高效溶剂萃取-固相萃取/气相色谱-质谱法测定大气颗粒物中多环芳烃和有机磷阻燃剂

张天琪，李圣增，张厚勇，齐安安，徐 鹏，杨凌霄，3*

（1．山东大学 环境研究院，山东 青岛 266237；2．山东省济南生态环境监测中心，山东 济南 250102；3．江苏省气候变化协同创新中心，江苏 南京 210023）

多环芳烃（PAHs）和有机磷阻燃剂（OPFRs）是环境中广泛存在的持久性有机污染物。其中，PAHs主要由化石燃料、生物质以及塑料等不完全燃烧和热解产生［1］；OPFRs作为一种添加型阻燃剂主要以物理方式被添加到塑料、橡胶、聚氨酯泡沫以及纺织品等材料中，且极易在生产、使用等过程中通过挥发、浸出、磨损等方式释放进入环境中［2-3］；同时，工业活动也是大气中PAHs和OPFRs的主要污染源［4-5］。大量研究表明，除在大气［6-7］、水体［8-9］、土壤［10-11］、植被［11-12］等多种环境介质中检测到PAHs和OPFRs外，在鱼体［13］、茶叶［14］、食品［15］、口罩［16］、腕带［17］等多种介质中也有检出，并最终通过呼吸、摄入等方式进入人体，危害人体健康。

近年来，我国空气质量明显改善，全国城市PM2．5、PM10浓度呈下降趋势，但仍有很多城市的PM2．5浓度未达到《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）二级标准，且部分省份的PM10年均浓度有所上升［18］。因此，大气颗粒物仍是影响我国空气质量的重要空气污染物。研究表明，毒性较大、挥发性较小的高环多环芳烃更趋向存在于颗粒相中［19-20］；OPFRs在大气中也主要附着在颗粒物表面［21］，且OPFRs相较于PAHs更容易分配进入颗粒相中［22］。因此，准确测定大气颗粒物中PAHs和OPFRs的浓度对于研究其物种组成、来源、介质分配以及健康风险等具有重要意义。

目前，国内外应用较为广泛的大气颗粒物中持久性有机污染物的提取方法主要有索氏提取、超声萃取、加速溶剂萃取以及固相微萃取等［23-24］。本研究采用的高效溶剂萃取法具有自动化程度高、有机溶剂用量小、萃取时间短、回收率高、重现性好等优点。大气颗粒物组分复杂，因此萃取液中含有大量共萃取干扰物，需要进一步纯化以消除杂质峰的影响。本方法采用Florisil固相萃取柱净化萃取液，用微量有机溶剂分离纯化PAHs和OPFRs，可有效去除基质效应。由于PAHs和OPFRs的理化性质有差异，多数前处理方法需经过多次实验分别提取和检测。本研究建立的同时提取分析大气颗粒物中16种PAHs和15种OPFRs的高效溶剂萃取-固相萃取/气相色谱-质谱（GC-MS）方法，大大缩减了样品前处理时间，可成功应用于实际样品中PAHs和OPFRs含量的测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

ThermoFisher ISQ 7000气相色谱-单四极杆质谱联用仪（美国赛默飞世尔科技公司）；Lab Tech HPSE®-E高效溶剂萃取仪（北京莱伯泰科仪器股份有限公司）；Supelclean ENVI-Florisil固相萃取柱（500 mg/3 mL，德国默克集团）；RE201旋转蒸发仪（上海秉越电子仪器有限公司）；TH-150A大气颗粒物中流量采样器（武汉市天虹仪表有限责任公司）。

16种PAHs以及15种OPFRs标准品信息见表1，将标准品转移至棕色进样瓶并置于冰箱中保存；二氯甲烷（美国天地有限公司）、正己烷（美国天地有限公司）、乙酸乙酯（上海麦克林生化科技公司）均为农残级，无水乙醇（天津科密欧化学试剂有限公司）为色谱级；实验用水为超纯水。

表1 16种PAHs和15种OPFRs的CAS号、保留时间和特征离子Table 1 CAS numbers，retention times and characteristic ions of 16 PAHs and 15 OPFRs

