2016, Vol. 18
2. 中国地质大学(武汉), 生物地质与环境地质国家重点实验室, 地球科学学院/环境学院, 武汉 430074;
3. 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所, 河北 廊坊 065000
2. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, School of Earth Sciences & School of Environmental Studies, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China;
3. Institutes of Geophysical and Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, Hebei Province, China
有机氯农药曾广泛用于防治植物病虫害，具有高毒性、持久性、生物累积性和半挥发性等特点。2,2-双(对氯苯基)-1-氯乙烯 (p,p′-DDE) 是有机氯农药 2,2-双(4-氯苯基)-1,1,1-三氯乙烷 (p,p′-DDT) 的主要一级降解产物 (见 Scheme 1)，在环境中几乎不能被生物所降解，因此残留期非常长[1-3]。已有研究表明，p,p′-DDE 对哺乳动物具有显著的类激素作用，是一种类哺乳动物雄性激素受体物质[4]，当其达到一定浓度时可引起雄性生物畸形发育。
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Scheme 1 |
自然界中的氯元素有两种稳定同位素 35Cl 和 37Cl，两者在不同物相或化合物中的丰度存在一定的差异，这种差异可以通过化合物稳定氯同位素 δ37Cl 值表示[6]。目前，众多国家的研究者利用 δ37Cl 值的分析，相继对有机氯农药及其降解产物的污染状况、环境迁移及转化行为、生态毒性、污染源的控制以及污染防治途径等开展了深入研究[5-6]。通过测定化合物的 δ37Cl 值，可以揭示不同降解途径下氯元素的分馏规律和特征，有利于监测含氯化合物的迁移和降解过程，评价环境体系中含氯有机物的污染和防治措施的有效性。此外，含氯降解产物中 δ37Cl 值也能反映含氯有机物的不同来源，帮助研究者和政府相关部门识别土壤及地下水等环境中有机氯类化合物的污染来源[1-3]。
目前，含氯有机物中 δ37Cl 值的分析技术，即 CSIA (compound specific isotope analysis) 技术，以离线测定法[7-13]为主。离线测定法是将含氯有机物中的有机氯制备为 Cl-，再转化成可检测的物质，如 CH3Cl[7-10]、CsCl[11-12]或 HCl[13]，采用离子色谱法测定 Cl- 产率。同时，采用双路同位素比值质谱法[7] (dual inlet-isotope ratia mass spectrometry,DI-IRMS)、热电离质谱法[11-12] (thermal ionization mass spectrometry,TIMS) 或 GasBench-IRMS 离线法[15]测定 δ37Cl 值。
采用离线法测定含氯挥发性有机物，如二氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯和四氯化碳等化合物中 δ37Cl 值的前处理方法以氧化脱氯法为主，且已有诸多报道[11-19]，如甘义群等报道了氧化脱氯法处理挥发性氯代烃，并测定 δ37Cl 值及其差异[15]。含氯半挥发性有机物 δ37Cl 值测定的氧化脱氯样品前处理方法也有报道，如 Holmstrand 等报道了 p,p′-DDT[20]和 p,p′-DDE[21]的 CuO 氧化脱氯方法，但仅研究了 p,p′-DDT 前处理的实验条件，最终确定反应条件为 630 ℃ 和 2.0 h。而对 p,p′-DDE 氧化脱氯反应条件，脱氯产物 Cl- 与其 δ37Cl 值的相关性以及方法的准确度和精密度尚未见报道。鉴于此，本研究以 CuO 为氧化剂，以含氯半挥发性有机污染物 p,p′-DDE 为目标研究物，借鉴半挥发性有机氯化合物离线法测定 δ37Cl 值的样品制备技术[20-21]，开展适用于测定 p,p′-DDE δ37Cl 值的氧化脱氯样品制备方法的研究 (见 Scheme 2~Scheme 4)，旨在通过氧化脱氯条件的选择、优化，提高样品制备时 Cl- 生成和转化的效率，以及 p,p′-DDE δ37Cl 值测定的准确度，从而为环境中 p,p′-DDE 示踪、溯源或环境行为等研究获取准确的 δ37Cl 值提供更佳的样品制备方法。
