鄭祥民，沈　冶，周立旻，楊海軍，陳璞皎，盧　超

1.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062

2.清華大學(xué)化學(xué)系，北京 100084

隨著我國(guó)將PM2.5納入環(huán)境空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，大氣顆粒物因其與人類健康的密切關(guān)系而備受關(guān)注[1]。環(huán)境毒理學(xué)研究表明，城市大氣中的自由基是心血管、衰老、腫瘤等疾病的潛在致病源[2]，而自由基的氧化損傷又是大氣顆粒物致病的重要機(jī)制[3]。有關(guān)研究認(rèn)為，顆粒物表面附著穩(wěn)定的醌類/半醌類自由基[4-6]，盡管這些自由基的濃度很低，但一旦進(jìn)入人體肺部便會(huì)與氧發(fā)生反應(yīng)，生成活性氧自由基(ROS)，進(jìn)而產(chǎn)生一系列毒理反應(yīng)[7-10]，嚴(yán)重危害人體健康。Dellinger[4-6]等利用電子自旋共振譜儀(ESR)在PM2.5表面檢測(cè)到穩(wěn)定的半醌自由基，并發(fā)現(xiàn)這類自由基會(huì)對(duì)人體細(xì)胞DNA造成氧化損傷[4-5,11]；Yamanaka等[12]在不同燃燒途徑產(chǎn)生的顆粒中發(fā)現(xiàn)，ESR信號(hào)來(lái)自碳中心自由基的聚合物；Cho等[13]利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)首次將柴油燃燒尾氣顆粒中的4種醌類自由基的濃度量化；Valavanidis等[14-15]使用高效液相色譜(HPLC)在顆粒物苯萃取液中測(cè)定了5種不同結(jié)構(gòu)的醌類自由基，并在萃取后的顆粒殘?bào)w中檢測(cè)到碳中心自由基；邵敏等[16-17]利用水楊酸浸漬膜捕集-高效液相色譜技術(shù)進(jìn)行了同步的大氣HO·自由基現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并分析其影響因素。

由于缺乏便捷有效的檢測(cè)技術(shù)，城市大氣顆粒物中的自由基一直未能納入大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中。該研究嘗試將電子自旋共振波譜技術(shù)應(yīng)用于大氣顆粒物表面穩(wěn)定自由基的定性和定量檢測(cè)，為城市大氣環(huán)境中穩(wěn)定自由基的日常監(jiān)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)便可行的分析測(cè)試方法。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣品采集

采樣點(diǎn)分別設(shè)在上海市城區(qū)(華東師范大學(xué)普陀校區(qū))和郊區(qū)(華東師范大學(xué)閔行校區(qū))，如圖1所示。采用3通道大氣顆粒物采樣器進(jìn)行3個(gè)粒級(jí)樣品的采集，采樣高度18 m。TSP的采樣流量控制在800 L/h，PM10和PM2.5的采樣流量控制在500 L/h，每連續(xù)10 d采集1組氣溶膠樣品。采用孔徑0.45 μm、直徑50 mm的聚四氟乙烯(PTFE)濾膜作為大氣采樣濾膜。采集的樣品稱重后立即放入-20 ℃冰箱避光保存，2個(gè)月后進(jìn)行穩(wěn)定自由基的測(cè)試。

注：底圖源自長(zhǎng)三角地圖網(wǎng)(http://www.csjmap.com/csjmap)下載的1∶10 000自然地理版上海市地圖,審圖號(hào)為滬S(2010)197號(hào),下載日期為2011-05-20。

1.2儀器與試劑

電子自旋共振譜儀(JES FA200，X-band型)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE52B，5 L)，尼龍針頭過(guò)濾器(Agela，50 nm)。

錐形瓶，茄口瓶，毛細(xì)管，pH試紙，二氯甲烷，甲苯，正己烷，無(wú)水乙醇，去離子水，1,4-萘醌，對(duì)苯醌，鄰苯二酚，對(duì)苯二酚，碳酸氫鈉，碳酸鈉，以上試劑均為分析純?cè)噭?/p>

