多环芳烃(PAHS)是一类常见的空气污染物，在环境中普遍存在，对人体健康具有危害作用，美国环保署(EPA)将其中的16种列为环境中优先控制的污染物。多环芳烃大多吸附在细颗粒物上[1-2]，从而进入呼吸道危害人体健康，因此测定PM2.5中多环芳烃的含量对评估其健康危害具有重要意义，本文样品前处理采用超声提取法、仪器方法采用液相色谱法测定PM2.5中的多环芳烃，取得了良好的效果。
1 仪器、材料与试剂 1.1 仪器与材料waters2695高效液相色谱仪、waters2489紫外检测器、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)；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)；BinderKBFP240恒温恒湿箱(德国binder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(4.6×250mm)；Pall玻璃纤维滤膜。
1.2 试剂乙腈(色谱纯)；16种PAHs混合标准品：萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、屈、苯并[a]蒽、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，标准品以乙腈为溶剂，每种成分的质量浓度均为20 0 mg/L；实验用高纯水(均经0.22 μm滤膜过滤，超声处理)。
2 方法 2.1 空白滤膜的制备为了去除有机物本底及增加滤膜韧性，用铝箔包裹滤膜在400℃马弗炉中灼烧5 h，在恒温恒湿箱(温度25℃，湿度50%)平衡24 h后称重，再平衡1 h，重新称重，应以2次称量的平均值作为滤膜的重量，称重后将滤膜置于干燥器中备用。
2.2 采样于2014年5月每天连续采样20 h，共采样7 d，采样器流量为100 L/min。将采样后的滤膜放入滤膜夹，用铝箔封装后带回实验室，在恒温恒湿箱中平衡24 h，再次称重后立即分析。
2.3 样品前处理将滤膜4等分，取其中1份向内对折剪碎放入10 mL圆底试管中，加入2.5 mL乙腈，放入超声波清洗器中超声60 min，震荡频率80 kHz，超声结束后取萃取液，用0.45 μm针式过滤器过滤，上机检测。
2.4 方法特性指标的测定方法配制浓度为0.1 μg/mL的混标，连续进样7次计算标准差，以3倍标准差对应的质量浓度为方法的检出限；以4倍检出限作为测定下限[3]；计算相对标准偏差值(RSD)；取实际采样的滤膜，每个滤膜均匀地分为4份，1份作为本底，在剩余的3份滤膜上加入0.4 μg PAHs混标，超声处理后测定，计算每种物质的加标回收率。
2.5 质量控制采样过程中应配置空白滤膜并与采样滤膜一起恒重、称量、记录相关数据，应确保滤膜在采样前后平衡条件一致。膜称量应使用同一台分析天平，称量每批次采样滤膜同时应称量至少一张标准滤膜进行平衡以及称量环境的质量控制。采样滤膜应密闭、低温、避光保存，4 ℃以下冷藏7 d内完成提取，-15℃以下保存30 d内完成提取。
2.6 分析条件 2.6.1 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[4-5]。
2.6.2 检测器波长的选择
本方法采用紫外检测器和荧光检测器串联的方法测定多环芳烃，紫外检测器波长为0~6.5 min：220 nm；6.5 min以后254 nm。荧光检测器的波长程序设定见表 2[6]。16种多环芳烃中，苊烯没有荧光响应，蒽在荧光检测器上的响应比较弱，通过紫外检测器进行积分及计算，其它均通过荧光检测器测定。另外，由于茚并[1, 2, 3-c, d]芘以及苯并[g, h, i]苝的极性较弱，两种物质在同一时间出峰，无法进行有效分离，因而对两种物质的质量浓度合并计算。
| 时间/min | 0 | 7.6 | 10.2 | 17.5 | 29 |
| λex/nm | 280 | 254 | 270 | 286 | 305 |
| λem/nm | 324 | 402 | 384 | 430 | 480 |
3 结果 3.1 回归方程与相关系数
配制质量浓度为0.05、0.1、0.5、1.0和5.0 μg/mL的标准系列，取10 μL进样，以峰面积为纵坐标，质量浓度为横坐标得到标准曲线及相关系数(r2)，结果见表 3。