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Scheme 2 |
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Scheme 3 |
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Scheme 4 |
1 实验部分 1.1 主要试剂及仪器
p,p′-DDE 标准品 (纯度 99.5%，Chem Service,USA)；CuO 粉末 (用超纯水洗净至无 Cl- 残留，空气中于 900 ℃ 下加热 1 h，去除水分及有机杂质)；AgNO3 (分析纯，国药化学试剂)，液氮 (-196 ℃，湖北省畜牧局制氮厂)；18.2 MΩ/cm 超纯水。
万分之一分析天平 (上海菁华 FA1104N，量程 0~110 g，最小读数 0.000 1 g，精度 0.001 g)；百万分之一精密天平 (瑞士 Mettler Toledo XP6，量程 0~6.1 g，最小读数 0.1 μg，精度 1 μg)；石英反应管 (200 mm × 8 mm)；自制真空制样系统 (图 1)；ICS-900 离子色谱仪 (America,Thermo Fisher Scientific)；GasBench-IRMS (America,Thermo Fisher Scientific,MAT253) 。
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图 1 真空制样系统 Fig. 1 The system of vacuum reaction |
1.2 操作流程
参照甘义群等[15]的方法。由于本研究中无需测试稳定碳同位素值，故不需要收集产物 CO2，操作流程如下：1) 准备：关闭阀门 V1、V2，打开阀门 V3、V4、V5、V6、V7，将系统抽真空至小于 4 Pa；2) 进样：取 1.00 g 预处理后的 CuO 粉末，置于 10 mL 石英反应管底部，准确称量 0.002 2 g 的 p,p′-DDE 加入反应管中；将反应管与真空制样系统连接，将反应管置于 -196 ℃ 液氮中 (避免 p,p′-DDE 在抽真空过程中挥发损失)，关闭阀门 V1、V6，打开阀门 V2、V3和 V7，待系统真空值约为 30 Pa 时，关闭阀门 V2，撤去冷阱，使 CuO 与 p,p′-DDE 在设定温度、时间内反应，生成 CO2 和 CuCl (反应式见 Scheme 2)；3) 富集 Cl-：将反应管取下，加入 10 mL 去离子水浸泡产物 24 h，超声波助溶 2 h 后，用去离子水润洗反应管内剩余固体 3 次，过 0.22 μm 滤头，滤液用高纯水定容至 20 mL，得待测液，备用。
1.3 质量控制由于 Cl- 在自然界和实验室环境中均普遍存在，为了确保实验结果的准确度和灵敏度，方法研究中设置了样品空白对照处理：在反应管中加入预处理的 CuO 粉末 1.00 g，将反应管末端浸泡在液氮中抽真空至 30 Pa 左右，撤去液氮；将反应管置于 820 ℃ 下反应 1 h，后续操作步骤同 1.2 节。重复 3 次。
1.4 分析方法及测定结果的表达取待测液约 8 mL，采用离子色谱法[22]测定 Cl- 浓度 (cCl-)。根据公式 (1) 计算 Cl- 产率 (Cl-/%)。
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(1) |
