同位素稀釋-高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜測定大氣中有機(jī)氯農(nóng)藥

張靜星, 鄭曉燕, 譚 麗, 劉進(jìn)斌, 于海斌

(中國環(huán)境監(jiān)測總站, 北京 100012)

持久性有機(jī)污染物(persistent organic pollutants, POPs)是一類具有高毒性、難生物降解,能在環(huán)境中長距離遷移和擴(kuò)散、可生物富集并生物放大的化合物[1,2],其在各種環(huán)境介質(zhì)甚至動物和人體中普遍檢出[3-10],在生態(tài)安全和人類健康方面產(chǎn)生風(fēng)險,目前已引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。2001年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Programme, UNEP)通過了《關(guān)于持久性有機(jī)污染物的斯德哥爾摩公約》(簡稱公約),以消除或限制POPs生產(chǎn)、使用及排放,目前公約已納入30類化合物[11]。

POPs具有一定揮發(fā)性,可通過大氣進(jìn)行擴(kuò)散和遷移,因此大氣中POPs的賦存水平可直觀地反映環(huán)境污染的現(xiàn)狀,UNEP全球POPs監(jiān)測計劃也將大氣作為主要監(jiān)測對象[12]。有機(jī)氯農(nóng)藥(organochlorine pesticides, OCPs)目前在公約受控清單中已多達(dá)17種[11],作為典型的POPs,其大氣監(jiān)測分析方法的開發(fā)與優(yōu)化對履約監(jiān)測工作意義重大。目前相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方法多為氣相色譜-電子捕獲檢測(GC/ECD)[13-18]和氣相色譜/質(zhì)譜(GC/MS)[19-21]。這些方法的儀器分辨率較低,檢出限較高,多在10-1～102pg/m3[13-20],高于履約背景點大氣中OCPs的濃度水平(一般為10-3～101pg/m3),不能滿足背景點大氣監(jiān)測的需求[22]。檢出限的定義和計算方式多樣,不利于方法間的比較[16-18,23-26]。也有部分研究用到了氣相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜(GC/MS-MS)[23-25]和氣相色譜/高分辨質(zhì)譜[26,27]測定的方法,但是其凈化方法較為簡單,有待優(yōu)化。同時,在大氣OCPs采樣方面,揮發(fā)性較強的α-HCH(α-hexachlorocyclohexane)和HCB(hexachlorobenzene)等化合物容易受環(huán)境溫、濕度影響,在聚氨酯泡沫(PUF)上發(fā)生吸附穿透[16,24,27,28],但很少有研究進(jìn)行系統(tǒng)的穿透試驗[20,23-25],導(dǎo)致化合物實際污染水平被低估。

本研究采用同位素稀釋-高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜法(ID-HRGC/HRMS)測定大氣中的OCPs,在借鑒已有的ID-HRGC/HRMS測定環(huán)境樣品方法的基礎(chǔ)上[29-33],嚴(yán)格根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168-2010),從大氣采樣、樣品凈化、方法適用性等多方面進(jìn)行方法開發(fā),為我國大氣中的OCPs檢測標(biāo)準(zhǔn)制訂奠定基礎(chǔ),同時為履約監(jiān)測提供技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

7890A氣相色譜儀(美國Agilent公司); Autospec Premier高分辨磁質(zhì)譜儀(美國Waters公司);大氣主動采樣器(Echo Hivol,意大利TCR TECORA公司);加速溶劑萃取儀(ASE350,美國Thermo公司)。弗羅里硅土(1 g, 6 mL)和石墨化炭黑固相萃取柱(500 mg, 6 mL, Envi-carb)(美國Supelco公司),硅膠(1 g, 6 mL)以及氧化鋁固相萃取柱(1 g, 6 mL)(美國Sep-Pak公司)。

丙酮、二氯甲烷和甲苯(美國J. T. Baker公司)、正己烷(德國Merck公司)和壬烷(德國Alfa Aesar公司)均為農(nóng)殘級。無水硫酸鈉為分析純,使用前于400 ℃下烘烤4 h。OCPs類校準(zhǔn)溶液(ES 5464)、天然混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(ES 5467)、替代標(biāo)溶液(ES 5465)和進(jìn)樣內(nèi)標(biāo)溶液(EC 5350)均購于美國劍橋同位素實驗室。

PUF(美國Tisch公司)直徑5.08 cm (2英寸),高5 cm,密度0.025 g/cm3,使用前用沸水燙洗后在溫水中反復(fù)搓洗,瀝干水分放入烘箱除水;之后用加速溶劑萃取(ASE)清洗,提取溶劑為正己烷/二氯甲烷(1∶1, v/v),于100 ℃靜態(tài)平衡8 min,吹掃180 s,循環(huán)3次,沖洗比例60%;清洗完畢,置于真空干燥箱50 ℃加熱8 h,密封保存。石英纖維濾膜(QFF, Munktell公司)直徑102 mm,使用前于600 ℃下烘烤6 h,密封保存。

