超声提取－在线固相萃取浓缩/液相色谱法测定大气颗粒物中超痕量多环芳烃

黄肇章，王 超，齐炜红，陈 烨，袁 懋

（1．中国环境监测总站，北京 100012；2．广州市环境监测中心站，广东 广州 510091；3．邯郸市环境监测站，河北 邯郸 056000）

大气颗粒物是影响我国环境空气质量的重要污染物，尤其在冬季，往往成为首要污染物，严重危害人体健康。多环芳烃（PAHs）是指分子中含2个或2个以上苯环或环戊二烯以稠环方式形成的一类碳氢化合物。研究显示PAHs广泛存在于大气颗粒物中，可通过呼吸作用、皮肤接触等暴露途径对人体产生致畸、致癌、致突变等危害，因而受到广泛关注［1－3］。我国规定环境空气颗粒物中苯并［a］芘（B（a）P）的24小时平均浓度限值为2．5 ng/m3［4］，室内空气中B（a）P的日平均标准限值为1 ng/m3［5］。准确测定大气颗粒物中PAHs含量对于评估PAHs暴露风险和保障公众身体健康具有重要意义。

目前颗粒物中PAHs的提取方法主要有超声提取［6－7］、快速溶剂提取［8］、索氏提取［9］等，检测方法主要有高效液相色谱法（HPLC）［8，10］、气相色谱－质谱法（GC－MS）［11－12］、气相色谱三重四极杆质谱（GC－MS/MS）［7，9］。大气颗粒物中PAHs的含量很低，且分析过程中易受污染，因此对分析方法的灵敏度和抗污染能力要求很高。准确测定大气颗粒物中低浓度PAHs仍是难点问题。超声提取－HPLC法是目前较为理想的颗粒物中PAHs分析方法［13－15］。超声提取法具有操作简单、使用溶剂少、萃取速度快等优点，且通过避免溶剂浓缩或置换操作，有效降低背景污染。HPLC荧光检测法的灵敏度高，维护成本低，易于推广应用。近年来发展的在线固相萃取/HPLC法，通过对样品进行在线富集和净化，可实现大体积直接进样分析，有效降低实验过程中的背景污染，显著提高方法灵敏度［16－18］。

本文采用超声提取－在线固相萃取浓缩/液相色谱建立了大气颗粒物中15种PAHs的高灵敏分析方法。该方法仅需少量的滤膜样品，通过大体积直接进样分析，显著提高了方法灵敏度，样品提取和制备方法简单，采用在线固相萃取技术进行浓缩净化，有效减少了背景污染，已成功应用于实际样品中PAHs的分析。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Ultimate3000双三元液相色谱系统（美国赛默飞世尔科技公司）：主要配置DGP－3600RS双梯度分析型色谱泵，WPS－3000TRS自动进样器，FLD－3400RS荧光检测器，TCC－3000RS柱温箱（配1个六通阀）等。2210超声波清洗器、FP41马弗炉（日本Yamato公司）；高速离心机（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）；Direct 8高纯水发生器（法国密理博公司）；颗粒物采样器（TH－16A，武汉天虹公司）。

PAHs混合标样（200 mg/L，美国AccuStandard公司），包括萘（NAP）、氢苊（ACE）、芴（FLU）、菲（PHE）、蒽（ANT）、荧蒽（FLT）、芘（PYR）、苯并［a］蒽（B（a）A）、䓛（CHR）、苯并［b］荧蒽（B（b）F）、苯并［k］荧蒽（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（色谱纯，德国默克公司）。

1.2 样品采集

采样前将石英滤膜（直径47 mm）放入马弗炉中于450℃下烘烤4 h。按照HJ 93－2013标准［19］的要求，采用大气颗粒物采样器采集大气颗粒物样品，流量为16．7 L/min，从上午9∶00至次日上午8∶00连续采集23 h，同时记录标准状态下的采样体积。采集完毕后将滤膜放入滤膜盒中，避光密封并于－20℃下保存。

1.3 标准工作溶液制备及样品前处理

取PAHs混合标样，用甲醇逐级稀释，分别得到0．04、0．8、4．0、16μg/L的标准使用液。在10 mL棕色进样小瓶中分别加入一定量的标准使用液和25%（体积分数）乙腈溶液，充分混合得到质量浓度分别为0．5、1．0、2．0、5．0、10、20、40、80、200、400 ng/L的标准工作溶液。