式 (1) 中，V、m 和 ρ 分别表示样品定容体积、p,p′-DDE 质量和 p,p′-DDE 中 Cl 的质量分数。
向剩余的待测液中加入 0.2 mol/L 过量的 AgNO3，静置反应 24 h (Scheme 3) 后，移去上清液，用 0.01 mol/L 的 HNO3 清洗 AgCl 沉淀 2 次，在 60 ℃ 烘箱内烘干 48 h；挑取约 100 μg AgCl 于 10 mL 棕色螺纹瓶中，用氦气吹扫 30 s 后迅速加入 20 μL CH3I 密封，置于 80 ℃ 烘箱中反应 48 h (反应式见 Scheme 4)；取出冷却至室温，采用 GasBench-IRMS 法[15]测定 CH3Cl 中的 δ37Cl 值。根据公式 (2) 计算 δ37ClproductSOMC/‰ 值[15]。
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(2) |
式 (2) 中，Rproduct、Rreference 分别表示样品和参考标准物质的氯同位素比值，当参考标准物质为平均海洋氯 (standand mean ocean chloride,SMOC) 时，δ37Clproduct/‰ 也写作 δ37ClproductSMOC/‰。
1.5 反应条件的优化 1.5.1 真空度p,p′-DDE 的氧化脱氯反应须在真空条件下完成。为考察真空度对 p,p′-DDE 氧化脱氯反应的影响，分别在 720 ℃、820 ℃ 以及反应 1 h 的条件下，于反应前准备 3 个平行样品，在液氮中抽真空至约 30 Pa，2 个平行样品未抽真空，根据公式 (1) 计算 Cl- 产率，根据 GasBench-IRMS 离线法[15]计算 δ37Cl 值。
1.5.2 反应温度和时间为确定 p,p′-DDE 氧化脱氯的最佳反应温度和时间，在 p,p′-DDE 和氧化剂 CuO 用量不变的条件下，分别设置了不同反应温度 (520、620、720、820 和 900 ℃) 以及不同反应时间 (0.5 和 1 h) 对 Cl- 产率和 δ37Cl 值测定结果精密度的影响。通过测定并计算不同反应条件下 Cl- 产率和 δ37ClproductSOMC 值，得出离线法测试 p,p′-DDE δ37Cl 值的最适氧化脱氯条件。重复 3~5 次。
2 结果与讨论 2.1 真空度对 Cl- 产率及 δ37Cl 值的影响结果 (表 1) 表明：在两个温度条件下，未抽真空处理组 Cl- 的产率 (≤ 80%) 均低于抽真空处理组的 Cl- 产率，且温度越高，δ37Cl 值越偏正。其原因可能是：一方面由于高温及未抽真空反应管中大量的水气与 Cl- 发生反应，产生了易挥发的 HCl[20]，从而造成 Cl- 产率降低。另一方面，根据同位素动力学分馏原理，较轻的 35Cl 先发生副反应，故收集到的 Cl- 的 δ37Cl 值偏正。因此，为提高产物中 Cl- 的产率并避免副反应的发生，高温反应前需将真空值抽至 30 Pa 左右。
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表 1 真空度对 Cl- 产率及 δ37Cl 值的影响 Table 1 Effect of vacuum in the reaction tube on the result |
2.2 反应时间与温度对 Cl- 产率及 δ37Cl 值的影响
图 2 中给出了不同反应温度 (520、620、630、720、820、900 ℃) 及不同反应时间 (0.5、1.0、2.0 h) 条件下，氧化脱氯反应中 Cl- 的产率及产物的 δ37Cl 值。从图中可看出，随反应温度的升高和反应时间的延长，总体上，Cl- 产率逐渐提高，氧化脱氯反应越完全、δ37Cl 的值不断偏正。当反应时间为 1 h 时，在 520~820 ℃ 范围内，其 Cl- 产率从 62% 提高到 98%，δ37Cl 值从 -3.52 ± 0.04‰ 增加到 -2.64 ± 0.12‰；当反应温度为 720 ℃时，反应时间由 0.5 h 增加到 1.0 h 时，其 Cl- 产率则从 91% 提高到 96%。以上结果可用瑞利分馏模型解释[22-23]：35Cl 比 37Cl 先发生反应，因此反应温度越低，Cl- 产率越低，产物的 δ37Cl 值越偏负，分馏程度越大。故本研究反应温度为 520 ℃ 时，Cl- 产率最低，产物的 δ37Cl 值最偏负。
