微波提取-高效液相色谱法测定大气颗粒物中的多环芳烃

王美飞, 杨丽莉, 胡恩宇

(南京市环境监测中心站, 江苏 南京 210013)

技术与应用

微波提取-高效液相色谱法测定大气颗粒物中的多环芳烃

王美飞*, 杨丽莉, 胡恩宇

(南京市环境监测中心站, 江苏 南京 210013)

建立了一种微波提取-高效液相色谱法测定大气颗粒物中多环芳烃的方法。吸附有颗粒物的超细玻璃纤维/石英纤维滤膜用正己烷/丙酮(1∶1, v/v)混合溶剂经微波提取,提取液用弗罗里硅土柱净化,经浓缩定容后,采用液相色谱法-二极管阵列(PDA)-荧光双检测器测定。目标化合物在20.0～500 μg/L范围内线性良好,相关系数不小于0.996 0。空白膜加标结果显示,目标化合物的回收率在56.3%～101%之间。该法已运用于南京市大气颗粒物中多环芳烃分布的调查研究。

微波提取;高效液相色谱法;多环芳烃;颗粒物

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是由两个或两个以上苯环或类似苯环结构的五元环相连的有机化合物,是最早被发现和研究的具有致癌、致畸和致突变作用的半挥发有机污染物。PAHs广泛存在于环境中,由于其致癌性、积聚性、移动性等特性被认为是优先控制的一类污染物,有16种PAHs在20世纪被美国环保局列入优先控制污染物名单[1]。PAHs也是重要的大气污染物之一,大气中的PAHs存在于气相或颗粒相中,在颗粒相中具有一定的粒径分布特征。对于可吸入颗粒物PM10和细颗粒物PM2.5中PAHs的研究一直是近年来的热点。颗粒物的粒径越细,比表面积越大。PM10和PM2.5都是各种有毒有害污染物质的良好载体,又可随大气扩散,伴随呼吸过程进入体内，影响健康。研究[2-5]表明，可吸入颗粒物和细颗粒物吸附的有毒有害物质与呼吸道疾病的发病率具有相关性。不同粒径颗粒物的环境效应和人体健康效应不同,细粒子具有易于被人体吸入而对人体健康危害更大的特点。因此,分别测定颗粒物和细粒子中PAHs的浓度具有实际意义。

颗粒物中PAHs的提取技术有索氏提取法[6-8]、超声提取法[9,10]、微波提取法[11,12]和加速溶剂提取法[13,14]等。索氏提取法操作繁琐、溶剂消耗量大[15];超声提取法较难实现提取温度的一致性;加速溶剂提取操作方便,但仪器本身及维护较昂贵。相对而言,微波提取法样品处理通量高,溶剂耗量适中,适用于大批量样品的预处理。

常用的PAHs分析方法有气相色谱-质谱联用法[6-11,13-15]、液相色谱法[12,16,17]、超高效合相色谱法[18]等。部分PAHs组分的分子结构中环数较多,沸点较高,且容易在玻璃内壁吸附。因此,用气相色谱法或气相色谱-质谱联用法测定时,对进样口的洁净度要求较高。若进样口有玷污,极易导致响应变小,甚至响应不成线性。采用液相色谱法双检测器测定则可极大降低基质效应。

本文采用微波提取技术对样品进行预处理,目标化合物用高效液相色谱分析,根据PAHs的结构特性采用二极管阵列(PDA)和荧光双检测器定量。本法已成功运用于实际调查[19]。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LC-20AT高效液相色谱仪(岛津公司,日本),配备PDA检测器和荧光检测器;MARS 5微波萃取仪(CEM公司,美国);平行蒸发仪(步琦公司,瑞士)。智能大容量空气采样器(TH-1000C II型,武汉天虹智能仪表厂);多组分采样器(RP公司,美国)。超细玻璃纤维滤膜(K-49型,200 mm×250 mm,天津市东方绿色技术发展公司); QM-A石英纤维滤膜(直径47 mm, Whatman公司,英国)。

16种多环芳烃标准溶液2 000 μg/mL(Accustandard公司,美国)。正己烷、丙酮、二氯甲烷、乙腈(色谱纯,默克公司,德国)。实验用水由Milli-Q超纯水机制备。

1.2 样品采集

样品采自南京市草场门采样点,采样年份为2010年,采样历时1年。PM10样品用TH-1000C II型智能大容量空气采样器采集于超细玻璃纤维滤膜上,采气流量为1.05 m3/min,每个样采集24 h,除1月外每月连续采集3天,共37个有效样品;PM2.5样品用多组分采样器采集于石英纤维滤膜上,采气流量为10～16.7 L/min,每个样采集22 h,每月采集4～6天,共60个有效样品。

1.3 样品预处理

1.3.1 PM10样品的预处理

取1/2张采过PM10样品的超细玻璃纤维滤膜,剪碎,装入微波萃取罐中,加入40 mL正己烷/丙酮(1∶1, v/v)微波提取,提取液经平行蒸发浓缩后转换至正己烷溶剂中,并用正己烷定容至5 mL,取1 mL待净化。

1.3.2 PM2.5样品的预处理

将PM2.5样品膜剪碎,装入微波萃取罐中,加入40 mL正己烷/丙酮(1∶1, v/v)微波提取,提取液经平行蒸发浓缩后转换至正己烷溶剂中,并用正己烷定容至1 mL,待净化。

