微波提取-高效液相色譜法測(cè)定大氣顆粒物中的多環(huán)芳烴

王美飛, 楊麗莉, 胡恩宇

(南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 江蘇 南京 210013)

技術(shù)與應(yīng)用

微波提取-高效液相色譜法測(cè)定大氣顆粒物中的多環(huán)芳烴

王美飛*, 楊麗莉, 胡恩宇

(南京市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 江蘇 南京 210013)

建立了一種微波提取-高效液相色譜法測(cè)定大氣顆粒物中多環(huán)芳烴的方法。吸附有顆粒物的超細(xì)玻璃纖維/石英纖維濾膜用正己烷/丙酮(1∶1, v/v)混合溶劑經(jīng)微波提取,提取液用弗羅里硅土柱凈化,經(jīng)濃縮定容后,采用液相色譜法-二極管陣列(PDA)-熒光雙檢測(cè)器測(cè)定。目標(biāo)化合物在20.0～500 μg/L范圍內(nèi)線性良好,相關(guān)系數(shù)不小于0.996 0?？瞻啄ぜ訕?biāo)結(jié)果顯示,目標(biāo)化合物的回收率在56.3%～101%之間。該法已運(yùn)用于南京市大氣顆粒物中多環(huán)芳烴分布的調(diào)查研究。

微波提取;高效液相色譜法;多環(huán)芳烴;顆粒物

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上苯環(huán)或類似苯環(huán)結(jié)構(gòu)的五元環(huán)相連的有機(jī)化合物,是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的具有致癌、致畸和致突變作用的半揮發(fā)有機(jī)污染物。PAHs廣泛存在于環(huán)境中,由于其致癌性、積聚性、移動(dòng)性等特性被認(rèn)為是優(yōu)先控制的一類污染物,有16種PAHs在20世紀(jì)被美國(guó)環(huán)保局列入優(yōu)先控制污染物名單[1]。PAHs也是重要的大氣污染物之一,大氣中的PAHs存在于氣相或顆粒相中,在顆粒相中具有一定的粒徑分布特征。對(duì)于可吸入顆粒物PM10和細(xì)顆粒物PM2.5中PAHs的研究一直是近年來(lái)的熱點(diǎn)。顆粒物的粒徑越細(xì),比表面積越大。PM10和PM2.5都是各種有毒有害污染物質(zhì)的良好載體,又可隨大氣擴(kuò)散,伴隨呼吸過(guò)程進(jìn)入體內(nèi)，影響健康。研究[2-5]表明，可吸入顆粒物和細(xì)顆粒物吸附的有毒有害物質(zhì)與呼吸道疾病的發(fā)病率具有相關(guān)性。不同粒徑顆粒物的環(huán)境效應(yīng)和人體健康效應(yīng)不同,細(xì)粒子具有易于被人體吸入而對(duì)人體健康危害更大的特點(diǎn)。因此,分別測(cè)定顆粒物和細(xì)粒子中PAHs的濃度具有實(shí)際意義。

顆粒物中PAHs的提取技術(shù)有索氏提取法[6-8]、超聲提取法[9,10]、微波提取法[11,12]和加速溶劑提取法[13,14]等。索氏提取法操作繁瑣、溶劑消耗量大[15];超聲提取法較難實(shí)現(xiàn)提取溫度的一致性;加速溶劑提取操作方便,但儀器本身及維護(hù)較昂貴。相對(duì)而言,微波提取法樣品處理通量高,溶劑耗量適中,適用于大批量樣品的預(yù)處理。

常用的PAHs分析方法有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[6-11,13-15]、液相色譜法[12,16,17]、超高效合相色譜法[18]等。部分PAHs組分的分子結(jié)構(gòu)中環(huán)數(shù)較多,沸點(diǎn)較高,且容易在玻璃內(nèi)壁吸附。因此,用氣相色譜法或氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法測(cè)定時(shí),對(duì)進(jìn)樣口的潔凈度要求較高。若進(jìn)樣口有玷污,極易導(dǎo)致響應(yīng)變小,甚至響應(yīng)不成線性。采用液相色譜法雙檢測(cè)器測(cè)定則可極大降低基質(zhì)效應(yīng)。