石英滤膜（TISSUQUARTZ-2500QAT-UP，1 μm，203×254 mm，美国Pall公司），滤膜在使用前均置于马弗炉中在450℃下焙烧6 h，以去除滤膜中有机物质的干扰。

1.2 样品前处理

1.2.1 样品提取使用膜戳截取两片直径为44 mm的石英滤膜置于10 mL不锈钢萃取罐中进行高效溶剂萃取。萃取条件如下：萃取溶剂为正己烷-二氯甲烷（1∶1，体积比）混合溶液；温度110℃；压力11 MPa；加热时间5 min；静态萃取时间8 min；循环2次；淋洗体积为萃取罐体积的60%；氮气吹扫时间120 s。将萃取液转移至250 mL鸡心瓶中，旋转蒸发浓缩至1~2 mL待用。

1.2.2 提取液净化使用Supelclean ENVI-Florisil固相萃取柱（500 mg/3 mL）净化萃取液。首先依次用8 mL乙酸乙酯、6 mL正己烷活化萃取柱；然后将浓缩后的萃取液转移至固相萃取柱中，用10 mL正己烷和二氯甲烷（1∶1）混合溶液淋洗萃取柱，得到洗脱液A用于测定PAHs，用10 mL乙酸乙酯淋洗萃取柱，得到洗脱液B用于测定OPFRs。将洗脱液A、B分别旋转蒸发至约0．5 mL后，转移至棕色进样瓶中并定容至1 mL，待分析。

1.3 仪器条件

色谱条件：色谱柱为TG-5SILMS（30 m×0．25 mm×0．25 μm），脉冲不分流进样，进样量为1．0 μL，柱流速为1．0 mL/min，载气为高纯氦气（纯度99．999%）。

PAHs的气相色谱条件为：进样口温度：310℃；程序升温：以60℃为初始温度保持1 min，以20℃/min升至160℃保持1 min，以6℃/min升至280℃保持5 min，最后以20℃/min升至300℃保持10 min；质谱条件为：离子源为EI源；传输线温度：280℃；离子源温度：300℃；电离能量：70 eV；选择离子监测（SIM）模式；溶剂延迟时间为4．5 min。

OPFRs的气相色谱条件为：进样口温度：310℃；程序升温：以60℃为初始温度保持1 min，以10℃/min升至200℃保持2 min，最后以20℃/min升至300℃保持5 min；质谱条件为：离子源为EI源；传输线温度：290℃；离子源温度：300℃；电离能量：70 eV；SIM模式；溶剂延迟时间为3．5 min。

2 结果与讨论

2.1 色谱-质谱条件的优化

对于理化性质不同的31种目标化合物，确定气相色谱-质谱仪各部分的温度条件对成功分离和检测各种化合物尤为重要。因此，本实验对进样口、离子源和传输线的温度进行组合优化，通过计算仪器重现性得到最优的温度组合条件。

在测定OPFRs时，首先配制5 μg/mL的OPFRs混合标准储备液：分别移取50 μL 100 μg/mL的OPFRs标准溶液于棕色进样瓶中，用正己烷定容至1 mL，摇匀备用。考察了5种进样口、离子源和传输线温度组合，具体温度参数见图1。在各温度组合下将5 μg/mL的OPFRs混合标准储备液连续测定7次，计算各化合物响应峰面积的相对标准偏差（RSD）。由图1可知，当进样口、离子源和传输线温度分别为310℃、300℃和290℃（组合5）时，15种OPFRs响应峰面积RSD的平均值和标准偏差均最小，分别为5．8%和5．2%，确定采用该温度条件测定OPFRs。同时根据本课题组之前的研究［25］确定PAHs的仪器温度条件为：进样口310℃，离子源300℃，传输线280℃。

图1 5种温度组合下15种OPFRs响应峰面积RSD的平均值和标准偏差Fig．1 Mean and standard deviations of the peak area RSDs of 15 OPFRs at five temperature combinations

