高效液相色谱法测定大气PM2.5中多环芳烃不确定度分析

李绮艺

（广东省中山生态环境监测站，广东中山 528400）

PM2.5是环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物。PM2.5能长时间悬浮在空气中，随着含量浓度提高，对空气造成严重污染。近年来，我国加大了环境监测工作力度，对PM2.5的监测项目包括多环芳烃、水溶性离子、金属及类金属等。其中，多环芳烃在PM2.5中的含量低、监测种类多，且具有较强的致畸、致癌性，因此成为监测工作的一个重点[1]。高效液相色谱法（HPLC）是色谱技术的典型代表，具有灵敏度高、操作简单方便、样品用量少等优点，成为检测PM2.5中多环芳烃的常用方法[2-3]。不确定度评定，是对测量结果的质量进行定量评价的过程，不确定度越小，说明测量结果的质量越高。我国于2012年发布《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012），成为目前不确定度评定工作的通用标准，在食品、药品、环境分析等领域应用广泛[4]。以下对HPLC测定大气PM2.5中多环芳烃的不确定度进行分析。

1 HPLC测定大气PM2.5中多环芳烃的实验过程

1.1 仪器试剂

环境空气颗粒物采样器、玻璃纤维滤膜、超声仪、HPLC检测仪等。多环芳烃混合溶液标准物（16种）、色谱纯乙腈、超纯水等。

1.2 采样与提取

（1）采样。在某地商业区楼顶采样，高度为15m，采样时间24h，采样体积120m3。采样前后将滤膜放在恒温恒湿箱中平衡[5]。

（2）多环芳烃提取。将滤膜剪碎，放在15mL离心管内，加入4.5mL乙腈密封；在35℃下超声处理30min，取出后恢复至室温；将上层清液经0.45μm的微孔滤膜过滤，收集至进样小瓶中。

1.3 配制标准溶液

（1）中间储备溶液的配制：取500μL多环芳烃混合标准溶液置于10mL量瓶中，加入乙腈定容并摇匀，浓度为10mg/L。

（2）标准储备溶液的配制：取100μL中间储备溶液置于10mL量瓶中，加入乙腈定容并摇匀，浓度为100μg/L。

（3）标准工作溶液的配制：取标准储备溶液0.1mL、0.2mL、0.5mL、0.8mL、1.0mL，分别置于10mL量瓶中，加入乙腈定容并摇匀，浓度分别为1ng/mL、2ng/mL、5ng/mL、8ng/mL、10ng/mL。

1.4 色谱条件

色谱柱为CNW Athena PAHs C18柱（250mm×4.6mm，5μm），柱温30℃，进样体积20μL，流速1.5mL/min。乙腈-水溶液为流动相，采用梯度洗脱，程序是：①0～5min，乙腈为50%；②5～20min，乙腈逐渐升高至100%；③20～28min，乙腈维持100%；④28min后，乙腈降低至50%，保持4min。使用DAD检测，波长是230nm和254nm，波长变化是：①0～12min，激发与发射波长分别是270nm、323nm；②13min，激发与发射波长分别是244nm、360nm；③14min，激发与发射波长分别是244nm、400nm；④15.2min，激发与发射波长分别是280nm、460nm；⑤16min，激发与发射波长分别是237nm、385nm；⑥19min，激发与发射波长分别是303nm、425nm；⑦32min，激发与发射波长分别是280nm、330nm。

1.5 计算方法

大气PM2.5中多环芳烃的质量浓度ρ1计算见式（1）。

式中，ρ表示提取液中多环芳烃的质量浓度（mg/mL）；V表示提取液体积（mL）；N表示滤膜裁减的数量（取1/4张则N=4），Vnd表示标准状态下的采样总体积（m3）。

2 测定实验中不确定度的来源

采用鱼骨图进行分析，本次测定实验中的不确定度来源包括：①采样过程的不确定度，记为ucol。②提取过程的不确定度，记为uext。③标准溶液配制的不确定度，记为ustd。④标准曲线拟合的不确定度，记为ufit。⑤测量重复性的不确定度，记为uinj。⑥合成相对标准的不确定度，记为u(PAHS)；⑦扩展不确定度。

3 测定实验中不确定度的评定方法

3.1 采样过程的不确定度评定

3.1.1 采样流量不确定度ucol1

3.1.2 大气压不确定度ucol2

采样现场大气压实测值为101kPa，气压计最大允许误差为±1.0kPa，均匀分布k=，计算得到

3.1.3 采样温度不确定度ucol3

采样现场温度实测值为20℃，温度计最大允许误差为±2.0℃，考虑到现场温差在10～25℃，按照±7.5℃计算得到

综上，采样过程的不确定度

3.2 提取过程的不确定度评定

3.2.1 提取液体积准确性不确定度uext1

本实验中，uext1是由移液器移取液体、温度变化两方面造成的。①移取4.5mL乙腈，最大允许误差为0.6%，均匀分布k=，计算得到不确定度为0.0156 mL。②实验室内温度为26℃，温差为6℃，乙腈膨胀系数为0.00137[6]，均匀分布k=，计算得到不确定度为0.0213mL。这两者结合，最终得到uext1=0.0059。

