柱色譜分離-分子篩絡(luò)合洗脫過程中正構(gòu)烷烴單體碳同位素分餾研究

董浩偉， 趙佳玉， 曾凡剛， 謝曼曼， 尚文郁， 王淑賢*， 孫青*

(1.國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心，北京100037；2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100029；3.中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京100029；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；5.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100872)

來源于生物體的正構(gòu)烷烴能夠較穩(wěn)定地保存于地質(zhì)體中[1-2]。不同鏈長的正構(gòu)烷烴能夠大致“標(biāo)記”其物質(zhì)來源。短鏈正構(gòu)烷烴(nC15～nC21)主要來源于水體中的藻類和微生物[3]；中鏈正構(gòu)烷烴(nC23～nC25)主要來源于挺水植物、浮水植物和苔蘚[4]；長鏈正構(gòu)烷烴(nC27～nC35)則主要來源于陸生高等植物[5]。不同鏈長的正構(gòu)烷烴單體碳同位素被廣泛應(yīng)用于示蹤沉積物物源[6-11]，重建古植被[12]、古氣候[13-17]、古環(huán)境[18-22]和古地形[23]等。例如，Rommerskirche等[12]對比了全新世非洲大陸邊緣沉積物的孢粉和正構(gòu)烷烴單體碳同位素?cái)?shù)據(jù)，指出正構(gòu)烷烴單體碳同位素可以有效地重建植被演變歷史。Yamada等[18]分析了日本海洋沉積物的長鏈正構(gòu)烷烴單體碳同位素(n-δ13C29、n-δ13C31)，重建了日本南部距今8.5萬年以來的古環(huán)境演變歷史。饒志國等[24-25]對比研究了中國東部表土總有機(jī)質(zhì)碳同位素和長鏈正構(gòu)烷烴碳同位素，指出表土總有機(jī)質(zhì)碳同位素和陸生高等植物來源的長鏈正構(gòu)烷烴碳同位素同等有效地記錄了來源植被中C3/C4植物的相對生物量貢獻(xiàn)。

利用氣相色譜-氣體同位素質(zhì)譜儀(GC-C-IRMS)分析正構(gòu)烷烴單體碳同位素之前，需要對飽和烴樣品中正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴進(jìn)行預(yù)分離、富集處理，目的是減少未分峰和共流出的干擾，并滿足同位素質(zhì)譜儀的檢出限，提高分析的精密度和準(zhǔn)確度[26-32]。目前，分離富集樣品中正構(gòu)烷烴的常用方法有硫脲絡(luò)合法、尿素絡(luò)合法、高效液相色譜法、柱色譜法、氣相色譜法和5?分子篩法等[33-36]。其中5?分子篩法包括氫氟酸酸解法和混合溶劑洗脫法。氫氟酸酸解法使用氫氟酸破壞分子篩結(jié)構(gòu)釋放正構(gòu)烷烴，但氫氟酸毒性較大、不安全。混合溶劑洗脫法采用正戊烷、環(huán)己烷混合溶劑進(jìn)行洗脫，需要經(jīng)過柱色譜、5?分子篩絡(luò)合、環(huán)己烷-正戊烷混合溶劑多次洗脫過程，前處理流程復(fù)雜，影響因素多，回收率不穩(wěn)定。前處理過程中正構(gòu)烷烴單體碳同位素是否發(fā)生分餾，是正構(gòu)烷烴單體碳同位素高精度分析的關(guān)鍵。

