烧的产物。到六十年代以后，人 们发现，多种植物( 如小麦及裸麦幼苗) 、多种细菌( 如大肠菌、某些梭形芽孢杆 菌) 以及某些水生植物( 如海藻和某些浮游植物) 都有合成多环芳烃，包括某些致 癌性多环芳烃的能力。这些生物体内合成的多环芳烃，加上森林及草原自然起 火产生的多环芳烃便组成人类环境中的多环芳烃自然本底，它们是多环芳烃的 3 第一章引言 天然来源3 引。 造成全球范围多环芳烃污染的主要原因是人为污染源的排放。人为污染源包 括：( 1 ) 各类工业锅炉、生活炉灶产生的烟尘，如燃煤和燃油锅炉、火力发电厂、 燃柴炉灶；( 2 ) 各种生产过程和使用煤焦油的工业过程，如炼焦、石油裂解、煤 焦油提炼、柏油铺路等；( 3 ) 各种人为原因的露天焚烧( 包括烧荒) 和失火，如垃 圾焚烧、森林大火、煤堆失火；( 4 ) 各种机动车辆排出的尾气；( 5 ) 吸烟和烹调 过程中产生的烟雾过程了室内污染的重要来源。 各个国家和地区因能源结构的不同在多环芳烃来源方面常有所差异。在美国 家庭取暖燃柴和机动车尾气是贡献率较大的污染源。而中国是一个以煤炭资源 为主要能源的国家，燃煤是空气中多环芳烃的主要贡献者。另外，随着中国机 动车保有量的增加，机动车尾气污染也成为多环芳烃来源的另一类主要污染源， 而其它污染源大多是规模小和暂时性的。多环芳烃在环境中的行为可概括于图 1 - 2 中。 污染源 上 环境空气 i 氧化分 污染源_ 水体+ 一土壤+ 一污染源 上 底泥_ 水生动物体中 图1 - 2 多环芳烃的环境循环 1 1 3 多环芳烃来源解析方法 目前，环境空气颗粒物中多环芳烃的来源识别和解析方法可以分为定性方法 和定量方法两类。定性方法包括：比值法、轮廓图法和特征化合物法；定量方 法包括：化学质量平衡( c h e m i c a lm a s sb a l a c e ，c m b ) 受体模型、多元数理统 计法，( 如：因子分析法f a c t o ra n a l y s i s 、多元线性回归m u l t i p l el i n e a r 4 第一章引言 r e g r e s s i o n 、模式识别m o d er e c o g n i s e 等) 、稳定碳同位素比值法s t a b l ec a r b o n i s o t o p e ( 如利用61 3 c 识别多环芳烃的来源) 等。 ( 1 ) 比值法 比值法是跟据不同源特征p a h s 比值不同的特点来识别p a h s 的来源的方法。 燃料种类与燃烧方法决定了p a h s 相对含量之间具有一定的差别，特征组分比值 之间的差异可以体现这种区别。 特征比值法作为一种比较成熟的p a h s 定性来源解析手段已被广泛应用于区 别室外环境中p a h s 的来源。比值法简单、快捷，因此应用较多，但由于大多数 比值项中都b a p ，而b a p 是一种反应活性较强的多环芳烃，尤其是在夏季，样品 中b a p 降解较快，因而给污染源带来不确定性，这也是比值法的不足之处阳6 | 。 ( 2 ) 轮廓图法 轮廓图法就是以样品中主要多环芳烃的含量作图，再与特征污染源的多环芳 烃的含量图像对照来识别样品中多环芳烃污染源的方法。 轮廓图法具有直观明了的优点，但首先需要知道特征污染源的轮廓图，当颗 粒物样品中多环芳烃的轮廓特征不明显时，识别主要污染源就比较困难，一般 需要与其他方法结合使用。 ( 3 ) 特征化合物法 特征化合物法是根据污染源排放物中含有特征p a h s 而确定其来源的方法。 燃煤源中p h e 、f l u o 、p y r ，炼焦过程p h e 、a n t 、b a p ，垃圾焚烧p h e 、f l u o 、p r y ， 木柴燃烧f l u o 、b a p ，汽油尾气b g h i p 、c o r 、c y c ，柴油尾气b b f l u 、b g h i p 、c o r 、 f l u o p h e 、b n t 等都是作为特征性的标识物可以用来识别来源船利。 ( 4 ) 多元统计方法 多元统计法包括主成分回归法( p c r ) 、一般因子分析法多元回归法( f a m r ) 和目标因子转换分析法( t t f a ) 。k l e i n m a n 啪3 鲫发展了f a m r 模型，并解析了纽 约市的总悬浮颗粒物( t s p ) 。此方法首先用因子分析识别污染源的种类以及各 污染源的唯一标识物( u n i q u et r a c e r ) ，然后解析在逐步多元回归中作为独立 变量的污染源标识示踪物，所得系数作为污染源对污染物的贡献率。 与其他模型比较多元统计法的优点是：( a ) 使用简单；( b ) 不需要研究地区 污染源的检测数据；( c ) 对p a h s 成分谱缺乏的污染源仍可以解析；( d ) 不必了 解降解因子或假设为1 ；( e ) 可广泛使用统计软件对数据进行处理。其不足是： ( a ) 当一个或多个源示踪物不是来自于同种类型的污染源时，它的应用就受到 5 第一章引言 限制；( b ) 需要受体样品数较多，一般超过5 0 个；( c ) 实际使用中，多元分析 技术只能识别5 8 个污染源。 ( 5 ) 化学质量平衡( c m b ) 受体模型 c m b 受体模型( 最初称为化学元素平衡( c e b ) 受体模型) 是用于定量解析 污染物来源的方法。这一方法是1 9 7 2 年s h e l d o nf r i e d l a n d e r 和g e o r g eh i d y h 阳 等人第一次正式给出了化学元素平衡法方程式，并将其命名为化学元素平衡法 ( c e b ) 。1 9 8 0 年c o o p e r 和w a t s o n 将化学元素平衡法重新命名为化学质量平衡法 ( c m b ) h 1 j 。这一模型假设环境受体中污染物的浓度是对其有贡献的各类污染源贡 献值的线性加合。因为受体模型不要求对污染物排放源进行详细调查，不依赖 于气象资料和气溶胶在大气中的许多特征参数，而且能解决扩散模型难以处理 的一些问题。c m b 受体模型提出后，相继用于t s p 、p m m 、p m ：。的来源解析，其中 在解析t s p 和p m 。来源方面现己成为比较成熟的技术。在八十年代，一些学者开 始将c m b 受体模型用于环境空气中有机污染物( 如挥发性有机物、多环芳烃) 来源解析的研究中。 m i g u e l h 别用c m b 模型计算某地交通源的贡献率时，用反应活性较差的b k f 、 b g p 、i n d 作为标识物的计算结果为2 1 ，与用挥发性有机碳和元素碳作标识物 进行计算所得结果较接近( 2 4 ) 。用反应活性较强的b a p 和b a a 做标识物，计 算得到交通源贡献率仅为1 3 ，而实际上b a p 和b a a 的降解率恰为5 5 。这一研 究结果说明，在c m b 受体模型进行多环芳烃源解析时，考虑多环芳烃的降解问 题是很必要的，否则可能导致错误的结论。c m b 受体模型是基于质量平衡原理建 立起来的。为了使具有反应活性的化学物质适用于c m b 受体模型，而使c m b 模 型更广泛用于多环芳烃源解析中，f r i e d l a n d e r 提出用降解因子来校正c m b 模型。 定义降解因子是受体浓度与污染源排放浓度的比值，并认为这一因子与一级反 映速率常数和颗粒物平均停留时间有关。影响多环芳烃降解因素很多，如何正 确确定这一参数，对利用c m b 受体模型解析多环芳烃来源非常关键，仍需要广 泛深入的研究。 在利用c m b 受体模型解吸颗粒物上多环芳烃时，虽然已有一些应用实例，但 在此领域仍有一些问题有待深入研究和解决。第一，对于多环芳烃主要污染源 的排放特征需要做进一步的研究。九十年代，国外一些学者着眼于受体模型的 需要，在这方面开展了很多工作，测定了燃柴、交通、焦化厂等污染源多环芳 烃的排放情况。尽管如此，由于采样方法的选择和待测物质的选取方面存在问 6 第一章引言 题，加之，不同地区污染源排放情况会有一定差异，因此，系统了解相应地区 污染源排放特征并建立起污染源成分谱数据库依然是急待解决的问题。