超聲提?。诰€固相萃取濃縮/液相色譜法測定大氣顆粒物中超痕量多環(huán)芳烴

黃肇章，王 超，齊煒紅，陳 燁，袁 懋

（1．中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012；2．廣州市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 廣州 510091；3．邯鄲市環(huán)境監(jiān)測站，河北 邯鄲 056000）

大氣顆粒物是影響我國環(huán)境空氣質(zhì)量的重要污染物，尤其在冬季，往往成為首要污染物，嚴(yán)重危害人體健康。多環(huán)芳烴（PAHs）是指分子中含2個或2個以上苯環(huán)或環(huán)戊二烯以稠環(huán)方式形成的一類碳?xì)浠衔?。研究顯示PAHs廣泛存在于大氣顆粒物中，可通過呼吸作用、皮膚接觸等暴露途徑對人體產(chǎn)生致畸、致癌、致突變等危害，因而受到廣泛關(guān)注［1－3］。我國規(guī)定環(huán)境空氣顆粒物中苯并［a］芘（B（a）P）的24小時平均濃度限值為2．5 ng/m3［4］，室內(nèi)空氣中B（a）P的日平均標(biāo)準(zhǔn)限值為1 ng/m3［5］。準(zhǔn)確測定大氣顆粒物中PAHs含量對于評估PAHs暴露風(fēng)險和保障公眾身體健康具有重要意義。

目前顆粒物中PAHs的提取方法主要有超聲提取［6－7］、快速溶劑提?。?］、索氏提取［9］等，檢測方法主要有高效液相色譜法（HPLC）［8，10］、氣相色譜－質(zhì)譜法（GC－MS）［11－12］、氣相色譜三重四極桿質(zhì)譜（GC－MS/MS）［7，9］。大氣顆粒物中PAHs的含量很低，且分析過程中易受污染，因此對分析方法的靈敏度和抗污染能力要求很高。準(zhǔn)確測定大氣顆粒物中低濃度PAHs仍是難點問題。超聲提?。璈PLC法是目前較為理想的顆粒物中PAHs分析方法［13－15］。超聲提取法具有操作簡單、使用溶劑少、萃取速度快等優(yōu)點，且通過避免溶劑濃縮或置換操作，有效降低背景污染。HPLC熒光檢測法的靈敏度高，維護(hù)成本低，易于推廣應(yīng)用。近年來發(fā)展的在線固相萃取/HPLC法，通過對樣品進(jìn)行在線富集和凈化，可實現(xiàn)大體積直接進(jìn)樣分析，有效降低實驗過程中的背景污染，顯著提高方法靈敏度［16－18］。

本文采用超聲提?。诰€固相萃取濃縮/液相色譜建立了大氣顆粒物中15種PAHs的高靈敏分析方法。該方法僅需少量的濾膜樣品，通過大體積直接進(jìn)樣分析，顯著提高了方法靈敏度，樣品提取和制備方法簡單，采用在線固相萃取技術(shù)進(jìn)行濃縮凈化，有效減少了背景污染，已成功應(yīng)用于實際樣品中PAHs的分析。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Ultimate3000雙三元液相色譜系統(tǒng)（美國賽默飛世爾科技公司）：主要配置DGP－3600RS雙梯度分析型色譜泵，WPS－3000TRS自動進(jìn)樣器，F(xiàn)LD－3400RS熒光檢測器，TCC－3000RS柱溫箱（配1個六通閥）等。2210超聲波清洗器、FP41馬弗爐（日本Yamato公司）；高速離心機（湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司）；Direct 8高純水發(fā)生器（法國密理博公司）；顆粒物采樣器（TH－16A，武漢天虹公司）。

PAHs混合標(biāo)樣（200 mg/L，美國AccuStandard公司），包括萘（NAP）、氫苊（ACE）、芴（FLU）、菲（PHE）、蒽（ANT）、熒蒽（FLT）、芘（PYR）、苯并［a］蒽（B（a）A）、?（CHR）、苯并［b］熒蒽（B（b）F）、苯并［k］熒蒽（B（k）F）、苯并［a］芘（B（a）P）、二苯并［a，h］蒽（DBA）、苯并［ghi］苝（BPY）、茚［1，2，3-cd］芘（IND）；甲醇、乙腈（色譜純，德國默克公司）。