本文采用微波提取技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理,目標(biāo)化合物用高效液相色譜分析,根據(jù)PAHs的結(jié)構(gòu)特性采用二極管陣列(PDA)和熒光雙檢測(cè)器定量。本法已成功運(yùn)用于實(shí)際調(diào)查[19]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LC-20AT高效液相色譜儀(島津公司,日本),配備PDA檢測(cè)器和熒光檢測(cè)器;MARS 5微波萃取儀(CEM公司,美國(guó));平行蒸發(fā)儀(步琦公司,瑞士)。智能大容量空氣采樣器(TH-1000C II型,武漢天虹智能儀表廠);多組分采樣器(RP公司,美國(guó))。超細(xì)玻璃纖維濾膜(K-49型,200 mm×250 mm,天津市東方綠色技術(shù)發(fā)展公司); QM-A石英纖維濾膜(直徑47 mm, Whatman公司,英國(guó))。

16種多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液2 000 μg/mL(Accustandard公司,美國(guó))。正己烷、丙酮、二氯甲烷、乙腈(色譜純,默克公司,德國(guó))。實(shí)驗(yàn)用水由Milli-Q超純水機(jī)制備。

1.2 樣品采集

樣品采自南京市草場(chǎng)門采樣點(diǎn),采樣年份為2010年,采樣歷時(shí)1年。PM10樣品用TH-1000C II型智能大容量空氣采樣器采集于超細(xì)玻璃纖維濾膜上,采氣流量為1.05 m3/min,每個(gè)樣采集24 h,除1月外每月連續(xù)采集3天,共37個(gè)有效樣品;PM2.5樣品用多組分采樣器采集于石英纖維濾膜上,采氣流量為10～16.7 L/min,每個(gè)樣采集22 h,每月采集4～6天,共60個(gè)有效樣品。

1.3 樣品預(yù)處理

1.3.1 PM10樣品的預(yù)處理

取1/2張采過(guò)PM10樣品的超細(xì)玻璃纖維濾膜,剪碎,裝入微波萃取罐中,加入40 mL正己烷/丙酮(1∶1, v/v)微波提取,提取液經(jīng)平行蒸發(fā)濃縮后轉(zhuǎn)換至正己烷溶劑中,并用正己烷定容至5 mL,取1 mL待凈化。

1.3.2 PM2.5樣品的預(yù)處理

將PM2.5樣品膜剪碎,裝入微波萃取罐中,加入40 mL正己烷/丙酮(1∶1, v/v)微波提取,提取液經(jīng)平行蒸發(fā)濃縮后轉(zhuǎn)換至正己烷溶劑中,并用正己烷定容至1 mL,待凈化。

1.3.3 微波提取條件

微波功率800 W,程序升溫模式,于10 min內(nèi)升至100 ℃,在100 ℃條件下保持20 min。

1.3.4 凈化步驟

用1 g弗羅里硅土柱作為凈化柱,將其固定在凈化裝置上。先用4 mL二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)沖洗凈化柱,再用10 mL正己烷平衡凈化柱(當(dāng)2 mL正己烷流過(guò)凈化柱后關(guān)閉活塞,使正己烷在柱中停留5 min)。將上述提取液加到柱上,再用約3 mL正己烷分3次洗滌裝樣品的容器,將洗滌液一并加到柱上,棄去流出的溶劑。被測(cè)定的樣品吸附于柱上,用10 mL二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)洗滌吸附有樣品的凈化柱,收集洗脫液于濃縮瓶中(當(dāng)2 mL洗脫液流過(guò)凈化柱后關(guān)閉活塞,使洗脫液在柱中停留5 min),濃縮至0.5～1.0 mL,加入3 mL乙腈,再濃縮至0.5 mL以下,最后定容到1.0 mL待測(cè)。