第二， 如何确定多环芳烃成分谱有待进一步研究。多环芳烃是有机物在不完全燃烧和 热解条件下生成的，燃料的种类、燃烧温度、空燃比等条件都会影响多环芳烃 生成的含量和种类。这样，从分析结果来看，即使是同类污染源的排放浓度也 会存在不小的差异。因此，如何确定每类污染源的成分谱是一个需要解决的问 题。第三，多环芳烃降解因子对c m b 受体模型的校正。多环芳烃排放到空气中 会与空气中广泛存在的o h 、n o x 、0 。等相互作用，导致母体化合物的降解，即多 环芳烃在污染源和受体之间发生了变化，这显然与c b l b 受体模型的基本假设不 符合。因此在利用c m b 受体模型进行多环芳烃源解析时如何处理多环芳烃的降 解问题是需要解决的问题。在上述问题提出的基础上，我国学者朱先磊，朱坦 ( 2 0 0 1 ) m 鄹采集有代表性的污染源样品，建立污染源的成分谱，弥补我国目前 缺少完善的多环芳烃源成分谱的不足，考虑多环芳烃在大气环境中的化学行为， 并将其纳入到c m b 受体模型，根据大气颗粒物上多环芳烃污染特点，对c m b 受 体模型进行修正，即，假设大气颗粒物在污染源和环境受体之间的输送过程中 质量是守恒的，环境受体处颗粒物的浓度是对之有贡献的污染源贡献值的线性 加和。由于在确定源成分谱时测定的多环芳烃排放浓度是多环芳烃未在环境中 发生变化时的浓度，因此在假设颗粒物质量守恒的前提下，各类污染源对环境 受体中大气颗粒物的贡献量与其排放物中多环芳烃含量乘积的线性加和可以认 为是多环芳烃降解因子为1 时，环境受体处多环芳烃的浓度( 即发生降解之前 环境受体处多环芳烃的浓度) 。即： 生 。 昂= 潍。弓= 1 一；巧= 1 ，一；砷( 1 ) 芦 其中，p ；。是环境受体中多环芳烃i 未发生物理化学变化前的浓度； p 。是污染源j 中多环芳烃i 的含量； c ，是污染源j 对环境受体贡献的颗粒物质量，即颗粒物源解析结果。 在利用公式( 1 ) 计算出环境受体处多环芳烃发生物理化学变化前的浓度后， 进行归一化处理，即可纳入c m b 受体模型中参加拟合计算，确定各类污染源对 大气颗粒物上多环芳烃的贡献率。建立起适用于多环芳烃来源解析的c m b 受体 模型。 7 第一章引言 第二节稳定碳同位素在多环芳烃来源解析中的应用 1 2 1同位素的概念及表征方法 原子序数相同、但质量不同的核素称同位素。其化学性质相同，但物理性质 存在差异。同位素组成是一个比较笼统的名词，指的是样品中某一种元素的各 种同位素的相对含量。它可用丰度表示，也可以用比值r 或6 值表示。 同位素丰度是指一种元素的各种同位素所占百分含量，如表2 1 所示： 表1 1c 、h 、0 的同位素丰度 同位素平均丰度同位素平均丰度 h9 9 9 8 4 4 1 6 09 9 7 6 3 d0 0 1 5 8 1 7 00 0 3 7 5 地c9 8 8 9 博00 1 9 9 5 1 3 c1 11 同位素比值与丰度一样，也是用来衡量天然样品中同位素组成变化的。它是 指在研究对象中，某一种元素的两种同位素含量之比( r a t i o ，r ) 例如标准平均 海洋水中的d h 的比值为1 5 5 7 6 1 0 。6 。 同位素根据性质不同分为稳定同位素和放射性同位素。放射性同位素的核是 不稳定的，通过自发射出粒子和能量脉冲( 光子) 来耗散过剩能量，即，原子核 不稳定，能自发地放出q 、b 、y 射线或通过k 电子俘获而进行蜕变的同位 素被我们成为放射性同位素。而稳定同位素是指在正常的地球变化过程中并不 转变为另一种核素的核素。在这里，我们重点介绍稳定同位素。 在自然界，稳定同位素组成的变化很小，用同位素比值或同位素丰度，往往 不能明显的显示这种微小的差别，所以一般用“d e l t a ( 6 ) ”表示同位素的变 化，单位是或p e r m i l 。61 3 c 值是指样品中两种稳定碳同位素的比值相对于某 种标准对应比值的千分偏差，6 值的大小表示样品富集”c 能力的大小，61 3 c 为正时表示样品比标准更富集1 3 c ，61 3 c 为负时表示样品比标准更贫”c 。 