用切膜器从样品滤膜上裁取面积为1．4 cm2的切片，置于玻璃离心管中，加入2 mL乙腈，在室温下超声提取10 min。之后将提取液转移至2 mL进样小瓶，旋紧瓶塞并放入聚丙烯离心管中，以10 000 r/min离心10 min去除悬浮颗粒物。取1 mL上清液于10 mL棕色进样小瓶，再加入3 mL二次去离子水，混合待分析。

1.4 仪器分析条件

在线固相萃取条件：Acclaim Polar AdvantageⅡC18固相萃取柱（50 mm×4．6 mm，3μm，美国赛默飞世尔科技公司）；进样体积为2 mL；流动相为0．05 mol/L乙酸铵溶液（A）和乙腈（B）。泵梯度条件：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。六通阀切换条件：0～3 min，6－1位；3～6 min，1－2位；6～39 min，6－1位。

检测条件：分析柱Hypersil Green PAH（150 mm×3 mm，3μm，美国赛默飞世尔科技公司）；流动相为0．05 mol/L乙酸铵溶液（A）和乙腈（B）；流速为0．6 mL/min；泵梯度条件：0～10 min，50%B；10～17 min，50%～95%B；17～32 min，95%B；32～39 min，50%B；柱温为20℃；荧光检测条件见表1。

表1 15种PAHs的荧光检测条件Table 1 Fluorescence detection conditions of 15 PAHs

在线固相萃取/液相色谱分析过程如图1所示，包括两种模式：Position A和Position B。样品上样、萃取柱平衡和色谱分离检测在Position A模式下完成，而萃取柱洗脱在Position B模式下完成。具体分析过程为：六通阀的初始阀为6－1位，2 mL样品通过右泵的5%乙腈推送至在线SPE柱；经在线固相萃取后，在第3 min六通阀切至1－2位，通过左泵以50%乙腈将SPE柱上的目标分析物洗脱冲入分析流路；第6 min，PAHs完全进入分析流路，六通阀切回至6－1位，PAHs在分析柱进行分离及后续测定，SPE柱用95%、5%乙腈依次净化和平衡。

图1 在线固相萃取/液相色谱分析流路示意图Fig．1 Flow schematic of online SPE/LC

2 结果与讨论

2.1 分析条件的优化

由于PAHs具有较强的疏水性，因此可通过C18填料的固相萃取柱进行富集净化。本实验选择Acclaim Polar AdvantageⅡC18固相萃取柱（50 mm×4．6 mm，3μm），比较了不同浓度乙腈及洗脱时间对萃取效果的影响，结果显示采用50%（体积分数）乙腈溶液对小柱冲洗3 min，可将保留的PAHs全部洗脱下来。采用PAHs专用分析柱Hypersil Green PAH（150 mm×3 mm，3μm），通过优化流动相条件，可实现15种PAHs的基线分离（见图2）。

图2 15种PAHs（400 ng/L）的荧光检测谱图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 样品预处理条件的优化

2.2.1 提取条件的优化 分别考察了超声提取温度（20、30、40℃）、提取时间（10、20、30 min）和提取剂体积（2、4、6 mL）对实际滤膜样品中PAHs提取效果的影响。结果显示，在不同的超声提取温度、提取时间和提取剂体积下，15种PAHs的信号响应无明显差异。为提高样品提取的便捷性以及方法灵敏度，确定超声提取温度为室温，提取时间为10 min，提取剂体积为2 mL。

考察了聚丙烯材质移液枪头、聚丙烯离心管等塑料材质耗材的背景污染情况。结果显示，提取过程中采用乙腈浸泡清洗聚丙烯材质离心管，可显著降低NAP、ACE、FLU、PHE、ANT等低环PAHs的背景污染，而对聚丙烯材质移液枪头采用乙腈浸泡清洗并不能明显消除背景污染。因此确定聚丙烯离心管可引起显著的背景污染。为进一步消除背景污染，采用玻璃材质的离心管进行超声提取。

2.2.2 上机样品的制备 采用不同浓度的乙腈水溶液配制10 ng/L的PAHs混合标准工作溶液，考察了乙腈体积分数（20%、25%、30%、35%、40%）对PAHs荧光信号的影响。结果显示，随着乙腈体积分数的增加，多数PAHs的荧光信号响应增强，其中高环数PAHs（如B（b）F、B（k）F、B（a）P、DBA、BPY和IND）的信号强度可达到20%乙腈条件下的2倍以上；当乙腈体积分数达到30%以上时，低环PAHs的峰形变差，有明显拖尾现象；乙腈体积分数超过40%时，PAHs的峰形拖尾严重或不成峰形。最终确定制备的上机样品中乙腈体积分数为25%。