已有研究表明正構(gòu)烷烴回收率約50%或以上時，5?分子篩法不會造成正構(gòu)烷烴單體同位素分餾。例如，Tolosa等[34]研究了樣品經(jīng)5?分子篩絡(luò)合、氫氟酸溶解后得到的正構(gòu)烷烴，發(fā)現(xiàn)正構(gòu)烷烴回收率平均值為53%時碳同位素沒有發(fā)生明顯分餾。張逐月等[28]應(yīng)用5?分子篩絡(luò)合、環(huán)己烷-正戊烷混合溶劑洗脫分離富集正構(gòu)烷烴，正構(gòu)烷烴回收率平均值為59%，正構(gòu)烷烴單體碳同位素分析精度優(yōu)于0.38‰，沒有發(fā)生明顯同位素分餾。Grice等[33]發(fā)現(xiàn)石油樣品經(jīng)5?分子篩絡(luò)合混合溶劑洗脫，正構(gòu)烷烴回收率基本在90%以上，未觀察到前處理造成正構(gòu)烷烴的碳同位素分餾。上述研究表明，當(dāng)正構(gòu)烷烴回收率較高時，前處理過程不會對單體同位素值造成影響。然而，當(dāng)回收率較低時，前處理過程是否會引起碳同位素分餾，以及前處理中各步驟是否會導(dǎo)致正構(gòu)烷烴單體同位素變化仍有待開展深入研究。本文以正構(gòu)烷烴混合溶液為對象，分析了經(jīng)柱色譜、5?分子篩絡(luò)合、混合溶劑洗脫前后的正構(gòu)烷烴單體碳同位素比值，討論了柱色譜分離前后、5?分子篩不完全絡(luò)合前后、兩次洗脫處理前后、正構(gòu)烷烴不同洗脫回收率時的正構(gòu)烷烴單體碳同位素變化特點(diǎn)，著重探討正構(gòu)烷烴低回收率時，前處理過程是否會引起正構(gòu)烷烴單體碳同位素分餾。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及工作條件

GC-2010氣相色譜儀(日本島津公司)，柱箱初始溫度為60℃，以10℃/min程序升溫至250℃，再以6℃/min程序升溫至320℃，恒溫7min。

TraceGC ULTRA-GC ISOLINK接口-MAT253質(zhì)譜儀(美國ThermoFisher公司)。柱箱初始溫度為70℃，以4℃/min程序升溫至320℃，保持10min。氧化爐溫度1000℃。

EG20A plus電熱板(北京萊伯泰科儀器有限公司)；XMTA-C9000馬弗爐(天津市泰斯特儀器有限公司)。

載氣：高純氮?dú)夂透呒兒?99.999%，北京市北溫氣體制造廠)。

1.2 材料和主要試劑

硅膠：500mg/3mL SPE硅膠柱(美國Waters公司)。

接收瓶：60mL透明收集瓶(美國ThermoFisher公司)。

正戊烷、正己烷、環(huán)己烷、二氯甲烷：色譜純(美國ThermoFisher公司)。

工作標(biāo)準(zhǔn)：nC7～nC40正構(gòu)烷烴混合工作標(biāo)準(zhǔn)(美國Sigma公司)。

正構(gòu)烷烴：nC15、nC17、nC21、nC22、nC24、nC26(色譜純，美國Sigma公司)；nC18、nC28、nC32、nC36(分析純，上海安譜公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1模擬樣品配制

模擬樣品是由nC15、nC17、nC18、nC21、nC22、nC24、nC26、nC28、nC32、nC36正構(gòu)烷烴配制而成，單體濃度約為500μg/mL。

1.3.2柱色譜分離

選用500mg/3mL SPE硅膠柱，經(jīng)2mL正戊烷淋洗獲得飽和烴組分。

1.3.35?分子篩絡(luò)合與分析

5?分子篩在使用前需在450℃連續(xù)活化24h，活化后放置于干燥器中保存。

樣品置于60mL接收瓶中，加入適量活化好的分子篩和環(huán)己烷。將接收瓶密封，80℃加熱24h。加熱結(jié)束后待容器冷卻至室溫，收集上清液并濃縮。用環(huán)己烷沖洗分子篩4～5遍，并將沖洗溶劑與前次收集的上清液合并濃縮。利用氣相色譜分析其中正構(gòu)烷烴含量，GC-C-IRMS分析正構(gòu)烷烴單體碳同位素值。

1.3.45?分子篩洗脫與分析

在裝有5?分子篩的ASE接收瓶中，加入體積比為91∶9的正戊烷和環(huán)己烷混合溶劑。密封加熱(85℃，8h)，第一次洗脫后將此次洗脫液濃縮、定容，用氣相色譜和GC-IRMS分別測定正構(gòu)烷烴含量及其單體碳同位素值；第二次洗脫后將此次洗脫液濃縮、定容，同樣用氣相色譜和GC-IRMS分別測定正構(gòu)烷烴含量和單體碳同位素值。

本文涉及的未絡(luò)合率、柱色譜回收率、5?分子篩回收率定義如下：

碳同位素比值(δ13C)，按如下公式計(jì)算：

式中：碳同位素比值δ13C以δ13C-VPDB表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器穩(wěn)定性檢驗(yàn)