万1 3c =肾 其中：r 样品代表样品的1 3 c 与1 2 c 的比值； 8 j 第一章引言 r 标准代表标准样的1 3 c 与1 2 c 的比值。 碳同位素分析标准为p d b ( p e e d e eb e l e m n i t e ) ，为美国南卡罗莱拉州白垩纪 皮狄组拟箭石化石，其“绝对碳同位素比值1 3 c 1 2 c = ( 1 1 2 3 7 2 + 9 0 ) 1 0 咱，定 义其61 3 c - - o 。尽管p d b 标准样品已经用完，但对任何样品的碳同位素组成测 定结果仍以p d b 为标准进行报道。 1 2 3 稳定碳同位素解析多环芳烃来源研究现状 稳定同位素在作为一种示踪物质，在环境科学中得到了广泛应用。如 表1 2 稳定碳同位素技术在大气污染科学中的应用概况 9 第一章引言 第三节同位素分馏的概念及其研究意义 1 3 1同位素分馏的概念 同位素分馏是指在一系统中，某元素的同位素以不同的比值分配到两种物质 或两相中的现象，是同位素效应的表现。从同位素分馏的最终状态出发，可将 同位素分馏分为两大类：同位素平衡分馏和同位素动力学分馏。平衡( 热力学) 分馏，当化学反应允许达到平衡状态时发生的同位素分馏现象。可逆反应发生 时，平衡分馏常数等于各反应方向的动力学分馏常数的比。平衡分馏与时间无 关。动力学分馏，偏离同位素平衡分馏时的同位素分馏现象。不同类型的物理、 化学、生物过程的动力学性质都能引起同位素动力学分馏。动力学分馏的性质 与时间有关( 如：光合作用过程中碳固定化发生的光合分馏) 。 1 0 第一章引言 1 3 2 同位素混合体系 1 同位素混合体系是由若干个具有不同同位素组成的原始体系经不同比例 的混合而成的新的同位素体系。在地球化学中同位素混合体系的研究是了解地 球各圈层及派生出的物质的重要示踪方法。在单同位素体系中，设一体系中含n 种有同种元素同位素的不同化合物或物质，每种物质中该元素的原子分数为x 。、 x 2 x 。，显然x 。+ x ：+ + x 。= 1 若这些物质中该元素的同位素比值分别为6 。、 6 。6 。，则混合物的加权平均同位素比值为： 6 = x i6l + x 262 + + x n6 = x i6i 2 二元同位素混合体系 两种同位素组成不同的物质a 和b 均匀混合，混合物m 的同位素比值为： 6 - f = x 。6a + x 。6n ， x 和x 。分别为a 和b 对混合体系的贡献率，因此x 。+ x 。= 1 。 1 3 3 同位素分馏对于运用稳定碳同位素解析多环芳烃来源的影响 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的涨落，造成同位素在不同化合物或在不 同物相分布不均匀的现象，这就是同位素分馏。同位素分馏是同位素效应的一 种体现。同位素具有不同化学反应、扩散、挥发速率，是同位素在化学与生物 过程中发生分馏的主要原因。同位素在两种物相间的分馏系数q 吨来定量表达。 q - b = r a r b qa - b 为元素中2 个同位素在a 、b 两个物相之间的同位素分馏系数； r 、r b 分别为元素中两个同位素在a 和b 物相中的同位素比值。 稳定同位素的分馏作用主要影响p a h s 定量来源解析的精度与结果。对于此 问题的研究集中于在生物与化学过程中的稳定碳同位素分馏。0 m a l l e y h 4 3 认为 在挥发、光照降解、生物降解作用下2 5 环p a h s 的稳定碳同位素组成没有明显 的分馏，故可以利用此项技术解析空气颗粒物中p a h s 的来源。m a z e a s 等h 7 3 对微 生物降解过程中的同位素分馏进行了研究，发现饱和烃与菲的混合物中稳定碳 同位素组成在石油的生物降解试验中是稳定的，由此得出结论：好氧菌生物降 解过程中烃类的稳定碳同位素组成不会发生分馏。因此，直链烷烃与p a h s 的稳 定碳同位素组成可用于环境中污染物质的来源识别。