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多环芳烃在空气中的存在状态与苯环的数量有关, 2、3环的多环芳烃蒸气压较高, 主要分布于气相, 可以通过吸附树脂采集; 5环以上的多环芳烃蒸气压较低, 主要吸附在颗粒物上, 可以通过滤膜采集; 4环的多环芳烃在气相和颗粒物上均有分布, 在树脂和滤膜中按一定比例分配。EPA优先控制的16种多环芳苯环数在2~6个之间, 有研究测定了其在树脂和滤膜上的分配比例[1], 苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1, 2, 3-c, d]芘、二苯并[a, h]蒽、苯并[g, h, i]苝6种物质主要吸附在颗粒物上[2], 可以通过空气采样器采集到滤膜上。本文比较了索氏提取法与超声提取法对滤膜采集到的多环芳烃的提取效果, 为实验室采用合适的样品前处理方法提供依据。
1 仪器、试剂与材料 1.1 仪器Waters 2695高效液相色谱仪(美国Waters公司); waters 2475荧光检测器(美国Waters公司); 舒美KQ-500VDE双频数控超声波清洗器(天鹏电子新技术(北京)有限公司); 其林贝尔QL-861漩涡混合器(江苏其林贝尔仪器制造有限公司); ANPEL DC12H氮吹仪(上海安谱科学仪器有限公司); HEIDOLPH LR-4001G旋转蒸发仪(德国HEIDOLPH公司); 索氏提取器(北京华业寰宇化工有限公司); 武汉天虹TH-150C智能中流量PM2.5采样器(武汉市天虹仪表有限责任公司); 密理博Milli-Q Reference超纯水系统(美国Millipore公司); 安捷伦ZORBAX Eclipse多环芳烃专用色谱柱(4.6 mm × 250 mm)。
1.2 试剂乙腈(色谱纯); 乙醚(色谱纯); 正己烷(色谱纯); 以乙腈为溶剂的16种PAHs混合标准品, 每种成分的质量浓度均为200 mg/L。实验用高纯水, 均经0.22 μm滤膜过滤, 超声处理。
1.3 材料Pall玻璃纤维滤膜; 针式过滤器。
2 研究方法 2.1 空白滤膜及采样滤膜的制备玻璃纤维滤膜放入马弗炉中, 400℃灼烧5 h, 在恒温恒湿箱(温度25℃, 湿度50%)平衡24 h后称重, 将制备好的空白滤膜置于干燥器中备用。采样器流量为100 L/min, 安装空白滤膜连续采样24 h, 将采样后的滤膜放入滤膜夹, 用铝箔封装滤膜夹带回实验室, 将滤膜放在恒温恒湿箱中平衡24 h, 再次称重后立即进行分析或-15℃以下保存, 30 d内完成分析。
2.2 样品前处理 2.2.1 超声提取法将滤膜4等分, 其中3份作为加标膜, 1份作为本底膜。每份向内对折并剪碎后分别放入10 mL圆底试管中, 加入2.5 mL乙腈, 漩涡后放入超声波清洗器中超声30 min, 震荡频率80 kHz, 超声结束后取萃取液以0.45 μm针式过滤器过滤后上机检测。
2.2.2 索氏提取法配制250 mL乙醚、正己烷混合液(v:v=1:9) 做为样品提取液, 将滤膜4等分, 其中3份作为加标膜, 1份作为本底膜。每1份分别放入索氏提取器内, 循环4次/h, 提取16 h。索氏提取完成后, 将250 mL提取液在旋转蒸发仪内浓缩至小于1 mL, 反复清洗几次后合并提取液, 氮吹至近干, 用乙腈定容至1 mL后, 经0.45 μm针式过滤器过滤后上机检测。
2.3 分析条件 2.3.1 色谱分析条件以乙腈和水作为流动相, 流速1 mL/min, 柱温25℃, 进样量10 μL。采用梯度洗脱, 洗脱程序见表 1。
2.3.2 荧光检测器波长的选择
依据每种物质的最佳激发波长和发射波长、参考相关文献[3-4]、结合检测过程中仪器的条件进行优化, 荧光检测器的波长程序设定见表 2。
3 结果 3.1 标准曲线的制备及方法的检出限和测定下限
用乙腈作为溶剂, 将上述多环芳烃混和标准溶液稀释为0、0.05、0.1、0.5、1.0和5.0 μg/mL的标准系列, 进样量10 μL, 以质量浓度为横坐标、峰面积为纵坐标制作标准曲线, 计算苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1, 2, 3-c, d]芘、二苯并[a, h]蒽、苯并[g, h, i]苝6种物质的回归方程和相关系数。取0.1 μg/mL浓度点, 连续进样7次, 计算测定值的标准差, 以3倍标准差为检出限、以4倍检出限为测定下限[5](表 3)。在本仪器分析条件下苯并[g, h, i]苝和茚并[1, 2, 3-c, d]芘的出峰时间重合, 难以完全分开, 因而将二者合并计算。
| 物质名称 | 标准曲线 | R2 | 检出限(ng/m3) | 测定下限(ng/m3) |
| 苯并[b]荧恩 | y=1.24×108x + 1.61×107 | 1.000 | 0.007 | 0.028 |