1.4 液相色譜條件

色譜柱:Waters PAH柱(150 mm×4.6 mm, 5 μm),柱溫35 ℃。流動(dòng)相:乙腈+水,梯度洗脫。梯度條件:47.5%乙腈+52.5%水(均為體積分?jǐn)?shù),下同),保持2.5 min, 28.5 min內(nèi)線性變化至90%乙腈+10%水,保持2 min。流速:1.5 mL/min。進(jìn)樣體積:15 μL。PDA檢測(cè)器波長(zhǎng)范圍:190～800 nm; 16種目標(biāo)化合物的檢測(cè)波長(zhǎng)見表1。苊烯無(wú)熒光響應(yīng),故采用PDA檢測(cè)器定量,其余化合物采用熒光檢測(cè)器定量。

表 1 目標(biāo)化合物的發(fā)射、激發(fā)波長(zhǎng)和紫外吸收波長(zhǎng)

*Acenaphthylene shows no fluorescent response.

2 結(jié)果與討論

2.1 液相色譜條件的優(yōu)化

選擇PAH專用柱作為分離柱,目標(biāo)化合物的分離度較普通C18色譜柱有明顯改善。為使檢測(cè)靈敏度達(dá)到最佳,采用雙檢測(cè)器測(cè)定,分別設(shè)定各目標(biāo)物的紫外檢測(cè)波長(zhǎng)和熒光激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)。熒光檢測(cè)器的高選擇性可消除PDA檢測(cè)器可能存在的干擾,PDA檢測(cè)器可作為熒光檢測(cè)器的輔助定性手段。

圖 1 16種多環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖Fig. 1 Chromatograms of the mixed standard solution of the 16 PAHs a. fluorescence (FLR) detection; b. photodiode array (PDA) detection. For peak Nos., see Table 1.

2.2 標(biāo)準(zhǔn)色譜圖、標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

16種PAHs中只有苊烯沒(méi)有熒光響應(yīng),其他15種PAHs標(biāo)準(zhǔn)混合溶液的熒光檢測(cè)色譜圖如圖1a所示;16種PAHs均有紫外響應(yīng),其PDA檢測(cè)色譜圖如圖1b所示。16種目標(biāo)化合物分離良好。

將16種PAHs標(biāo)準(zhǔn)溶液用乙腈稀釋成質(zhì)量濃度為20.0、80.0、100、160、200、500 μg/L的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。以質(zhì)量濃度(x, μg/L)為橫坐標(biāo),峰面積(y)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算各化合物的線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)(見表2)。因苊烯無(wú)熒光響應(yīng),其定量結(jié)果以紫外響應(yīng)計(jì)算。結(jié)果顯示,各目標(biāo)化合物在20.0～500 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)均不小于0.996 0。

分別測(cè)定7份空白加標(biāo)20 ng的平行樣品,計(jì)算7次測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差S,及方法檢出限MDL=t(n-1, 0.99)×S,式中n為平行測(cè)定的次數(shù),t(n-1, 0.99)為自由度為n-1、置信度為0.99時(shí)的t分布(單側(cè))。參考HJ/T 168-2010,當(dāng)n=7時(shí),t(n-1, 0.99)為3.143;以4倍檢出限為定量限。目標(biāo)化合物的檢出限與定量限見表3。與標(biāo)準(zhǔn)方法[20]相比,檢測(cè)靈敏度相當(dāng)。

表 2 目標(biāo)化合物的線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)

* PDA data.y: peak area;x: mass concentration, μg/L.