1.3樣品前處理

醌類自由基是一種脂溶性物質(zhì)，可通過(guò)有機(jī)溶劑抽提分離[18]。該研究采用索氏提取法分離萃取吸附在顆粒物表面的穩(wěn)定自由基。首先，將氣溶膠樣品剪成若干小片，放入裝有40 mL萃取劑的錐形瓶中輕微振蕩10 min，隨后，在避光環(huán)境下連續(xù)浸泡12 h。浸泡后的濾膜在移除前先用10 mL萃取劑沖洗完全，隨后使用尼龍針頭過(guò)濾器對(duì)萃取液進(jìn)行過(guò)濾，濾液在氮?dú)饬餍D(zhuǎn)蒸發(fā)儀中緩慢蒸發(fā)15 min，干燥后的存留物溶于1 mL萃取劑。樣品處理過(guò)程中，使用空白的聚四氟乙烯濾膜作對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

1.4參數(shù)介紹

采用電子自旋共振譜儀測(cè)定顆粒物表面的穩(wěn)定自由基。ESR波譜測(cè)試參數(shù)：微波頻率9 439.791 MHz，功率6.0 mW，中心磁場(chǎng)337.394 mT，掃場(chǎng)寬度4×1 mT，掃描時(shí)間4 min，調(diào)制寬度1×0.1 mT，放大倍數(shù)4×1 000，時(shí)間常數(shù)1 s，溫度18 ℃。同時(shí)用已知單電子濃度的錳標(biāo)準(zhǔn)樣品作參比，錳標(biāo)的強(qiáng)度設(shè)定為470。測(cè)量液體樣品時(shí)，對(duì)于極性大的溶劑，需要將樣品放在毛細(xì)管中進(jìn)行測(cè)試，以避免溶劑對(duì)微波的吸收。g因子值，又稱朗德因素，能夠反映分子內(nèi)部的磁聲特性，是提供分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的重要特征參數(shù)[19]。根據(jù)樣品的不同g值可推斷其中所包含的不同種類自由基的特征信息。

1.5測(cè)試方法的建立

測(cè)試方法參考Dellinger等[4-5]的報(bào)道：將吸附有大氣顆粒物的聚四氟乙烯濾膜卷成細(xì)長(zhǎng)條形，直接插入ESR石英玻璃測(cè)試管中進(jìn)行原位測(cè)試，同時(shí)用空白的聚四氟乙烯濾膜作本底值測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ESR波譜特征表現(xiàn)為單重峰，且具有較寬的波譜帶(圖2)，所有測(cè)試樣品的g因子值均在2.106 1～2.106 5范圍內(nèi)，作本底對(duì)照的PTFE濾膜無(wú)ESR信號(hào)。原位測(cè)試雖然保證了樣品的無(wú)損,具有效率高、操作簡(jiǎn)便、無(wú)前處理等優(yōu)點(diǎn)，但是由于大氣顆粒物是由眾多不同的原子或分子結(jié)合在一起的聚集體所組成的混合物，因而其粒徑范圍、形狀、相態(tài)及化學(xué)組成極其復(fù)雜，不同組分間的ESR信號(hào)很容易相互疊加或干擾，采用原位測(cè)試很難獲得具有辨識(shí)度的有效信號(hào)，故需對(duì)大氣顆粒物樣品進(jìn)行前期的化學(xué)組分分離處理。