| 组分 | 紫外检测器 | 荧光检测器 | ||
| 标准曲线 | r2 | 标准曲线 | r2 | |
| 萘 | y=4.38×105x-1.26×103 | 1 | y=1.08×108x-3.03×105 | 1 |
| 苊烯 | y=1.03×105x-772 | 1 | 1 | |
| 芴 | y=7.17×104x-658 | 1 | y=8.85×108x + 4.69×106 | 1 |
| 苊 | y=1.69×105x-695 | 1 | y=3.59×107x + 1.70×106 | 1 |
| 菲 | y=3.65×105x + 7.8×103 | 1 | y=5.26×108x + 3.90×107 | 1 |
| 蒽 | y=4.17×104x-619 | 1 | 1 | |
| 荧蒽 | y=3.46×104x-545 | 1 | y=2.63×108x + 3.30×106 | 1 |
| 芘 | y=9.94×104x-364 | 1 | y=3.89×108x + 8.37×106 | 1 |
| 屈 | y=1.45×105x-405 | 1 | y=4.51×108x + 1.44×107 | 1 |
| 苯并a蒽 | y=1.13×105x-766 | 1 | y=3.07×108x + 2.85×106 | 1 |
| 苯并b荧蒽 | y=7.87×104x-974 | 1 | y=1.24×109x + 1.61×107 | 1 |
| 苯并k荧蒽 | y=1.04×105x-1.56×103 | 1 | y=8.79×108x + 1.18×107 | 1 |
| 苯并a芘 | y=2.45×104x-1.56×103 | 0.9983 | y=3.09×108x + 5.71×106 | 1 |
| 二苯并[a, h]蒽 | y=4.03×104x-2.58×103 | 0.9981 | y=3.05×108x + 2.33×106 | 1 |
| 苯并[g, h, i]芘茚并[1, 2, 3-c, d]芘 | y=9.82×104x-4.75×103 | 0.9994 | y=1.06×108x-8.15×105 | 1 |
3.2 方法特性指标
依照2.4所描述的方法进行测定，方法检出限、测定下限、精密度、加标回收率的数值如见表 4。
| 组分 | 紫外检测器 | 荧光检测器 | ||||||
| 检出限/(ng/m3) | 测定下限/(ng/m3) | RSD/% | 加标回收率/% | 检出限/(ng/m3) | 测定下限/(ng/m3) | RSD/% | 加标回收率/% | |
| 萘 | 0.028 | 0.112 | 12.6 | 53.1 | 0.043 | 0.172 | 13.7 | 54.2 |
| 苊烯 | 0.011 | 0.044 | 11.1 | 60.2 | ||||
| 苊 | 0.015 | 8.5 | 61.6 | 0.005 | 9.4 | 54.3 | ||
| 芴 | 0.009 | 0.036 | 6.9 | 87.7 | 0.251 | 1.004 | 8.1 | 84.2 |
| 菲 | 0.012 | 0.048 | 7.0 | 100.2 | 0.015 | 0.06 | 7.2 | 97.8 |
| 蒽 | 0.032 | 0.128 | 3.4 | 113.7 | ||||
| 荧蒽 | 0.008 | 0.032 | 2.8 | 81.8 | 0.012 | 0.048 | 1.0 | 84.5 |
| 芘 | 0.018 | 0.072 | 3.7 | 91.3 | 0.006 | 0.024 | 5.5 | 86.3 |
| 屈 | 0.016 | 0.064 | 4.6 | 85.5 | 0.006 | 0.024 | 3.5 | 87.5 |
| 苯并[a]蒽 | 0.007 | 0.028 | 3.8 | 83.5 | 0.007 | 0.028 | 2.7 | 85.0 |
| 苯并[b]荧蒽 | 0.060 | 0.24 | 7.8 | 81.4 | 0.007 | 0.028 | 2.8 | 86.1 |
| 苯并[k]荧蒽 | 0.049 | 0.196 | 6.3 | 83.9 | 0.009 | 0.036 | 4.1 | 84.3 |