| 苯并[k]荧恩 | y=8.79×108x + 1.18×107 | 1.000 | 0.009 | 0.036 |
| 苯并[a]芘 | y=3.09×108x + 5.71×106 | 1.000 | 0.009 | 0.036 |
| 二苯并[a, h]恩 | y=3.05×108x + 2.33×106 | 1.000 | 0.014 | 0.056 |
| 苯并[g, h, i]苝茚并[1, 2, 3-c, d]芘 | y=1.06×108x +6.62×106 | 1.000 | 0.005 | 0.020 |
3.2 索氏提取法与超声提取法的比较 3.2.1 精密度的比较
将烘烤平衡后的空白滤膜均匀分成4份, 其中3份各加标1 μg, 1份作为本底。将每份加标膜分别放入比色管, 密闭静置过夜。取经上述方法处理过的滤膜, 6份使用超声提取法处理, 6份使用索氏提取法处理, 计算并比较两种样品前处理方法的相对标准偏差(RSD)。6种物质索氏提取法的平均RSD为3.6%, 超声提取法的平均RSD为2.9%(表 4)。
| 物质名称 | RSD(索氏提取法) | RSD(超声提取法) |
| 苯并[b]荧恩 | 3.4 | 2.8 |
| 苯并[k]荧恩 | 3.8 | 4.1 |
| 苯并[a]芘 | 3.7 | 1.7 |
| 二苯并[a, h]恩 | 2.9 | 4.3 |
| 苯并[g, h, i]芘茚并[1, 2, 3-c, d]芘 | 4.0 | 1.7 |
| 平均RSD | 3.6 | 2.9 |
3.2.2 准确度的比较
将采样后的滤膜在恒温恒湿环境中平衡并称重, 将滤膜均匀分为4份, 其中3份各加标1 μg, 1份作为本底, 分别放入比色管中密闭、静置过夜; 相同方法处理烘烤平衡后的空白滤膜。索氏提取法、超声提取法分别处理空白加标膜、采样加标膜各7份, 测定两种样品前处理方法处理空白加标膜、采样加标膜时每种物质的加标回收率。不同处理组苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、二苯并[a, h]蒽、茚并[1, 2, 3-c, d]芘、苯并[g, h, i]苝的加标回收率结果见表 5; 同时分别计算每个处理组6种物质回收率的算数平均数和标准差, 以评价两种样品前处理方法的效果。从表中可见, 索氏提取法处理空白加标膜时6种物质的平均回收率为91.7%、超声提取法为90.3%;索氏提取法处理采样加标膜时6种物质的平均回收率为89.0%、超声提取法为83.3%, 索氏提取法均略高于超声提取法。索氏提取法处理空白加标膜时6种物质回收率的标准差为18.5%、超声提取法为2.8%;索氏提取法处理采样加标膜时6种物质平均回收率的标准差为1.7%、超声提取法为3.1%(表 5)。
| 物质名称 | 空白加标膜 | 采样加标膜 | ||
| 索氏 | 超声 | 索氏 | 超声 | |
| 苯并[b]荧恩 | 81.4 | 90.0 | 90.3 | 85.0 |
| 苯并[k]荧恩 | 63.9 | 91.4 | 86.7 | 86.1 |
| 苯并[a]芘 | 104.1 | 91.5 | 90.7 | 84.3 |
| 二苯并[a, h]恩 | 103.4 | 93.0 | 89.3 | 83.0 |
| 苯并[g, h, i]芘茚并[1, 2, 3-c, d]芘 | 105.7 | 85.7 | 87.8 | 78.1 |
| 6种物质的平均加标回收率 | 91.7 | 90.3 | 89.0 | 83.3 |
| 标准差 | 18.5 | 2.8 | 1.7 | 3.1 |
3.2.3 测定实际样品的比较
安装空白滤膜, 设定采样器流量为100 L/min, 连续采样24 h共采样5 d, 取得5个采样滤膜, 滤膜编号按采样先后顺序为D1~D5。平衡称重后将每份采样滤膜均匀分为2份, 1份采用超声提取法处理, 1份采用索氏提取法处理, 上机测定后计算其浓度(表 6)。
| 物质名称 | 索氏提取法 | 超声提取法 | ||||||||
| D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | |
| 苯并[b]荧蒽 | 3.78 | 0.91 | 0.62 | 0.83 | 2.87 | 3.32 | 1.02 | 0.45 | 0.80 | 2.00 |
| 苯并[k]荧蒽 | 2.78 | 0.96 | 0.26 | 0.71 | 2.70 | 3.36 | 0.96 | 0.27 | 0.69 | 2.19 |
| 苯并[a]芘 | 1.50 | 0.62 | 0.65 | 0.11 | 0.68 | 1.52 | 0.59 | 0.59 | 0.12 | 0.98 |