1.3.3 微波提取条件

微波功率800 W,程序升温模式,于10 min内升至100 ℃,在100 ℃条件下保持20 min。

1.3.4 净化步骤

用1 g弗罗里硅土柱作为净化柱,将其固定在净化装置上。先用4 mL二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)冲洗净化柱,再用10 mL正己烷平衡净化柱(当2 mL正己烷流过净化柱后关闭活塞,使正己烷在柱中停留5 min)。将上述提取液加到柱上,再用约3 mL正己烷分3次洗涤装样品的容器,将洗涤液一并加到柱上,弃去流出的溶剂。被测定的样品吸附于柱上,用10 mL二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)洗涤吸附有样品的净化柱,收集洗脱液于浓缩瓶中(当2 mL洗脱液流过净化柱后关闭活塞,使洗脱液在柱中停留5 min),浓缩至0.5～1.0 mL,加入3 mL乙腈,再浓缩至0.5 mL以下,最后定容到1.0 mL待测。

1.4 液相色谱条件

色谱柱:Waters PAH柱(150 mm×4.6 mm, 5 μm),柱温35 ℃。流动相:乙腈+水,梯度洗脱。梯度条件:47.5%乙腈+52.5%水(均为体积分数,下同),保持2.5 min, 28.5 min内线性变化至90%乙腈+10%水,保持2 min。流速:1.5 mL/min。进样体积:15 μL。PDA检测器波长范围:190～800 nm; 16种目标化合物的检测波长见表1。苊烯无荧光响应,故采用PDA检测器定量,其余化合物采用荧光检测器定量。

表 1 目标化合物的发射、激发波长和紫外吸收波长

*Acenaphthylene shows no fluorescent response.

2 结果与讨论

2.1 液相色谱条件的优化

选择PAH专用柱作为分离柱,目标化合物的分离度较普通C18色谱柱有明显改善。为使检测灵敏度达到最佳,采用双检测器测定,分别设定各目标物的紫外检测波长和荧光激发、发射波长。荧光检测器的高选择性可消除PDA检测器可能存在的干扰,PDA检测器可作为荧光检测器的辅助定性手段。

图 1 16种多环芳烃标准溶液的色谱图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 标准色谱图、标准曲线及检出限

16种PAHs中只有苊烯没有荧光响应,其他15种PAHs标准混合溶液的荧光检测色谱图如图1a所示;16种PAHs均有紫外响应,其PDA检测色谱图如图1b所示。16种目标化合物分离良好。

将16种PAHs标准溶液用乙腈稀释成质量浓度为20.0、80.0、100、160、200、500 μg/L的系列标准溶液。以质量浓度(x, μg/L)为横坐标,峰面积(y)为纵坐标,绘制标准曲线,计算各化合物的线性回归方程和相关系数(见表2)。因苊烯无荧光响应,其定量结果以紫外响应计算。结果显示,各目标化合物在20.0～500 μg/L范围内线性关系良好,相关系数均不小于0.996 0。

分别测定7份空白加标20 ng的平行样品,计算7次测定的标准偏差S,及方法检出限MDL=t(n-1, 0.99)×S,式中n为平行测定的次数,t(n-1, 0.99)为自由度为n-1、置信度为0.99时的t分布(单侧)。参考HJ/T 168-2010,当n=7时,t(n-1, 0.99)为3.143;以4倍检出限为定量限。目标化合物的检出限与定量限见表3。与标准方法[20]相比,检测灵敏度相当。

表 2 目标化合物的线性回归方程和相关系数

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

2.3 微波提取条件的确定

提取溶剂参考文献[12]方法和EPA 3546,采用

表 3 目标化合物的方法检出限(MDL)和定量限(LOQ)

表 4 目标物在空白膜上的加标回收率及相对标准偏差(n=7)

正己烷/丙酮(1∶1, v/v)混合溶剂体系。在空白膜上添加一定量的PAHs,考察提取温度和提取时间对提取效率的影响。溶剂分子吸收微波能量,然后弛豫,以热能形式释放能量。微波能量可在短时间内使溶剂温度快速上升,实验中采取程序升温的模式,以避免因提取罐内短时温度过高而导致爆罐。结果表明,目标物的回收率随提取温度的升高和提取时间的延长而增加,当温度为100 ℃、提取时间为20 min时,提取效率最佳。

2.4 空白膜加标测试

在PM2.5空白膜上分别加标50、100、200 ng,每个加标水平平行做7份,计算各目标化合物的平均加标回收率及相对标准偏差,结果见表4。各目标化合物的回收率在56.3%～101.0%之间,表明本方法可应用于颗粒物中PAHs的提取和测定。

2.5 实际样品的测试

采集南京市大气颗粒物样品,按照1.3节分别对PM10和PM2.5样品进行预处理,样品提取液用1.4节中的液相色谱条件测定。某实际样品的色谱图见图2,净化后样品基质不干扰目标化合物的定量。

图 2 某实际样品的色谱图Fig. 2 Chromatograms of a real samplea: FLR detection; b: PDA detection. For peak Nos. see Table 1.

将本方法运用于2010年南京市颗粒物样品中16种PAHs的测定。颗粒物中各PAHs的年平均质量浓度及其波动范围见表5。

表 5 颗粒物中各PAHs组分的年平均质量浓度

3 结论

建立的混合溶剂程序升温微波提取结合固相萃取净化前处理技术可有效提取大气颗粒物中的多环芳烃,PDA和荧光双检测器串联可实现16种多环芳烃的同时测定,在实际调查研究中得到良好应用。

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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

南京市科学技术局人才培养项目(200905019);南京市环境保护局科研项目(200505).

O658

A

1000-8713(2017)06-0669-05

第七届华东地区色谱、质谱学术报告会推荐论文.

* 通讯联系人.Tel:(025)83336949,E-mail:xjmf1290@sina.com.