| 苯并[a]芘 | 0.042 | 0.168 | 3.9 | 86.6 | 0.009 | 0.036 | 1.7 | 83.0 |
| 二苯并[a, h]蒽 | 0.009 | 0.036 | 4.9 | 82.7 | 0.014 | 0.056 | 5.2 | 78.1 |
| 苯并[g, h, i]芘茚并[1, 2, 3-c, d]芘 | 0.022 | 0.088 | 5.1 | 82.3 | 0.005 | 0.02 | 6.7 | 83.3 |
3.3 实际样品的测定
在离地面约15 m处架设中流量采样器，每天连续采样20 h，共采样7 d，按照2.3的方法处理采样后的滤膜，进样后荧光检测器的图谱见图 1。由于未检出菲，茚并[1, 2, 3-c, d]芘和苯并[g, h, i]苝同一时间出峰，所以图谱中共有12个峰。多环芳烃质量浓度的结果见表 5。
|
| 注：1萘；2苊；3芴；4荧蒽；5芘；6屈；7苯并[a]蒽；8苯并[b]荧蒽；9苯并[k]荧蒽；10苯并[a]芘；11二苯并[a, h]蒽；12茚并[1, 2, 3-c, d]芘、苯并[g, h, i]苝 图 1 实际样品测定的荧光检测器图谱 |
| ng/m3 | |||||||
| 成份样品编号 | D001 | D002 | D003 | D004 | D005 | D006 | D007 |
| 萘 | 0.03 | 0.15 | 0.03 | 0.02 | 0.09 | 0.03 | 0.03 |
| 苊烯 | 2.96 | ND | ND | ND | ND | ND | ND |
| 苊 | 0.73 | 1.36 | 0.75 | 1.50 | 0.76 | ND | ND |
| 芴 | 0.25 | 0.82 | 0.37 | 0.53 | 0.36 | 0.33 | 0.24 |
| 菲 | 0.12 | 0.14 | ND | 0.20 | ND | ND | 0.14 |
| 蒽 | ND | ND | ND | ND | ND | ND | ND |
| 荧蒽 | 0.13 | 0.75 | 0.14 | 0.32 | 0.39 | 0.10 | 0.18 |
| 芘 | 0.22 | 1.33 | 0.23 | 0.27 | 0.80 | 0.25 | 0.31 |
| 屈 | 0.35 | 2.09 | 0.30 | 0.44 | 1.19 | 0.37 | 0.57 |
| 苯并[a]蒽 | 0.49 | 2.94 | 0.42 | 0.84 | 1.76 | 0.61 | 0.81 |
| 苯并[b]荧蒽 | 0.50 | 3.32 | 0.46 | 0.80 | 2.00 | 0.58 | 0.84 |
| 苯并[k]荧蒽 | 0.48 | 3.36 | 0.47 | 0.69 | 2.19 | 0.47 | 0.62 |
| 苯并[a]芘 | 0.23 | 1.52 | 0.45 | 0.12 | 0.98 | 0.25 | 0.40 |
| 二苯并[a, h]蒽 | 0.67 | 4.37 | 0.69 | 1.01 | 2.76 | 0.62 | 1.21 |
| 苯并[g, h, i]芘茚并[1, 2, 3-c, d]芘 | 0.54 | 3.76 | 0.32 | 1.09 | 2.45 | 1.29 | 1.06 |
| ΣPAHS | 7.69 | 25.92 | 4.63 | 7.83 | 15.72 | 4.89 | 6.40 |
| 注：ND表示未检出 | |||||||
4 讨论
16种PAHs的检测在EPA、NIOSH及我国环保部[7-10]的标准方法主要有气相色谱，气相色谱—质谱和液相色谱—紫外—荧光检测器串联3种方法。气相色谱分析高沸点PAHs时分析温度接近分析柱、色谱炉的极限温度，造成仪器寿命减少、分析的灵敏度和精密度降低；气相色谱—质谱分析PAHs也存在样品分析温度较高，组分分离不尽理想的问题；液相色谱分析多环芳烃不需要汽化，适用于沸点较高的组分分析，特别是紫外检测器可以检测全部16种PAHs，但是灵敏度较低；荧光检测器灵敏度虽高，但苊烯无荧光响应，将两种检测器串联使用，可以对16种多环芳烃分离及定量，此方法目前在多环芳烃的测定中广泛使用[11]。