| 二苯并[a, h]蒽 | 3.03 | 1.34 | 1.88 | 0.95 | 2.64 | 4.37 | 1.29 | 1.59 | 1.01 | 2.76 |
| 苯并[g, h, i]芘茚并[1, 2, 3-c, d]芘 | 6.57 | 1.88 | 5.32 | 2.52 | 4.18 | 6.71 | 2.26 | 4.03 | 2.74 | 3.83 |
| Σ | 17.66 | 5.71 | 8.73 | 5.12 | 13.07 | 19.28 | 6.12 | 6.93 | 5.36 | 11.76 |
4 讨论
索氏提取法是一种经典、可靠的样品前处理方法, 吸附树脂和滤膜采集到的气相及颗粒物样品可以采用索氏提取法处理后测定多种多环芳烃, 但索氏提取法操作繁琐, 提取过程中样品需要经过几次浓缩、提取时间长、萃取剂的耗费量大, 对人员操作方面的要求比较高。细颗粒物可以采集在滤膜上, 较吸附树脂中的气相物质容易萃取, 因此可以采用其他较为容易操作的样品前处理方式替代索氏提取法。超声提取法是一种简单、快速的样品前处理方法, 其原理是利用超声波产生的强烈振动、高加速度、空化效应等使目标物进入萃取溶剂。一般而言超声提取法较索氏提取法的提取效率低[6], 主要原因在于超声萃取时, 容易出现超声死区。在对影响超声提取效率的研究中发现[7], 萃取体积及超声容器底部的形状对超声提取效果有影响, 萃取液体积较大时容易出现超声死区; 使用平底的超声容器时, 会使颗粒物聚集到超声波顶端从而减弱空化现象。本实验采用2.5 mL乙腈作为萃取液、圆底离心管作为超声容器, 避免以上因素影响超声提取的效果。
本文从精密度和准确度两方面对两种样品前处理方法做了比较。将空白膜加标后分别使用索氏提取法和超声提取法处理, 计算RSD比较两种方法的精密度, 超声提取法略优于索氏提取法, 说明在控制了影响超声提取法的几种因素, 例如采用圆底容器、采取合适的萃取体积并在萃取过程中注意控制温度等, 获得了比较稳定的提取效果, 并且超声萃取后经滤即可上机测定, 避免了浓缩等步骤造成的样品损失, 所以RSD波动比较小。
对空白滤膜和采样滤膜加标后, 分别采用索氏提取法和超声提取法处理, 测定每种物质的加标回收率, 同时计算不同处理组内6种物质回收率的算数均数和标准差, 以算数均数代表每个处理组的平均回收效率, 以标准差表示每个处理组回收率的离散趋势, 平均回收率越接近100%表示方法的提取效果越理想、回收率的标准差越小表示提取效果越稳定, 以此比较不同处理组的前处理效果。索氏提取法、超声提取法分别处理采样加标膜, 6种物质的平均加标回收率分别为89.0%、83.3%, 说明索氏提取法的提取效率略优于超声提取法。加标回收率的标准差分别为1.7%、3.1%, 说明索氏提取法提取效果的稳定性稍优于超声提取法。在对空白加标滤膜的实验中, 索氏提取法和超声提取法对6种物质的平均加标回收率索氏提取法略高于超声提取法, 但索氏提取法的加标回收率出现了较大的波动, 这可能是由于在使用索氏提取法萃取过程中需要使用较大体积的萃取液, 为了满足进样要求, 在萃取完成后还需进行浓缩萃取液、转移萃取液至离心管、氮吹萃取液至近干后定容, 相对复杂的实验步骤增大了实验当中的不确定性, 诸如转移萃取液时要充分润洗, 氮吹时的温度、气流都会很大程度上影响实验结果, 因此, 虽然对空白加标膜及采样加标膜进行前处理时, 索氏提取法的加标回收率均略优于超声提取法, 但结合RSD及回收率标准差的结果综合分析, 超声提取法相对简单的实验过程, 使得影响前处理效果的不确定因素减少, 从而保证了比较稳定的实验结果。
实际采样滤膜分别采用索氏提取法和超声提取法处理后进行多环芳烃浓度测定, 两组数据6种多环芳烃浓度之和的变化趋势基本一致, 结合两种样品前处理方法的精密度和准确度结果, 说明对于实际样品的测定, 二者均能取得良好而稳定的提取效果。
5 小结本样品前处理方法参照NIOSH 5506[8], 采用乙腈做为萃取溶液, 避免了萃取后的浓缩及定容过程, 减少了操作步骤, 从实验结果分析, 尽管索氏提取法可以取得较高的提取效率, 但由于操作繁琐, 引入的操作步骤及仪器较多, 萃取的稳定性容易受到干扰, 超声提取法由于简化了操作方法, 避免了每一步操作过程中导致的样品损失, 可以取得比较稳定的提取效果, 是一种比较实用、快速的样品前处理方法。
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| [4] | 中华人民共和国环境保护部. HJ 647-2013环境空气和废气气相颗粒物中多环芳烃的测定液相色谱法[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2013. |
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