1.2 樣品采集

采樣前將石英濾膜（直徑47 mm）放入馬弗爐中于450℃下烘烤4 h。按照HJ 93－2013標(biāo)準(zhǔn)［19］的要求，采用大氣顆粒物采樣器采集大氣顆粒物樣品，流量為16．7 L/min，從上午9∶00至次日上午8∶00連續(xù)采集23 h，同時記錄標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積。采集完畢后將濾膜放入濾膜盒中，避光密封并于－20℃下保存。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)工作溶液制備及樣品前處理

取PAHs混合標(biāo)樣，用甲醇逐級稀釋，分別得到0．04、0．8、4．0、16μg/L的標(biāo)準(zhǔn)使用液。在10 mL棕色進(jìn)樣小瓶中分別加入一定量的標(biāo)準(zhǔn)使用液和25%（體積分?jǐn)?shù)）乙腈溶液，充分混合得到質(zhì)量濃度分別為0．5、1．0、2．0、5．0、10、20、40、80、200、400 ng/L的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

用切膜器從樣品濾膜上裁取面積為1．4 cm2的切片，置于玻璃離心管中，加入2 mL乙腈，在室溫下超聲提取10 min。之后將提取液轉(zhuǎn)移至2 mL進(jìn)樣小瓶，旋緊瓶塞并放入聚丙烯離心管中，以10 000 r/min離心10 min去除懸浮顆粒物。取1 mL上清液于10 mL棕色進(jìn)樣小瓶，再加入3 mL二次去離子水，混合待分析。

1.4 儀器分析條件

在線固相萃取條件：Acclaim Polar AdvantageⅡC18固相萃取柱（50 mm×4．6 mm，3μm，美國賽默飛世爾科技公司）；進(jìn)樣體積為2 mL；流動相為0．05 mol/L乙酸銨溶液（A）和乙腈（B）。泵梯度條件：0～3 min，5%B，1 mL/min；3～25 min，5%～95%B，0．4 mL/min；25～39 min，5%B，1 mL/min。六通閥切換條件：0～3 min，6－1位；3～6 min，1－2位；6～39 min，6－1位。

檢測條件：分析柱Hypersil Green PAH（150 mm×3 mm，3μm，美國賽默飛世爾科技公司）；流動相為0．05 mol/L乙酸銨溶液（A）和乙腈（B）；流速為0．6 mL/min；泵梯度條件：0～10 min，50%B；10～17 min，50%～95%B；17～32 min，95%B；32～39 min，50%B；柱溫為20℃；熒光檢測條件見表1。

表1 15種PAHs的熒光檢測條件Table 1 Fluorescence detection conditions of 15 PAHs

在線固相萃取/液相色譜分析過程如圖1所示，包括兩種模式：Position A和Position B。樣品上樣、萃取柱平衡和色譜分離檢測在Position A模式下完成，而萃取柱洗脫在Position B模式下完成。具體分析過程為：六通閥的初始閥為6－1位，2 mL樣品通過右泵的5%乙腈推送至在線SPE柱；經(jīng)在線固相萃取后，在第3 min六通閥切至1－2位，通過左泵以50%乙腈將SPE柱上的目標(biāo)分析物洗脫沖入分析流路；第6 min，PAHs完全進(jìn)入分析流路，六通閥切回至6－1位，PAHs在分析柱進(jìn)行分離及后續(xù)測定，SPE柱用95%、5%乙腈依次凈化和平衡。