單體碳同位素分析中儀器狀態(tài)的穩(wěn)定是數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證[29]。在相同實(shí)驗(yàn)條件下每隔6個樣品穿插分析一次正構(gòu)烷烴工作標(biāo)準(zhǔn)單體碳同位素，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)，進(jìn)行儀器穩(wěn)定性檢驗(yàn)。正構(gòu)烷烴工作標(biāo)準(zhǔn)單體碳同位素分析精度優(yōu)于0.2‰(表1)，表明儀器狀態(tài)穩(wěn)定[26-29]，正構(gòu)烷烴δ13C測定結(jié)果可靠。

表1 工作標(biāo)準(zhǔn)的δ13C值

2.2 柱色譜分離前后單體碳同位素比值對比

柱色譜分離是由液固萃取柱和液相色譜技術(shù)相結(jié)合發(fā)展而來的分離、凈化方法，它是生物標(biāo)志化合物[37]和有機(jī)污染物[38-39]單體同位素分析常用的處理方法。Benbow等[40]認(rèn)為柱色譜處理會引起水溶性有機(jī)化合物碳同位素分餾，但柱色譜處理是否會導(dǎo)致脂溶性正構(gòu)烷烴碳同位素分餾有待進(jìn)一步研究。

本文利用柱色譜處理配制的模擬樣品，柱色譜處理前后的正構(gòu)烷烴回收率為86%～93%。柱色譜處理后，多數(shù)正構(gòu)烷烴單體碳同位素比值與模擬樣品相差-0.2‰～0.2‰(圖1)，同位素分析精度與柱色譜分離水溶性有機(jī)化合物碳同位素分析精度[40]相似，表明柱色譜處理前后正構(gòu)烷烴單體碳同位素沒有發(fā)生分餾。僅n-δ13C32差值較大(-0.7‰，圖1)，可能是因?yàn)閚C32工作標(biāo)準(zhǔn)中含有一定雜質(zhì)，對碳同位素比值的測定造成了影響。

圖1 過柱后單體碳同位素與模擬樣品碳同位素的差值Fig.1 Difference between compound specific carbon isotope and simulate sample carbon isotope after passing through the SPE column

a—正構(gòu)烷烴未絡(luò)合率； b—正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品的差值。圖2 不同未絡(luò)合率正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品的差值Fig.2 Difference between carbon isotopes of n-alkanes with different uncomplexation ratios and simulate sample. (a) The uncomplexation ratio of n-alkanes; (b) The difference value between carbon isotopes of n-alkanes and simulate sample

2.3 5?分子篩不完全絡(luò)合前后單體碳同位素比值對比

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了樣品未被5?分子篩完全絡(luò)合的情況，試圖探討樣品中正構(gòu)烷烴不完全絡(luò)合時單體碳同位素是否會產(chǎn)生明顯分餾。

在絡(luò)合時間、絡(luò)合溫度、正構(gòu)烷烴含量等條件不變的情況下，通過減少5?分子篩加入量，使得正構(gòu)烷烴發(fā)生不同程度地不完全絡(luò)合，未絡(luò)合率為10%～50%(圖2a)。其中低碳鏈正構(gòu)烷烴的未絡(luò)合率較低，高碳鏈正構(gòu)烷烴的未絡(luò)合率較高，其原因可能是低碳鏈正構(gòu)烷烴容易被分子篩絡(luò)合，或濃縮過程中更易發(fā)生揮發(fā)損失[27-28]。將未絡(luò)合的正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)未絡(luò)合的單體碳同位素整體偏重(平均值約0.7‰，圖2b)，短鏈(nC15～nC21)正構(gòu)烷烴比中長鏈(nC23～nC35)偏重更顯著。雖然分析過程中，未絡(luò)合正構(gòu)烷烴的比例一般較小，但考慮到未絡(luò)合部分的單體碳同位素發(fā)生了微弱的同位素分餾，建議分析過程中盡量避免正構(gòu)烷烴的不完全絡(luò)合。

2.4 兩次洗脫處理前后單體碳同位素比值對比

由于同位素質(zhì)譜儀的檢出限較高，而一些環(huán)境樣品中的正構(gòu)烷烴含量低，為了滿足分析要求，需要采用多次洗脫以提高樣品中正構(gòu)烷烴的回收率[27-28]。例如，陳莎莎等[27]對樣品進(jìn)行了三次混合溶劑洗脫，正構(gòu)烷烴平均回收率提高了19%。張逐月等[28]對土壤樣品進(jìn)行了兩次混合溶劑洗脫，也證明了兩次洗脫會對正構(gòu)烷烴回收率有所提高。但多次洗脫需要多次長時間的加熱，可能會導(dǎo)致正構(gòu)烷烴單體碳同位素發(fā)生分餾[27]。