在“1．3”仪器条件下，对16种PAHs和15种OPFRs的混合标准溶液（0．1 μg/mL）进行测定，得到31种目标物质的总离子流色谱（TIC）图（图2）。除BaA和CHR、BbF和BkF同分异构体外，其余目标物均得到了较好分离；在SIM模式下，根据定量离子的流出时间不同可将各同分异构体完全分离。

图2 31种目标物质的总离子流色谱图（0．1 μg/mL）Fig．2 Total ion chromatograms of 31 target compounds（0．1 μg/mL）

2.2 样品前处理条件的优化

2.2.1 萃取温度和压力的选择在高效溶剂萃取过程中，升高温度可使液体的黏度和表面张力降低，增加溶液的扩散速度和溶解度；高压下，溶剂沸点升高的同时可以保持溶剂呈液体状态，因而高效溶剂萃取的萃取效率较常温常压下的萃取方法有明显提高。采用“1．2”方法进行空白滤膜加标（加标量：PAHs 100 ng；OPFRs 200 ng）回收实验，考察了不同温度（80、90、100、110、120、140℃）对31种目标物质回收率的影响。结果显示，当萃取温度由80℃升至110℃时，回收率在80%~120%范围内的目标物数量显著增多；温度过低时，部分目标物（例如ANT、BbF、BkF、TCPP等）的回收率较低（53．9%）；当温度由110℃升至140℃时，满足回收率要求的目标物数量呈下降趋势；当温度为140℃时，极性和挥发性较强的物质（例如TMP）的回收率较低（54．0%），因此选择萃取温度为110℃。

高效溶剂萃取的压力范围通常为5~17．2 MPa。在萃取温度为110℃条件下，分别选取10、10．3、11 MPa 3个压力进行空白滤膜加标回收实验。结果表明，当萃取压力为11 MPa时，有24种目标物质的回收率满足要求，PAHs和OPFRs的平均回收率分别为90．0%和80．1%，萃取效果明显优于10 MPa及10．3 MPa。因此本实验选择萃取压力为11 MPa。

2.2.2 静态萃取时间的选择静态萃取时间与高效溶剂萃取的萃取效率密切相关。萃取时间过短，目标物不能萃取完全，回收率偏低；而随着萃取时间的延长，目标物可能会再次脱离萃取溶剂，造成回收率偏低。实验考察了不同静态萃取时间（5、8、10 min）对31种目标物质回收率的影响，结果显示，当萃取时间为5 min时，多数目标物的回收率小于60%，表明萃取不完全；萃取时间增至8 min时，有21种目标物的回收率在80%~120%范围内，PAHs和OPFRs的平均回收率分别为84．5%和86．6%；当继续增加萃取时间至10 min时，回收率满足要求的目标物数量较8 min显著减少。因此本实验选择静态萃取时间为8 min。

2.2.3 SPE洗脱量的选择萃取液浓缩后使用固相萃取柱净化一方面是为了防止共萃取物以及杂质等污染仪器，另一方面直接进行GC-MS测定可能会由于基质效应造成测定结果不准确。研究表明，SPE柱净化可以有效去除基质效应［26］，且基质复杂的样品一般需联用多个不同性质的净化柱实现有机物的分离纯化［23］。在未使用SPE柱净化前，本实验测定16种PAHs和15种OPFRs的平均回收率分别为145%和136%，表明存在基质效应，因此选取Florisil固相萃取柱对萃取液进行净化，以正己烷和二氯甲烷（1∶1）作为PAHs的洗脱溶剂，乙酸乙酯作为OPFRs的洗脱溶剂。