2.3 微波提取條件的確定

提取溶劑參考文獻(xiàn)[12]方法和EPA 3546,采用

表 3 目標(biāo)化合物的方法檢出限(MDL)和定量限(LOQ)

表 4 目標(biāo)物在空白膜上的加標(biāo)回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=7)

正己烷/丙酮(1∶1, v/v)混合溶劑體系。在空白膜上添加一定量的PAHs,考察提取溫度和提取時(shí)間對(duì)提取效率的影響。溶劑分子吸收微波能量,然后弛豫,以熱能形式釋放能量。微波能量可在短時(shí)間內(nèi)使溶劑溫度快速上升,實(shí)驗(yàn)中采取程序升溫的模式,以避免因提取罐內(nèi)短時(shí)溫度過(guò)高而導(dǎo)致爆罐。結(jié)果表明,目標(biāo)物的回收率隨提取溫度的升高和提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,當(dāng)溫度為100 ℃、提取時(shí)間為20 min時(shí),提取效率最佳。

2.4 空白膜加標(biāo)測(cè)試

在PM2.5空白膜上分別加標(biāo)50、100、200 ng,每個(gè)加標(biāo)水平平行做7份,計(jì)算各目標(biāo)化合物的平均加標(biāo)回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,結(jié)果見表4。各目標(biāo)化合物的回收率在56.3%～101.0%之間,表明本方法可應(yīng)用于顆粒物中PAHs的提取和測(cè)定。

2.5 實(shí)際樣品的測(cè)試

采集南京市大氣顆粒物樣品,按照1.3節(jié)分別對(duì)PM10和PM2.5樣品進(jìn)行預(yù)處理,樣品提取液用1.4節(jié)中的液相色譜條件測(cè)定。某實(shí)際樣品的色譜圖見圖2,凈化后樣品基質(zhì)不干擾目標(biāo)化合物的定量。

圖 2 某實(shí)際樣品的色譜圖Fig. 2 Chromatograms of a real samplea: FLR detection; b: PDA detection. For peak Nos. see Table 1.

將本方法運(yùn)用于2010年南京市顆粒物樣品中16種PAHs的測(cè)定。顆粒物中各PAHs的年平均質(zhì)量濃度及其波動(dòng)范圍見表5。

表 5 顆粒物中各PAHs組分的年平均質(zhì)量濃度

3 結(jié)論

建立的混合溶劑程序升溫微波提取結(jié)合固相萃取凈化前處理技術(shù)可有效提取大氣顆粒物中的多環(huán)芳烴,PDA和熒光雙檢測(cè)器串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)16種多環(huán)芳烴的同時(shí)測(cè)定,在實(shí)際調(diào)查研究中得到良好應(yīng)用。

[1] Zhao W C, Cheng J P, Xie H Y, et al. Environmental Science and Technology, 2006, 29(2): 105

趙文昌, 程金平, 謝海赟, 等. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2006, 29(2): 105

[2] Ha H P, Yang L. Qinghai Environment, 2009, 19(3): 147

哈紅萍, 楊林. 青海環(huán)境, 2009, 19(3): 147

[3] Wang H R, Zhai Q M, Shen J, et al. Environmental Science and Management, 2011, 36(3): 54

王海榮, 翟秋敏, 沈娟, 等. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2011, 36(3): 54

[4] Yang W, Zhao W J, Gong Z N, et al. Environmental Science, 2013, 34(1): 237

楊維, 趙文吉, 宮兆寧, 等. 環(huán)境科學(xué), 2013, 34(1): 237

[5] Ge X Y, Wang L C, Lu Y, et al. Journal of Environment and Health, 2015, 32(6): 494

葛錫泳, 王臨池, 陸艷, 等. 環(huán)境與健康雜志, 2015, 32(6): 494

[6] Lin Y J, Jia J, Wu J G, et al. Fujian Analysis & Testing, 2015, 24(3): 31

林玉君, 賈靜, 吳建剛, 等. 福建分析測(cè)試, 2015, 24(3): 31

[7] Zhao B, Li Y Q, Zhang S K, et al. Chinese Journal of Chromatography, 2014, 32(9): 960

趙波, 黎玉清, 張素坤, 等. 色譜, 2014, 32(9): 960

[8] Wauters E, Van Caeter P, Desmet G, et al. J Chromatogr A, 2008, 1190: 286

[9] Zhao H S, Liu B X, Chang M, et al. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2014, 42(5): 729