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图 2 反应时间和温度对 Cl- 产率及 δ37Cl 值的影响 Fig. 2 Effect of reaction time and temperature on the yield of Cl- and the value of δ37Cl |
随着反应温度继续升高，δ37Cl 值偏正趋势增强，而 Cl- 产率表现出下降趋势。当反应时间为1 h 时，反应温度从 720 ℃ 升至 900 ℃，δ37Cl 值从 -3.04 ± 0.04‰ 增加到 -0.98 ± 0.09‰，而 Cl- 产率从 96% 降低到 85%。反应温度为 820 和 900 ℃ 时，虽然 δ37Cl 值明显偏正，但其增加趋势和幅度比 520~720 ℃ 条件下更显著。该结果与 Holmstrand 等的研究结果基本一致，即 820 ℃ 和 900 ℃ 的高温可能促进了氧化反应产物中 Cl- 与微量的水气发生副反应[20]，较轻的 35Cl- 优先与水气发生反应产生 HCl，导致收集到的 Cl- 富含 37Cl-，而 δ37Cl 偏正。同理，在 900 ℃ 条件下，当反应时间从 0.5 h 延长至 1 h 时，由于副反应造成 Cl- 产率继续降低，δ37Cl 持续偏正的现象更加显著。因此，为了避免 p,p′-DDE 氧化脱氯过程中产物 Cl- 和 H2O 发生副反应，影响 δ37Cl 值测定结果的准确性，建议反应温度应不高于 720 ℃。
此外，本研究结果还表明：在 520~720 ℃ 和反应 1 h 的条件下，p,p′-DDE 氧化脱氯反应中 Cl- 的产率和 δ37Clproduct 值呈正相关关系，即满足线性方程 y = 1.44x - 4.41 (x 为 Cl- 产率)，R2 = 0.96。并由此方程式可求得，当 Cl- 产率为 100% 时，δ37Cl 值为 -2.97‰。本研究中，当反应温度为 720 ℃ 时，δ37Cl 值为 -3.04‰ ± 0.08‰ (1σ)，与根据线性方程式计算得到的 -2.97‰ 仅相差 0.07‰。p,p′-DDE δ37Cl 值的分析精度在 ± 0.15‰ 以内，优于普遍认可的 δ37Cl 值分析误差 (± 0.2‰)[16]。因此，本研究最终采用 720 ℃ 条件下反应 1 h 为氧化脱氯反应条件。
2.3 空白样品对方法精度的影响研究中通过空白样品中 Cl- 本底浓度的测定验证方法的可靠性。由表 2 可知：3 个平行空白样品中 Cl- 含量平均值为 0.004 mg，远小于处理组 p,p′-DDE 中的 Cl- 含量 (按照分子组成，0.002 2 g 的 p,p′-DDE 含 0.982 4 mg 的 Cl-)。因此，在氧化脱氯反应和样品测定过程中，Cl- 本底浓度可以忽略不计，结果的准确度是可靠的。
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表 2 空白样品对 Cl- 产量的影响 Table 2 The results of production for Cl- yield in blank samples |
3 结论
氧化脱氯反应是离线法测定 p,p′-DDE δ37Cl 值时重要的样品制备技术。本研究以 CuO 为氧化剂，考察了真空度、反应温度和反应时间对 p,p′-DDE 氧化脱氯产物 Cl- 产率及其 δ37Cl 值的影响。结果表明，在 520~720 ℃ 和反应 1 h 的条件下，Cl- 产率与 δ37Cl 值间具有良好的线性相关性，且在 720 ℃ 和反应 1 h 的最佳反应条件下，Cl- 产率可达到 96%，δ37Cl 值测定精度在 ±0.15‰ 以内。与已有报道和广泛使用的文献方法相比[20-21]，缩短了氧化脱氯法样品制备时间。
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