3.2.2 提取回收率不确定度uext2

按照色谱条件，对空白滤膜进行加标回收试验，浓度均为5ng/mL，以苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽为例，平行测定6次，平均值分别是96.5%、96.3%、97.5%。6次测定结果的标准偏差SR按式（2）计算。

在提取回收率上，引入标准不确定度uR、相对标准不确定度urel,R，计算公式见式（3），计算结果见表1。

表1 提取回收率的不确定度计算结果

综上，提取过程的不确定度uext计算结果是：苯并[a]芘为0.0073，苯并[b]荧蒽为0.0072，苯并[k]荧蒽为0.0072。

3.3 标准溶液配制的不确定度评定

3.3.1 标准物质的相对标准不确定度ustd1

从说明书中可知，混合标准溶液中苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽的质量浓度均是200mg/L，相对扩展不确定度为2.19%，扩展因子为k=2，计算可得

3.3.2 玻璃量具的相对标准不确定度ustd2

本实验中，玻璃量具主要使用10mL容量瓶、1mL移液器。其中10mL容量瓶的量取体积为10mL（7次），允许误差为0.02mL，均匀分布k=，计算标准不确定度为0.0115，温度变化引起的标准不确定度为0.0474。1mL移液器分别量取0.1mL（2次）、0.2mL（1次）、0.5mL（2次）、0.8mL（1次）、1.0mL（1次）液体，允许误差分别是0.002mL、0.002mL、0.005mL、0.008mL、0.01mL，均匀分布k=，计算标准不确定 度 分 别 为0.00115、0.00115、0.00289、0.00462、0.00577，温度变化引起的标准不确定度分别为0.00047、0.00095、0.000238、0.00380、0.00474。此外，读数误差引起的相对标准不确定度均为0.00022。根据这些数据结果，计算得到10mL容量瓶引入的相对标准不确定度为0.00488；1mL移液器分别量取0.1mL、0.2mL、0.5mL、0.8mL、1.0mL液体，引入的相对标准不确定度为0.0124、0.00746、0.00749、0.00748、0.00747，经计算得到ustd2=0.0274。

综上，标准溶液配制的不确定度

3.4 标准曲线拟合的不确定度评定

本实验中，以待测物的质量浓度为X轴，以色谱峰面积为Y轴，拟合标准工作曲线后，可以得到线性方程及相关系数[7-8]。其中，苯并[a]芘的线性方程是y=4.555x-0.2621，相关系数是0.9996；苯并[b]荧蒽的线性方程是y=1.5108x+0.0653，相关系数是0.9997；苯并[k]荧蒽的线性方程是y=11.706x-0.5424，相关系数是0.9995。ufit的计算公式如下。

式中，SR表示标准曲线的剩余标准差；a表示标准曲线的截距；b表示标准曲线的斜率；p表示实际样品测定次数，取值为1；n表示标准曲线中浓度点个数，取值为5；ρx表示实际样品中多环芳烃的质量浓度（ng/mL）；ρi表示标准曲线各点的质量浓度（ng/mL）；表示系列标准工作溶液平均质量浓度，取值5.2ng/mL；yi表示标准溶液的色谱峰面积。计算ufit结果见表2。

表2 标准曲线拟合的不确定度计算结果

3.5 测量重复性的不确定度评定

样品溶液重复测定6次，计算质量浓度均值，其中苯并[a]芘为3.27ng/mL，苯并[b]荧蒽为7.75ng/mL，苯并[k]荧蒽为6.58ng/mL。这6次测定结果的标准偏差s计算公式见式（6）。

在测量重复性上，引入标准不确定度uinj、相对标准不确定度urel,inj，计算公式见式（7），计算结果见表3。

表3 测量重复性的不确定度计算结果

3.6 合成相对标准的不确定度评定

以上不确定度没有关联，先计算合成相对标准的不确定度urel(PAHS)：

再计算标准不确定度u(PAHS)，结果见表4。

表4 多环芳烃的不确定度计算结果

3.7 扩展不确定度评定

按照95%的置信区间，取包含因子k=2，计算得到扩展不确定度是：苯并[a]芘为0.0384ng/m3，苯并[b]荧蒽为0.0544ng/m3，苯并[k]荧蒽为0.0596ng/m3。根据式（1）得到大气PM2.5中苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽的质量浓度，最终测量结果 为（0.486±0.0384）ng/m3、（1.16±0.0544）ng/m3、（0.987±0.0596）ng/m3。

4 结语

采用HPLC法测定大气PM2.5中的多环芳烃是一种可行的技术方案，测定结果的不确定度主要来源于标准溶液配制、标准曲线拟合两个环节。分析认为，空气中的多环芳烃含量小，HPLC检测时的色谱峰面积小，造成的误差较大。对此，应从环境、设备、技术等方面加强管理，延长色谱柱的平衡时间，尽量增大色谱峰面积，增加标准工作曲线的点数，对量具进行检定。通过减少误差进一步提高测定结果的准确性。