圖2　大氣顆粒物樣品的ESR圖譜

1.6萃取劑的選取

在利用ESR測(cè)定自由基的方法中，由于不同溶劑的流動(dòng)速度不同，會(huì)影響到ESR測(cè)試結(jié)果，因此選擇一種合適的萃取劑至關(guān)重要。分別選取正己烷、甲苯和二氯甲烷3種有機(jī)溶劑作為萃取劑，在相同萃取條件和測(cè)試參數(shù)下研究比較ESR檢測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，在相同測(cè)試條件下，使用3種不同溶劑分別萃取同一大氣顆粒物樣品后的萃取液具有不同的ESR波譜性質(zhì)(見(jiàn)圖3～圖5)。3張圖譜的總體特征均表現(xiàn)為三重分裂，但每重分裂的精細(xì)分裂情況有很大差異。正己烷萃取液中的精細(xì)分裂最多，噪聲最大，且譜線較寬；甲苯萃取液中的分裂情況相對(duì)較好，且信噪比較高。自由基信號(hào)最清晰的是二氯甲烷萃取液，主體表現(xiàn)為清晰的三重信號(hào)峰，每重峰又裂分為3個(gè)尖細(xì)的窄峰，信噪比也相對(duì)較好。另外，結(jié)合3張ESR圖譜可以看到，3種不同萃取液檢出的電子自旋濃度(即自由基的濃度)存在較大差異，表現(xiàn)為二氯甲烷>甲苯>正己烷，說(shuō)明在相同萃取條件和萃取時(shí)間下，二氯甲烷的萃取效率最高。因此，實(shí)驗(yàn)采用二氯甲烷作為大氣顆粒物樣品的萃取溶劑。

圖3　大氣顆粒物樣品正己烷萃取液的ESR圖譜

圖4　大氣顆粒物樣品甲苯萃取液的ESR圖譜

圖5　大氣顆粒物樣品二氯甲烷萃取液的ESR圖譜

2　結(jié)果與討論

ESR分析數(shù)據(jù)表明，測(cè)試的大氣顆粒物樣品g值均為2.002 7～2.004 7，可以判斷信號(hào)來(lái)源于半醌類自由基。將檢測(cè)結(jié)果分別與1,4-萘醌、對(duì)苯醌、鄰苯二酚、對(duì)苯二酚(4種醌類物質(zhì)的g值均為2.003 8～2.004 0)的堿性飽和溶液ESR波譜比較發(fā)現(xiàn)，無(wú)論g值或波譜特性，顆粒物樣品的二氯甲烷萃取液檢測(cè)結(jié)果與鄰苯二酚半醌自由基的信號(hào)特征相近，均表現(xiàn)為顯著的三重信號(hào)峰。由此推斷，通過(guò)這種分析方法在上海城市大氣顆粒物表面至少可以檢測(cè)到一種鄰位半醌自由基，該結(jié)果與Pryor等[11，14-15]的檢測(cè)結(jié)果一致。通過(guò)錳標(biāo)定量的方式可以估算顆粒物樣品表面半醌自由基的濃度(圖6)，結(jié)果表明，閔行采樣點(diǎn)TSP、PM10和PM2.5的半醌自由基平均濃度分別為5.02×105、5.54×105、9.43×105g-1，而普陀采樣點(diǎn)的半醌自由基濃度均值分別為2.02×105、3.50×105、7.16×105g-1，閔行采樣點(diǎn)的濃度分別是普陀的2.49、1.58、1.32倍。可見(jiàn)，閔行站位半醌自由基的濃度遠(yuǎn)大于普陀站位，這種差異很可能與采樣點(diǎn)周邊的環(huán)境有關(guān)，值得深入研究。

圖6　采樣點(diǎn)顆粒物萃取液的ESR圖譜(加錳標(biāo))

3　結(jié)論

以二氯甲烷作為萃取溶劑，采用索氏抽提法，萃取分離了吸附在大氣顆粒物表面的穩(wěn)定半醌自由基，并利用電子自旋共振波譜技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了定性和定量檢測(cè)。研究結(jié)果表明，使用該種測(cè)定方法，在上海市大氣顆粒物表面至少可以檢測(cè)到一種鄰位半醌自由基信號(hào)。通過(guò)錳標(biāo)定量的方式估算，閔行采樣點(diǎn)TSP、PM10和PM2.5表面半醌自由基的平均濃度分別為5.02×105、5.54×105、9.43×105g-1，而普陀采樣點(diǎn)的自由基濃度均值為2.02×105、3.50×105、7.16×105g-1?？紤]到萃取效率很難達(dá)到100％，顆粒物表面半醌自由基的實(shí)際濃度均會(huì)高于檢出值。另外，由于缺乏大氣顆粒物表面穩(wěn)定自由基的標(biāo)準(zhǔn)樣品，因此，目前所有針對(duì)大氣顆粒物表面穩(wěn)定自由基的測(cè)定方法中都無(wú)法提供檢測(cè)方法的回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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