圖1 在線固相萃取/液相色譜分析流路示意圖Fig．1 Flow schematic of online SPE/LC

2 結(jié)果與討論

2.1 分析條件的優(yōu)化

由于PAHs具有較強的疏水性，因此可通過C18填料的固相萃取柱進(jìn)行富集凈化。本實驗選擇Acclaim Polar AdvantageⅡC18固相萃取柱（50 mm×4．6 mm，3μm），比較了不同濃度乙腈及洗脫時間對萃取效果的影響，結(jié)果顯示采用50%（體積分?jǐn)?shù)）乙腈溶液對小柱沖洗3 min，可將保留的PAHs全部洗脫下來。采用PAHs專用分析柱Hypersil Green PAH（150 mm×3 mm，3μm），通過優(yōu)化流動相條件，可實現(xiàn)15種PAHs的基線分離（見圖2）。

圖2 15種PAHs（400 ng/L）的熒光檢測譜圖Fig．2 Chromatogram of the 15 PAHs（400 ng/L）by fluorescence detector the peak numbers were the same as those in Table 1

2.2 樣品預(yù)處理條件的優(yōu)化

2.2.1 提取條件的優(yōu)化 分別考察了超聲提取溫度（20、30、40℃）、提取時間（10、20、30 min）和提取劑體積（2、4、6 mL）對實際濾膜樣品中PAHs提取效果的影響。結(jié)果顯示，在不同的超聲提取溫度、提取時間和提取劑體積下，15種PAHs的信號響應(yīng)無明顯差異。為提高樣品提取的便捷性以及方法靈敏度，確定超聲提取溫度為室溫，提取時間為10 min，提取劑體積為2 mL。

考察了聚丙烯材質(zhì)移液槍頭、聚丙烯離心管等塑料材質(zhì)耗材的背景污染情況。結(jié)果顯示，提取過程中采用乙腈浸泡清洗聚丙烯材質(zhì)離心管，可顯著降低NAP、ACE、FLU、PHE、ANT等低環(huán)PAHs的背景污染，而對聚丙烯材質(zhì)移液槍頭采用乙腈浸泡清洗并不能明顯消除背景污染。因此確定聚丙烯離心管可引起顯著的背景污染。為進(jìn)一步消除背景污染，采用玻璃材質(zhì)的離心管進(jìn)行超聲提取。

2.2.2 上機樣品的制備 采用不同濃度的乙腈水溶液配制10 ng/L的PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，考察了乙腈體積分?jǐn)?shù)（20%、25%、30%、35%、40%）對PAHs熒光信號的影響。結(jié)果顯示，隨著乙腈體積分?jǐn)?shù)的增加，多數(shù)PAHs的熒光信號響應(yīng)增強，其中高環(huán)數(shù)PAHs（如B（b）F、B（k）F、B（a）P、DBA、BPY和IND）的信號強度可達(dá)到20%乙腈條件下的2倍以上；當(dāng)乙腈體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%以上時，低環(huán)PAHs的峰形變差，有明顯拖尾現(xiàn)象；乙腈體積分?jǐn)?shù)超過40%時，PAHs的峰形拖尾嚴(yán)重或不成峰形。最終確定制備的上機樣品中乙腈體積分?jǐn)?shù)為25%。

2.3 離子干擾的去除

PAHs的熒光信號易受離子的影響，導(dǎo)致信號響應(yīng)增強或降低。在PAHs提取和樣品制備過程中顆粒物樣品可釋放大量離子（如硫酸根、硝酸根、銨根、醋酸根離子），對PAHs的熒光信號產(chǎn)生影響。本實驗在制備和分析80 ng/L PAHs標(biāo)準(zhǔn)工作溶液時，考察了當(dāng)樣品制備分別采用礦泉水和二次去離子水，以及在線固相萃取/液相色譜分析中分別采用二次去離子水－乙腈和0．05 mol/L乙酸銨溶液－乙腈作為流動相時PAHs熒光信號的變化情況。結(jié)果顯示，無論是制備中引入的離子（采用75%礦泉水/25%乙腈），還是流動相中的離子（0．05 mol/L乙酸銨溶液－乙腈），均能顯著增強PAHs的熒光信號。通過采用0．05 mol/L乙酸銨溶液－乙腈為流動相，可消除制備的樣品和標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中離子含量不同而導(dǎo)致PAHs熒光信號差異的干擾，使PAHs的熒光信號響應(yīng)保持穩(wěn)定。因此，確定采用二次去離子水制備樣品，0．05 mol/L乙酸銨溶液－乙腈作為流動相，以去除離子含量不同引起的干擾。