尽管0 m a l l e y h 4 3 与 m a z e a s 嵋3 3 认为同位素分馏对于定量解析的影响很小，但n o r m a n 等m 1 指出由于许 1 1 第一章引言 多小环p a h s 可能会发生同位素的显著分馏故仍需谨慎对待分馏问题。 1 4 1 问题的提出 第四节本文的立题依据 由以上介绍可知，采用c m b 受体模型或多元统计法等更复杂的源解析技术来 计算污染源的贡献率是目前多环芳烃来源解析中使用的普遍方法。但应用化学 质量平衡模型的前提条件之一是物质在从源到受体的传输过程中不发生质量变 化，p a h s 是一类在光、生物等作用下可以发生降解的物质。虽然目前在使用化 学质量平衡法时引入了降解参数与归一化方法，但由于p a h s 的降解因子受停留 时间、环境温度、环境湿度等多种因素的影响，为降解因子的确定和使用带来 了困难，故利用化学质量平衡法解析空气颗粒物种多环芳烃的来源存在一定局 限性。因此，需要寻求一种从污染源到受体的传输过程中较为稳定的指标来示 踪空气颗粒物中p a h s 的来源。 在已进行的多环芳烃源解析中，p a h s 化合物的稳定碳同位素的组成( 特别是 3 、4 、5 、6 一环化合物) 在从源到受体的过程中承担了多环芳烃自身的示踪物质 这一角色，我们假定即使在光解、生物降解、挥发等作用后也基本不会发生同 位素分馏，同位素组成基本不会发生变化，故可在源与受体之间建立同位素质 量平衡模型计算各类污染源的分担率。但是实际过程中，多环芳烃稳定碳同位 素在光照，氧化等自然条件中是否能够保证其稳定性，尚未有一个定量化结论。 本论文立意研究定量化稳定碳同位素在特定紫外波长下，多环芳烃稳定碳同位 素的分馏情况。 1 4 2 研究内容 本篇学位论文主要研究多环芳烃稳定碳同位素在特定紫外光波下的分馏情 况。根据m a t l a b 进行数值拟合，观察多环芳烃同位素的分馏情况；分析分馏与 多环芳烃结构之间的关系；根据具体情况分析由于紫外光影响引起的源解析误 差。 论文主要开展以下几方面的工作：( 1 ) 确定特定紫外光波长下，多环芳烃稳 1 2 定碳同位素的分馏情况；( 2 ) 根据多环芳烃不同结构的差异，分析稳定碳同位素 分馏与结构之间可能存在的关系；( 3 ) 根据测定的同位素变化结果，带入四元模 型，计算由此带来的影响。 1 4 3 本文的研究方法 ( 1 ) 选择作为样品的多环芳烃作为实验的标准物质，选择实验进行的紫外光 波长，根据已有条件设计实验，采集到负载多环芳烃的膜样品。 ( 2 ) 将采集的膜样品经过有机溶剂提取，将提取物旋转蒸发浓缩得多环芳烃 样品，做同位素分析测试( 气相色谱一燃烧系统一同位素质谱，即g c - c - i r m s ) ， 根据不同的保留时间确定每一种多环芳烃化合物，然后确定每一种多环芳烃的 碳同位素组成。 ( 3 ) 根据g c c i r m s 检测到的1 6 种优控p a h s 稳定碳同位素数值随时间的变 化情况，分析每种物质的稳定碳同位素的变化情况，通过数学分析确定同位素 分馏情况。 ( 4 ) 介绍多元模型的构建，证明构建多元模型建立基础的同位素比值具有加 和的性质。根据检测的稳定碳同位素的变化情况，定量计算同位素的分馏带入 模型带来的影响。 1 3 第二章样品的采集和分析方法 第二章样品的采集和分析方法 本章主要阐述样品的采集方法，滤膜样品载带多环芳烃的提取( 预处理方 法) ，利用g c c i r m s 技术测定多环芳烃稳定碳同位素的方法及条件。 第一节样品的采集 2 1 1实验对象的选择及溶液的配制 在选择所要测定的多环芳烃时，综合考虑多环芳烃的毒性、在实际环境中的 据对含量，以及多环芳烃在标识污染源方面的独特作用，本实验选取e p a 6 1 0 标 准混合溶液( s u p e l c o 分类号为4 8 7 4 3 ) 作为实验对象。 表2 1 本研究涉及到的1 6 种多环芳烃 1 4 第二章样品的采集和分析方法 实验用溶液通过二氯甲烷( 高效液相色谱级) 稀释而得。 