1.2 實驗方法

1.2.1樣品采集

大流量主動采樣器(active air samplers, AAS)放置于中國環(huán)境監(jiān)測總站(北京)3樓樓頂采樣平臺,以濾膜+PUF/PUF模式采集大氣中的OCPs, 220 L/min連續(xù)采樣,采集約600 m3大氣樣品。采樣完畢,將濾膜和PUF用鋁箔包裹密封,冷藏保存直至分析。

1.2.2樣品前處理

向濾膜和PUF中加入1 ng替代標(biāo),平衡30 min后ASE提取,提取方法與PUF清洗相同。將提取液旋蒸濃縮至1～2 mL,用弗羅里硅土小柱進(jìn)行凈化。預(yù)先用5 mL甲苯活化小柱,上樣后用10 mL甲苯洗脫并接收流出液。流出液旋蒸至約1 mL,再用石墨化炭黑小柱凈化。事先用5 mL甲苯活化小柱,10 mL甲苯洗脫。流出液旋蒸、氮吹濃縮,溶劑置換為20 μL壬烷,加入1 ng進(jìn)樣內(nèi)標(biāo),渦旋混勻后待測。

1.2.3HRGC/HRMS條件

色譜:進(jìn)樣口250 ℃;載氣為1.0 mL/min的高純氦氣;不分流進(jìn)樣,進(jìn)樣體積1 μL;中等極性色譜柱Rtx-CL Pesticides2(30 m×0.25 mm×0.2 μm);升溫程序:110 ℃保持1 min; 20 ℃/min升溫至210 ℃; 1.5 ℃/min升溫至218 ℃,停留1 min; 2 ℃/min升溫至260 ℃,停留1 min。

質(zhì)譜:離子源溫度280 ℃;電子能量35 eV;捕獲電流650 μA;檢測器電壓350 V;動態(tài)分辨率≥8 000;選擇離子監(jiān)測(SIM)模式,各OCPs特征離子的參數(shù)見表1。

1.2.4定性定量方法

在給定色譜/質(zhì)譜條件下獲得樣品色譜/質(zhì)譜峰,根據(jù)保留時間和特征離子豐度比進(jìn)行定性,以平均相對響應(yīng)因子(RRF)法進(jìn)行定量。由校準(zhǔn)溶液測定化合物的RRF,并計算平均值。其中23種OCPs使用其各自的13C標(biāo)記的替代標(biāo)定量;反式-環(huán)氧七氯和順式-氯丹分別采用13C10-順式-環(huán)氧七氯和13C10-反式-氯丹定量;所有替代標(biāo)的回收率采用保留時間接近的進(jìn)樣內(nèi)標(biāo)定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器條件的優(yōu)化

比較OCPs分析常用的色譜柱DB-5MS、DB-35與專用柱Rtx-CLPesticides2對25種OCPs的分離效果,發(fā)現(xiàn)Rtx-CLPesticides2效果最優(yōu)(見圖1),且該柱對25種OCPs的儀器檢出限低至其他色譜柱的5%～50%,因此選擇Rtx-CLPesticides2作為分析色譜柱。

2.2 凈化方法優(yōu)化

2.2.1柱洗脫條件選擇

調(diào)研發(fā)現(xiàn),弗羅里硅土、活性炭、氧化鋁以及硅膠等常用于OCPs的凈化(見附表1,詳見http://www.chrom-China.com/)。其中弗羅里硅土可以將OCPs與脂肪族、芳香族以及含氮化合物等干擾物相分離,石墨化炭黑能有效去除色素和甾醇類等非極性干擾物,硅膠、氧化鋁可以去除有機(jī)磷酸酯和氯酚類的污染[34]。丙酮、二氯甲烷、甲苯、正己烷以及不同比例混合溶劑常用作上述凈化柱的洗脫溶劑。

表 1 高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜測定OCPs的參數(shù)

表 1 (續(xù))

圖 1 25種OCPs的總離子流圖

表 2 弗羅里硅土小柱在不同溶劑洗脫下的替代標(biāo)回收率

將含1 ng OCPs替代標(biāo)的溶液作為模擬樣品,在凈化小柱活化后進(jìn)行上樣和洗脫,考察了不同凈化方法對應(yīng)的替代標(biāo)回收率(見表2～表5)。