本實(shí)驗(yàn)中，樣品經(jīng)過5?分子篩完全絡(luò)合后，利用混合溶劑洗脫兩次，分析正構(gòu)烷烴回收率及單體碳同位素比值。第一次洗脫后正構(gòu)烷烴回收率為37%～90%，短鏈正構(gòu)烷烴回收率大于50%，中鏈正構(gòu)烷烴回收率較高(大于70%)，而長鏈正構(gòu)烷烴回收率較低(約40%)。第二次洗脫后正構(gòu)烷烴回收率增加了5%～17%，其中長鏈正構(gòu)烷烴的回收率顯著提高(圖3a)。

第一次洗脫后獲得的正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品相差在-0.2‰～0.5‰，第二次洗脫后此差值在-0.3‰～0.2‰。兩次洗脫獲得的正構(gòu)烷烴碳同位素比值均在分析誤差之內(nèi)，未發(fā)生整體的偏輕或偏重(圖3b)。中短鏈正構(gòu)烷烴單體碳同位素偏差較小，但長鏈n-δ13C32和n-δ13C36偏差較大，可能是因?yàn)槟M樣品中含有一定雜質(zhì)，對nC32、nC36碳同位素分析造成了影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩次洗脫不會導(dǎo)致正構(gòu)烷烴單體碳同位素分餾。

a—正構(gòu)烷烴回收率； b—正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品的差值。圖3 不同洗脫回收率正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品的差值Fig.3 Difference between monomer carbon isotope of n-alkanes and simulate sample with different elution recoveries. (a) The recovery rate of n-alkanes; (b) The difference value between carbon isotopes of n-alkanes and simulate sample

2.5 正構(gòu)烷烴不同洗脫回收率時的碳同位素比值對比

在絡(luò)合時間、絡(luò)合溫度等條件不變的情況下，模擬樣品經(jīng)過5?分子篩處理得到不同回收率的正構(gòu)烷烴。影響正構(gòu)烷烴回收率的原因有：①改變分子篩加入量。例如回收率17%是減少分子篩用量、不完全絡(luò)合造成的；②與氮吹濃縮有關(guān)[27-28]；③沖洗分子篩時，振蕩不充分導(dǎo)致正構(gòu)烷烴不完全洗脫[28]；④空氣濕度的變化[41]等。由圖4a可知，中短鏈正構(gòu)烷烴回收率較高，nC32～nC36回收率較低。如nC15～nC25正構(gòu)烷烴回收率為15%～80%，nC32～nC36正構(gòu)烷烴回收率為10%～40%。

正構(gòu)烷烴回收率及絡(luò)合率不同的情況下，其碳同位素與模擬樣品碳同位素的差值基本在0.3‰以內(nèi)(圖4b)，表明回收率及絡(luò)合率均不會對同位素比值造成影響。這與前人的研究結(jié)果一致[27-29，33-34]。但是前人的研究多集中在高回收率的樣品，而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明正構(gòu)烷烴單體回收率低至20%，或高至90%，前處理未對正構(gòu)烷烴單體碳同位素造成明顯的分餾。

a—正構(gòu)烷烴回收率； b—正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品的差值。圖4 不同回收率正構(gòu)烷烴單體碳同位素與模擬樣品碳同位素差值Fig.4 Carbon isotope difference between n-alkanes monomer and simulate sample with different recoveries. (a) The recovery rate of n-alkanes; (b) The difference value between carbon isotopes of n-alkanes and simulate sample

3 結(jié)論

本研究對比了樣品處理前后正構(gòu)烷烴的碳同位素比值，結(jié)果表明固相萃取-5?分子篩絡(luò)合-混合溶劑洗脫前處理過程對正構(gòu)烷烴單體碳同位素分餾不會造成明顯影響：①固相萃取、混合溶劑兩次洗脫前后正構(gòu)烷烴單體碳同位素組成不存在顯著差異。②該方法適用于正構(gòu)烷烴回收率大于20%的樣品中正構(gòu)烷烴單體碳同位素比值分析。

此外，5?分子篩不完全絡(luò)合時，未絡(luò)合的單體碳同位素整體偏重，可能會發(fā)生微弱的碳同位素分餾，但并未影響洗脫后的正構(gòu)烷烴單體碳同位素比值，對該現(xiàn)象還有待進(jìn)一步研究。