表2 2 稀释前后p a h s 化合物的溶液( ue g m l 或p p m ) 2 1 2 滤膜的选取 滤膜的选择是实验正确进行的重要环节。本实验选择滤膜时，需要考虑保证 滤膜的材质能够满足后续提取及浓缩的分析要求。如本实验样品为有机物，提 1 5 第二章样品的采集和分析方法 取过程中涉及有机溶剂的溶解过程，应选用无机材质滤膜。 石英滤膜对粒径小于0 3l am 的颗粒物有很高的捕集效率【5 3 1 ，并且具有空白 值低的特性，因此常用于在采集大气颗粒物样品来测定其中可提取态有机物、 多环芳烃及其致癌活性等【53 1 。论文中选用石英滤膜( p a l l f e x ，直径9 0 m m ) 作为标 准物质中多环芳烃的载体，为降低滤膜中有机杂质产生的空白值，采样前在 5 0 0 马弗炉中灼烧3 0 分钟，灼烧后至于干燥器中备用。 2 1 3 紫外光的选取 在光波中，4 0 0 n m 以下的光波被称为紫外光。在2 5 4 n m 3 6 5 n m 之间的紫外光 经常用于凝胶成像系统，用于核酸( d n a 、r n a ) 凝胶电泳和蛋白质及同功酶凝胶 电泳区带( 或薄层色谱) 的检测和摄影。其中，3 1 0 n m 做为中波紫外光，最常被使 用。 本实验进行过程中选取广泛被使用的3 1 0 n m 中波紫外光。 2 1 4实验建立 本实验主要针对多环芳烃标准物质稳定碳同位素在3 1 0 n m 紫外光波下的分 馏情况进行研究。 在相对封闭的容器中在垂直距离底面1 5 c m 处设置紫外灯( 3 1 0 n m ，8 w ) ，将 处理好的石英滤膜小心分割为4 8 份，将稀释后的标准物质取适量负载于石英滤 膜置于经过处理的石英板上。灯管距离滤膜约1 4 c m 。分别在2 h ，4 h ，6 h ，8 h ， 1 0 h ，1 2 h ，1 4 h ，1 6 h ，1 8 h ，2 0 h ，2 4 h ，2 8 h ，3 2 h ，3 6 h ，4 0 h ，4 4 h ，4 8 h 取出滤 膜，置于棕色样品瓶，准备进行预处理。 第二节样品的预处理 2 2 1 文献中报道的预处理研究状况 2 0 世纪8 0 年代末，随着g c c i r m s 技术的使用，可以连续测定气相色谱流 出的每个化合物的碳同位素组成。同时该分析过程只能基于色谱柱的分离过程 并通过保留时间而定性，故分析前必须对样品进行提取与纯化过程，以尽量去 1 6 第二章样品的采集和分析方法 除干扰杂质，从而避免共溢出与干扰峰。由于本实验选取标准物质作为研究对 象，实验过程中无显著杂质干扰，因此仅考虑提取过程即可。 目前被广泛使用的多环芳烃提取方法包括索氏提取法【5 4 - 5 6 1 、超声波提取法 5 4 - 5 6 】、真空充氮升华法 5 7 1 ，另外还有近些年发展起来的超临界流体萃取法【5 8 5 9 】。 下表对三种方法进行了比较分析： 表2 3 三种不同提取方法的比较 根据分析对比，本论文中样品量较大，样品较纯净，故选取采用超声提取法 提取标准物质样品中的多环芳烃。 1 7 第二章样品的采集和分析方法 2 2 2 本研究所确定预处理流程 本实验选取超声提取法处理载带多环芳烃的滤膜样品，提取多环芳烃。具 体步骤如下： 将滤膜放置于1 0 m l 离心管中，加入二氯甲烷1 0 m l j r 超声( 1 0 0 w ，1 0 m i n ) ，离心( 3 5 0 0 r p m ，1 0 m i n ) 取上清液 上 再次超声( 1 0 0 w ，1 0 m i n ) ，离心( 3 5 0 0 r p m ，1 0 r a i n ) 合并上清液 上 将上清液旋转蒸发( 4 0 c ，0 0 3 m p a ) 近干， 浓缩液与洗涤液移入lm l k d 浓缩管中 1 l i 氮气吹脱至约0 5 m l ，移入a m p o u l e 瓶低温( 一4 ) l避光保存，待测 图2 1 样品中多环芳烃的分析步骤 1 ，所需仪器与设备 1 0 m l 具塞离心管( 自行加工) k