弗羅里硅土小柱的洗脫結(jié)果(見表2)表明,丙酮/正己烷(1∶9, v/v)以及甲苯作洗脫溶劑時,洗脫效果均較好,且從追加5 mL洗脫溶劑的結(jié)果來看,10 mL溶劑用量已足夠。二氯甲烷/正己烷(2∶8, v/v)對硫丹-Ⅰ、狄氏劑、異狄氏劑和硫丹-Ⅱ的洗脫效果較差,追加的10 mL二氯甲烷/正己烷(3∶7, v/v)雖能洗脫50%～70%的硫丹-Ⅰ、狄氏劑和異狄氏劑,但硫丹-Ⅱ的回收率僅達(dá)7%,洗脫效果仍不盡人意。整體而言10 mL甲苯的洗脫效果最突出,因此后續(xù)實驗中此柱的洗脫溶劑定為10 mL甲苯。

石墨化炭黑小柱的洗脫結(jié)果(見表3)表明,甲苯的洗脫效果較好,且10 mL用量已足夠。丙酮/正己烷(1∶1, v/v)和二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)不能有效地將六氯苯從柱上洗脫,故后續(xù)實驗選擇10 mL甲苯作為該柱的洗脫溶劑。

氧化鋁小柱的洗脫結(jié)果(見表4)表明,二氯甲烷/正己烷(1∶9, v/v)作洗脫溶劑時,六氯苯的回收率約為30%,α-HCH和γ-HCH的回收率約為40%,其他均>50%。10 mL正己烷作洗脫溶劑時,不能將硫丹-Ⅱ和δ-HCH從柱上洗脫,可能是正己烷極性太弱所致,而追加的5 mL二氯甲烷/正己烷(2∶8, v/v)洗脫溶劑下δ-HCH和硫丹-Ⅱ的回收率高達(dá)60%～80%。考慮到整體洗脫效果和簡化操作,后續(xù)實驗選擇15 mL二氯甲烷/正己烷(1∶9, v/v)作為氧化鋁小柱的洗脫溶劑。

硅膠小柱的洗脫結(jié)果(見表5)表明,二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)的洗脫效果較好,化合物回收率均在46%以上(五氯苯的回收率為33%),且10 mL用量已足夠。與氧化鋁小柱相似,正己烷也不能有效地將硫丹-Ⅱ和δ-HCH從硅膠柱上洗脫,且β-HCH的回收率僅為6%。追加5 mL二氯甲烷后,狄氏劑、異狄氏劑回收率增加,β-HCH、δ-HCH和硫丹-Ⅱ的回收率大大增加?？紤]整體洗脫效果和簡化操作,后續(xù)實驗選擇10 mL二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)作為此柱的洗脫溶劑。

表 3 石墨化炭黑小柱在不同溶劑洗脫下的替代標(biāo)回收率

表 5 硅膠小柱在不同溶劑洗脫下的替代標(biāo)回收率

表 6 組合固相萃取小柱對空氣樣品中OCPs的凈化效果

2.2.2單一填料柱凈化

多個空氣樣品經(jīng)過提取后,合并提取液,濃縮并定容至10 mL,制備統(tǒng)一樣品溶液。取0.5 mL(n=2),加入1 ng替代標(biāo),混勻后分別用弗羅里硅土、石墨化炭黑、氧化鋁和硅膠小柱進(jìn)行凈化,各凈化柱均用上文中的較優(yōu)洗脫溶液進(jìn)行洗脫,將流出液收集后濃縮至20 μL,結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃縮液色素均較重,即單一凈化柱不能有效去除樣品溶液色素,為減少色素對儀器測樣干擾,本文進(jìn)一步研究了組合凈化柱。2.2.3組合填料柱凈化

將統(tǒng)一樣品溶液分別進(jìn)行組合凈化,組合方式及凈化效果見表6。弗羅里硅土小柱和石墨化炭黑小柱組合能夠很好地去除樣品色素,減弱對目標(biāo)物出峰的干擾,延長色譜柱壽命。進(jìn)一步將經(jīng)過弗羅里硅土小柱和石墨化炭黑小柱組合凈化的大氣樣品溶液進(jìn)行儀器測定,樣品中OCPs的替代標(biāo)回收率為33.9%～155%。