2.4 方法性能

2.4.1 線性關(guān)系與檢出限 配制系列質(zhì)量濃度的PAHs標(biāo)準(zhǔn)工作溶液（0．5、1．0、2．0、5．0、10、20、40、80、200、400 ng/L），依次進(jìn)樣分析，以PAHs的峰面積對其質(zhì)量濃度進(jìn)行線性擬合得到標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。通過分析低濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，以3倍信噪比（S/N=3），按照采樣體積為23 m3，含顆粒物的濾膜面積12 cm2，切取濾膜面積為1．4 cm2計算方法檢出限（LOD）。結(jié)果如表2所示，15種PAHs在不同的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)（r）均大于0．992，LOD為0．03×10－3～33．27×10－3ng/m3，其中B（a）P的檢出限為0．67×10－3ng/m3，遠(yuǎn)低于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的B（a）P標(biāo)準(zhǔn)限值（2．5 ng/m3）［4］。已有文獻(xiàn)報道顯示，PAHs的HPLC方法檢出限為0．007～0．062 ng/m3［8］、0．003～0．036 ng/m3［14］、0．004～0．19 ng/m3［15］，B（a）P的方法檢出限為0．028 ng/m3［8］、0．004 ng/m3［14］、0．02 ng/m3［15］，且需使用1/4至整張濾膜（約12～50 cm2）進(jìn)行前處理。與其他方法相比，本方法的靈敏度提高了1～2個數(shù)量級，使用濾膜少（僅1．4 cm2），且自動化程度高。

2.4.2 回收率與相對標(biāo)準(zhǔn)偏差 在空白濾膜上分別加入0．32、1．6 ng的15種PAHs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（對應(yīng)上機樣品質(zhì)量濃度分別為40、200 ng/L），采用本方法進(jìn)行分析（見表2）。結(jié)果顯示，15種PAHs在低、高加標(biāo)濃度下的回收率分別為91．4%～126%和103%～123%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，n=6）分別為4．4%～10%和5．2%～12%，表明本方法的準(zhǔn)確度和精密度良好，可用于顆粒物中PAHs的提取和測定。由于方法的靈敏度較高，當(dāng)進(jìn)一步降低加標(biāo)量時，部分PAHs的背景污染程度以及變化情況不可忽視，顯著影響加標(biāo)回收率和RSD。當(dāng)加標(biāo)量為0．016 ng（對應(yīng)上機樣品質(zhì)量濃度為2 ng/L）時，NAP、ACE等PAHs的回收率異常增大或為負(fù)值，或RSD大于20%，僅B（a）P、B（a）A、CHR、B（k）F等PAHs仍可得到可靠的結(jié)果，其平均回收率（n=6）為92．2%～123%，RSD為7．6%～9．1%。

表2 15種PAHs的線性范圍、相關(guān)系數(shù)、方法檢出限、加標(biāo)回收率和RSD（n=6）Table 2 Linear ranges，correlation coefficients（r），LODs，spiked recoveries and RSDs（n=6）of the 15 PAHs

2.5 實際樣品分析

應(yīng)用建立的方法分析了采自3個國家大氣背景點的PM2．5樣品，結(jié)果見表3。15種PAHs單體含量為未檢出～3．34 ng/m3，總含量為1．01～15．32 ng/m3，其中B（a）P含量均低于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)限值（2．5 ng/m3）。結(jié)果顯示3個國家大氣背景點顆粒物中的PAHs濃度和分布特征存在顯著差異。

表3 大氣顆粒物中15種PAHs含量（ng/m3）Table 3 Contents of the 15 PAHs in atmospheric particulates（ng/m3）

（續(xù)表3）

3 結(jié) 論

本文建立了大氣顆粒物中15種PAHs的超聲提?。诰€固相萃取濃縮/液相色譜分析方法。該方法靈敏度高、操作簡便、樣品用量少、方法穩(wěn)定、背景干擾小，可用于大氣顆粒物中超痕量PAHs的分析。