根据已有研究［27-29］，本方法考察了不同体积正己烷-二氯甲烷（1∶1，10、12、15 mL）和乙酸乙酯（8、10、12 mL）分别洗脱PAHs和OPFRs的平均回收率。如图3所示，当正己烷-二氯甲烷的洗脱量为10 mL时，16种PAHs的回收率为79．9%~101%，均值为90．0%；继续增大洗脱量，部分目标物的回收率超出理想范围；当乙酸乙酯的洗脱量为10 mL时，15种OPFRs的回收率为86．4%~118%，均值为98．0%，各物质的回收率较优且满足检测要求。因此，选择10 mL正己烷-二氯甲烷（1∶1）溶液（洗脱液A）和10 mL乙酸乙酯（洗脱液B）分别作为PAHs和OPFRs的洗脱溶剂，该条件下洗脱液A中未检测到OPFRs，洗脱液B中未检测到PAHs，表明两类物质已分离完全；同时实验结果表明适宜的SPE洗脱量对基质效应有明显去除效果。

图3 不同洗脱溶剂体积对PAHs和OPFRs回收率的影响Fig．3 Effects of different eluent volumes on the recoveries of PAHs and OPFRs

2.3 线性关系、检出限及定量下限

由于PAHs和OPFRs在颗粒物中的浓度变化较大，为准确定量目标物质，本实验分别配制了0．001、0．002、0．005、0．01、0．02、0．05、0．1 μg/mL系 列 低 浓 度 以 及0．1、0．2、0．5、1．0、2．0 μg/mL系列高浓度的31种目标物质混合标准溶液。PAHs各浓度混合标准溶液中加入萘-D8、蒽-D10、芘-D10、苝-D124种内标物各100 ng；OPFRs各浓度混合标准溶液中加入TCEP-D12内标物100 ng。将各浓度标准溶液在“1．3”仪器条件下进行测定，以特征离子峰的峰面积（Y）与对应标准溶液的质量浓度（X，μg/mL）建立标准曲线，线性方程及相关系数见表2。各目标物在各自的质量浓度范围内均呈现良好的线性关系，相关系数（r2）均大于0．99。以3倍信噪比（S/N）时的质量浓度为检出限（LOD），10倍信噪比（S/N）时的质量浓度为定量下限（LOQ），得到PAHs和OPFRs的LOD分别为0．10~10．00 μg/L和2．59~75．00 μg/L，LOQ分别为0．33~33．33 μg/L和8．63~250．00 μg/L（见表2）。

表2 31种目标物质的线性方程、相关系数、检出限、定量下限、加标回收率与相对标准偏差Table 2 Linear equations，correlation coefficients，detection limits，quantitation limits，spiked recoveries and relative standard deviations of 31 target compounds

2.4 回收率及相对标准偏差

分别取10 μL 16种PAHs标准储备液（10 μg/mL）、40 μL OPFRs标准储备液（5 μg/mL）进行空白滤膜加标回收实验，按照本方法进行4次平行实验，各目标物质的回收率及相对标准偏差（RSD）见表2。结果显示，16种PAHs的平均回收率为73．0%~98．0%，RSD为3．7%~13%；15种OPFRs的平均回收率为69．3%~111%，RSD为2．5%~17%。表明本方法的准确度和精密度较好，符合检测要求。

2.5 实际样品的测定

为验证本方法在实际样品测定中的可行性，利用本方法对淄博市采集到的大气PM2．5样品进行测定，样品采样时间均为23．5 h，采样流量为100 L/min。31种目标物除TMP、TDCIPP未检出外，其他物质均检出，PAHs总质量浓度为8．61~52．92 ng/m3，OPFRs总质量浓度为10．23~100．77 ng/m3。在实际样品测定过程中，每隔10个样品进行1次重复实验，16种PAHs的重复变化率为0．10%~19．6%，平均重复变化率为6．4%；15种OPFRs的重复变化率为0．10%~20．7%，平均重复变化率为8．5%。检测结果表明，本方法稳定性良好，可用于大气颗粒物中多环芳烃和有机磷阻燃剂的同时测定。

3 结论

本文采用高效溶剂萃取同时提取大气颗粒物中的PAHs和OPFRs，并对萃取参数进行了优化，萃取液经浓缩、固相萃取柱净化、再浓缩后，进行GC-MS定性与定量分析。本方法具有前处理自动化程度高、溶剂用量少，样品处理时间短，稳定性好，检测灵敏度高、重现性好等优点，可以满足对大气颗粒物中PAHs和OPFRs的检测要求。