d 浓缩管( 天津玻璃仪器厂) 超声波清洗器( a s 31 2 0 ，a u t o s c i e n c e ，天津) 8 0 0 型离心沉淀器( 0 4 0 6 1 ，上海医疗器械集团手术器械厂，上海) 旋转蒸发器( r e 5 2 - - c s ，上海亚荣生化仪器厂，上海) 电热恒温水浴箱( k m h 2 型，余姚工业仪表二厂) 5 0 m l 和2 5 0 m l 圆底烧瓶( 天津玻璃仪器厂) l m l 注射器( 天津玻璃仪器厂) 水环式真空泵( s h b i i i ，郑州长城仪器厂) 1 8 第二章样品的采集和分析方法 氮气吹扫设备( 自制) 2 ，所需试剂及药品 e p a 610 标准混合溶液( s u p e l c o 分类号为4 8 7 4 3 ) 二氯甲烷0 & kc h e m i c a ll t d ，a c s h p l cc e r t i f i e d ) 3 ，提取步骤 ( 1 ) 将取得的滤膜置于具塞离心管中； ( 2 ) 再在离心管中加入1 0 m l 二氯甲烷，置于超声波清洁器中的铁架上，在超 声波清洗器中加入清水，液面与离心管中液面齐平最佳，超声提取1 0 m i n ； ( 3 ) 从超声波清洗器中取出离心管放进离心机中，在3 5 0 0 r p m 下离心1 0 m i n ； ( 4 ) 重复超声与离心一次； ( 5 ) 用旋转蒸发器浓缩( 4 0 。c ，o 0 3 m p a ) 至近干，将浓缩液移入k d 浓缩管中， 用少量二氯甲烷洗涤圆底烧瓶3 次，洗涤液合并入k d 浓缩管中； ( 6 ) 将k d 浓缩管置于氮气流下吹至约0 5 m l ，置于2 m l 棕色色谱样品瓶中， 低温( 4 ) 避光保存。 第三节样品分析 2 3 1多环芳烃稳定碳同位素比值分析的原理 目前的单体化合物精确稳定碳同位素比值分析利用气相色谱燃烧同位素 质谱( g c c i r m s ) 的系统进行。该仪器由三部分组成：气相色谱系统、燃烧并去 除水系统、同位素比值质谱系统。样品由进样口进入系统后，首先经过高温气 化进入色谱柱，经过色谱柱的分离作用后各种化合物顺序进入燃烧系统，燃烧 系统首先是由一个由c u o 为催化剂的氧化炉，在高温环境下( 8 5 0 - 9 4 0 。c ) 通过色 谱柱分离后不同沸点的化合物依次进入其间并迅速被氧化为二氧化碳和水，之 后通过一个冷阱或半透膜过滤过装置进行脱水操作；尾端的同位素比值质谱是 由一块永磁体和交变磁体组成的，不同质量数的二氧化碳( c 0 2 4 4 、c 0 2 4 5 、c 0 2 4 5 ) 经过交变电磁场的加速作用发生不同程度的迁移轨迹偏转，最后进入检测器由 电流响应反映出不同质量数二氧化碳的含量，经与标准物质( 已知稳定碳同位素 比值的二氧化碳标准气体) 比较通过计算软件计算出各单化合物的稳定碳同位素 组成。 1 9 第章样r 铺的采集利分析方法 不芳烃的单体化台物稳定碳同位素比值( g ocr m s ) 分析 睫用7 1 相色谱一燃烧刚位素质谱( g c c i r m s ) ( a g i l e n t6 8 9 0 ，a g i l e n t ， m ei r m s ，g vi n s t r u m e n t ，u k ) 分析样品，色谱柱为h p 5 m s 石英 _ 1 1 1 0 3 2 r a m 0 , 2 5 “m ) o ws c i e n t i f i c t e c h n o l o g i e s ，u s a ) ；数据处理 i b u r 。 幽22 一c i r m s 系统中g c 部分 第一章样品们采集和分析方法 蚓23g c c 一1h 懈系统中i r 懈部分 l 划24 耳謦体g c c i r m s 系统 第二章样品的采集和分析方法 2 。3 2 1 仪器条件 进样口温度为2 8 0 ，无分馏进样模式，进样量lul ；载气为氦气，载气流 速1 5 m l m i n 。升温程序见下图。燃烧系统中催