2.3 离子干扰的去除

PAHs的荧光信号易受离子的影响，导致信号响应增强或降低。在PAHs提取和样品制备过程中颗粒物样品可释放大量离子（如硫酸根、硝酸根、铵根、醋酸根离子），对PAHs的荧光信号产生影响。本实验在制备和分析80 ng/L PAHs标准工作溶液时，考察了当样品制备分别采用矿泉水和二次去离子水，以及在线固相萃取/液相色谱分析中分别采用二次去离子水－乙腈和0．05 mol/L乙酸铵溶液－乙腈作为流动相时PAHs荧光信号的变化情况。结果显示，无论是制备中引入的离子（采用75%矿泉水/25%乙腈），还是流动相中的离子（0．05 mol/L乙酸铵溶液－乙腈），均能显著增强PAHs的荧光信号。通过采用0．05 mol/L乙酸铵溶液－乙腈为流动相，可消除制备的样品和标准工作溶液中离子含量不同而导致PAHs荧光信号差异的干扰，使PAHs的荧光信号响应保持稳定。因此，确定采用二次去离子水制备样品，0．05 mol/L乙酸铵溶液－乙腈作为流动相，以去除离子含量不同引起的干扰。

2.4 方法性能

2.4.1 线性关系与检出限 配制系列质量浓度的PAHs标准工作溶液（0．5、1．0、2．0、5．0、10、20、40、80、200、400 ng/L），依次进样分析，以PAHs的峰面积对其质量浓度进行线性拟合得到标准工作曲线。通过分析低浓度的标准工作溶液，以3倍信噪比（S/N=3），按照采样体积为23 m3，含颗粒物的滤膜面积12 cm2，切取滤膜面积为1．4 cm2计算方法检出限（LOD）。结果如表2所示，15种PAHs在不同的质量浓度范围内线性良好，相关系数（r）均大于0．992，LOD为0．03×10－3～33．27×10－3ng/m3，其中B（a）P的检出限为0．67×10－3ng/m3，远低于现行国家标准规定的B（a）P标准限值（2．5 ng/m3）［4］。已有文献报道显示，PAHs的HPLC方法检出限为0．007～0．062 ng/m3［8］、0．003～0．036 ng/m3［14］、0．004～0．19 ng/m3［15］，B（a）P的方法检出限为0．028 ng/m3［8］、0．004 ng/m3［14］、0．02 ng/m3［15］，且需使用1/4至整张滤膜（约12～50 cm2）进行前处理。与其他方法相比，本方法的灵敏度提高了1～2个数量级，使用滤膜少（仅1．4 cm2），且自动化程度高。

2.4.2 回收率与相对标准偏差 在空白滤膜上分别加入0．32、1．6 ng的15种PAHs混合标准溶液（对应上机样品质量浓度分别为40、200 ng/L），采用本方法进行分析（见表2）。结果显示，15种PAHs在低、高加标浓度下的回收率分别为91．4%～126%和103%～123%，相对标准偏差（RSD，n=6）分别为4．4%～10%和5．2%～12%，表明本方法的准确度和精密度良好，可用于颗粒物中PAHs的提取和测定。由于方法的灵敏度较高，当进一步降低加标量时，部分PAHs的背景污染程度以及变化情况不可忽视，显著影响加标回收率和RSD。当加标量为0．016 ng（对应上机样品质量浓度为2 ng/L）时，NAP、ACE等PAHs的回收率异常增大或为负值，或RSD大于20%，仅B（a）P、B（a）A、CHR、B（k）F等PAHs仍可得到可靠的结果，其平均回收率（n=6）为92．2%～123%，RSD为7．6%～9．1%。

表2 15种PAHs的线性范围、相关系数、方法检出限、加标回收率和RSD（n=6）Table 2 Linear ranges，correlation coefficients（r），LODs，spiked recoveries and RSDs（n=6）of the 15 PAHs

2.5 实际样品分析

应用建立的方法分析了采自3个国家大气背景点的PM2．5样品，结果见表3。15种PAHs单体含量为未检出～3．34 ng/m3，总含量为1．01～15．32 ng/m3，其中B（a）P含量均低于现行国家标准限值（2．5 ng/m3）。结果显示3个国家大气背景点颗粒物中的PAHs浓度和分布特征存在显著差异。

表3 大气颗粒物中15种PAHs含量（ng/m3）Table 3 Contents of the 15 PAHs in atmospheric particulates（ng/m3）

（续表3）

3 结 论

本文建立了大气颗粒物中15种PAHs的超声提取－在线固相萃取浓缩/液相色谱分析方法。该方法灵敏度高、操作简便、样品用量少、方法稳定、背景干扰小，可用于大气颗粒物中超痕量PAHs的分析。