趙紅帥, 劉保獻(xiàn), 常淼, 等. 分析化學(xué), 2014, 42(5): 729

[10] Liu B X, Zhao H S, Wang X J, et al. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2015, 36(4): 372

劉保獻(xiàn), 趙紅帥, 王小菊, 等. 質(zhì)譜學(xué)報(bào), 2015, 36(4): 372

[11] Li H, Li G K, Chen H W, et al. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2002, 30(9): 1058

李核, 李攻科, 陳洪偉, 等. 分析化學(xué), 2002, 30(9): 1058

[12] Li J, Zhao Y G, Zhou C H. The Administration and Technique of Environmental Monitoring, 2004, 16(6): 24

李娟, 趙永剛, 周春宏. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù), 2004, 16(6): 24

[13] Zhao H S, Liu B X, Zhang D W, et al. Chinese Journal of Analysis Laboratory, 2014, 33(12): 1454

趙紅帥, 劉保獻(xiàn), 張大偉, 等. 分析試驗(yàn)室, 2014, 33(12): 1454

[14] Gu X L, Li Y M, Sun X H, et al. China Health Standard Management, 2016, 7(1): 14

谷曉琳, 李迎梅, 孫曉紅, 等. 中國(guó)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)管理, 2016, 7(1): 14

[15] Lohmann R, Northcott G, Jones K C. Environ Sci Technol, 2000, 34, 2892

[16] Zhang Z Y, Zhang Y H, Wang Y L, et al. Academic Annual Conference of China Environmental Science Society. Beijing: China Environmental Science Press, 2014: 2560

張肇元, 張玉惠, 王艷麗, 等. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2014: 2560

[17] Wang Q, Zheng G Y, Liu Y L, et al. Journal of Environmental Occupation Medical, 2016, 33(3): 278

王茜, 鄭國(guó)穎, 劉英莉, 等. 環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué), 2016, 33(3): 278

[18] Dai X W, Wei B W, Wang X L, et al. Chinese Journal of Chromatography, 2015, 33(10): 1059

戴雪偉, 衛(wèi)碧文, 望秀麗, 等. 色譜, 2015, 33(10): 1059

[19] Yang L L, Wang M F, Zhang Y Y, et al. Environmental Monitoring in China, 2016, 32(1): 53

楊麗莉, 王美飛, 張予燕, 等. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè), 2016, 32(1): 53

[20] HJ 647-2013

Talent Cultivation Project of Nanjing Science and Technology Bureau (No. 200905019); Scientific Research Project of Nanjing Environmental Protection Bureau (No. 200505).

Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in airborne particles by microwave extraction-high performance liquid chromatography

WANG Meifei*, YANG Lili, HU Enyu

(NanjingEnvironmentalMonitoringCenter,Nanjing210013,China)

A method by using microwave extraction and high performance liquid chromatography was developed to determine polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in airborne particles. The glass/quartz fiber filter, on which particles adsorbed, was extracted with a mixed solventn-hexane/acetone (1∶1, v/v) using microwave, and the subsequent purification of the extract was carried out by a florisil cartridge. The prepared sample was determined by high performance liquid chromatography coupled with photodiode array (PDA) and fluorescence dual-detector. The target compounds showed good linearity between the mass concentration of 20.0 μg/L and 500 μg/L, with the correlation coefficients not less than 0.996 0. The spiked recoveries of target compounds in blank filter ranged from 56.3%-101%. The current method has been applied to investigate the distribution of PAHs in airborne particles in Nanjing City.

microwave extraction; high performance liquid chromatography (HPLC); polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs); particles

10.3724/SP.J.1123.2017.01023

2017-01-19

南京市科學(xué)技術(shù)局人才培養(yǎng)項(xiàng)目(200905019);南京市環(huán)境保護(hù)局科研項(xiàng)目(200505).

O658

A

1000-8713(2017)06-0669-05

第七屆華東地區(qū)色譜、質(zhì)譜學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)推薦論文.

* 通訊聯(lián)系人.Tel:(025)83336949,E-mail:xjmf1290@sina.com.