EPA优先控制的16种PAHs环数在2~6个之间，2、3环的多环芳烃蒸气压较高，主要分布在气相；5环以上的多环芳烃蒸气压较低，主要吸附在颗粒物上；4环的多环芳烃在气相和颗粒物上均有分布。以气态形式存在的PAHs采用相应的吸附材料采集，二者的结合比较牢固，洗脱较为困难，5个苯环以上吸附在颗粒物上的PAHs可以通过滤膜采集，相对比较容易从滤膜上洗脱下来。当采用吸附树脂和滤膜采集全相空气中的PAHs，为保证全部16种PAHs的萃取效率，EPA[8]和我国环保部[10]的标准方法中，采用了索氏提取法进行样品前处理，索氏提取法具有洗脱效率高、萃取结果比较稳定的特点，但耗时长，萃取液体积达到数百毫升，需要浓缩、氮吹、定容等步骤后方能上机测定。当采用滤膜采集PM2.5测定其中PAHs含量时，采用超声法进行样品前处理即可取得良好的萃取效果。目前超声提取的操作方法各有不同，本文以NIOSH 5506的方法为基础[9]，选用乙腈作为萃取液，样品超声萃取后，过滤后即可进样，不需要经过样品的浓缩、氮吹，避免了多种中间步骤可能造成的样品损失。
从方法特性和实际样品测定结果来看，本文的方法对16种PAHs分离效果良好，并且前处理方法简便易行、结果稳定，适用于大样本量样品的测定。
| [1] | 黄云碧, 王铁冠, 周家斌. 大气颗粒物中多环芳烃的粒径分布[J]. 化工时刊, 2006, 20(8): 5–8. |
| [2] | 段菁春, 毕新慧, 谭吉华, 等. 广州灰霾期大气颗粒物中多环芳烃粒径的分布[J]. 中国环境科学, 2006, 26(1): 6–10. |
| [3] | 中华人民共和国环境保护部. HJ 168-2010环境监测分析方法标准制修订技术导则[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2010. |
| [4] | 胡健, 张国平, 刘丛强. 固相萃取柱净化一液相色谱法测定大气中多环芳烃[J]. 地球与环境, 2004, 32(3): 94–96. |
| [5] | 张德云, 孙成均, 王涛. 高效液相色谱法测定室内空气中13种多环芳烃[J]. 华西医大学报, 2002, 33(1): 1–13. |
| [6] | Paw IJ. New directions in sample preparation for analysis of organic compounds[J]. Trends in analytical chemistry, 1995, 14(3): 113–120. doi: 10.1016/0165-9936(95)94044-F |
| [7] | Environmental Protection Agency.Method 610-polynuclear aromatic hydrocarbons[S]. Cincinnati, 1992. |
| [8] | Environmental Protection Agency. Compendium method TO-13A determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in ambient air using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS)[S].Cincinnati, 1999. |
| [9] | National Institute for Occupational Safety and Health of the United States of America. Method 5506 polycyclicaromatic hydrocarbon by HPLC[S].Washington:NIOSH, 1998. |
| [10] | 中华人民共和国环境保护部. HJ 647-2013环境空气和废气气相和颗粒物中多环芳烃的测定高效液相色谱法[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2013. |
| [11] | 高庚申, 徐兰, 安裕敏. 紫外一荧光检测器高效液相色谱法测定PM2.5中16种多环芳烃.紫外一荧光检测器高效液相色谱法测定PM2.5中16种多环芳烃[J]. 环境污染与防治, 2013, 35(5): 53–57. |