2.3 方法適用性

2.3.1穿透試驗

AAS因能通過采樣泵加流量計精確控制大氣采樣量,而廣泛應(yīng)用于大氣OCPs采樣。AAS吸附介質(zhì)多為濾膜+PUF模式,但是一些OCPs揮發(fā)性較強,采樣時容易在PUF上發(fā)生穿透,所以現(xiàn)場采樣前應(yīng)先確定有效采樣體積。確定方式主要有以下兩種[14]:一種是穿透試驗,即串聯(lián)2塊及以上PUF進(jìn)行采樣,計算下層PUF吸附目標(biāo)物量相對上層PUF或總PUF的比值[16,27,28];另一種是動態(tài)保留試驗,即向PUF氣體流入端加標(biāo),采樣后計算加標(biāo)回收率[15,19,35]。其中穿透試驗的方法在研究中更常見,但穿透標(biāo)準(zhǔn)不一,如穿透限值存在下層PUF占上層PUF的33.3%[28]或50%[27]、下層PUF占總PUF比值5%[36]等多種說法(見附表1,詳見http://www.chrom-China.com/)。鑒于PUF對HCB和α-HCH的吸附容量極易受環(huán)境溫、濕度影響[16,27],本文采用穿透試驗的方式,并選擇定義下層PUF吸附目標(biāo)物量占總PUF比值(簡稱“穿透比率”)5%即為穿透這一嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn),以增強本次實驗結(jié)果的指導(dǎo)意義。

表 7 穿透實驗中下層PUF吸附目標(biāo)物占總PUF吸附量的比值

2019年2月,在中國環(huán)境監(jiān)測總站(北京)3樓樓頂進(jìn)行穿透試驗,以濾膜+PUF/PUF模式,多臺主動采樣器同時采集不同體積的空氣樣品,各體積采集1個平行樣。采樣結(jié)束后,分別測定兩層PUF中OCPs的含量,計算下層PUF吸附的目標(biāo)物占總PUF吸附量的比值,結(jié)果見表7(采樣體積已換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(101.325 kPa, 273 K)對應(yīng)的體積)。

由表7可見,樣品中下層PUF吸附的五氯苯和六氯苯的量在總PUF中占比均較大。其中五氯苯在采樣體積為15 m3時,穿透比率也已超出40%,即嚴(yán)重穿透;六氯苯在低于50 m3時,穿透比率較低,其中在15 m3時為5%;α-六六六在53和387 m3時,穿透比率為13%,在采樣體積≤677 m3時,穿透比率均<5%,可能是期間天氣變化較大所致;其他OCPs在采樣體積為607 m3時,整體而言穿透比率均在5%左右。

綜上,五氯苯不適合濾膜+PUF/PUF的采樣模式,建議與XAD(苯乙烯-二乙烯基苯共聚物)或Tenax-TA(聚2,6-二苯基對苯醚)等強吸附性能介質(zhì)相結(jié)合。對于α-HCH,采樣時應(yīng)盡量避開高濕度天氣。在相似采樣環(huán)境下安裝單塊PUF,六氯苯的采樣體積應(yīng)≤15 m3,雙塊PUF時應(yīng)≤30 m3。其他OCPs采樣體積為,單塊PUF應(yīng)≤600 m3,雙塊PUF應(yīng)≤1 200 m3。

表 8 25種OCPs的方法檢出限、線性相關(guān)系數(shù)和加標(biāo)回收率

2.3.2平均相對響應(yīng)因子、線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限

測定0.4～800 μg/L的OCPs校準(zhǔn)溶液,計算目標(biāo)物和替代標(biāo)的平均相對響應(yīng)因子,其對應(yīng)的RSD≤20%,線性相關(guān)系數(shù)(R2)均>0.992,詳見表8。按照HJ 168要求,計算方法的檢出限(MDL):按照樣品分析的全流程重復(fù)測定7次空白試樣,測定結(jié)果以濃度表示,其中六氯苯按采樣體積30 m3計算,其他24種OCPs按1 200 m3計算,得出測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(S), MDL為3.143S,對空白試驗中未檢出的目標(biāo)物進(jìn)行加標(biāo)后測定,判斷各目標(biāo)物MDL的合理性,必要時調(diào)整加標(biāo)量。六氯苯的MDL為0.7 pg/m3,其他24種OCPs的MDL為0.002～0.007 pg/m3,詳見表8。

2.3.3精密度和回收率

向空白濾膜和PUF中加入低(100 pg)、中(400 pg)、高(15 ng)3個水平的OCPs標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(n=6),按照實際樣品處理流程進(jìn)行提取、凈化和儀器分析,計算同一加標(biāo)水平下OCPs測定值的RSD。3個加標(biāo)水平下,測定值的RSD均在0.64%～16%之間,加標(biāo)回收率為67.2%～135%,詳見表8。

2.4 空氣樣品的測定結(jié)果

根據(jù)穿透情況,采集15～30 m3的空氣樣品,測得六氯苯的濃度為514～563 pg/m3。采集約600 m3的空氣樣品,測得除反式-環(huán)氧七氯、異狄氏劑、順式-九氯和4,4′-滴滴滴在部分樣品中未檢出外,其他OCPs均為100%檢出,濃度為0.01～18.9 pg/m3,低于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)HJ 900的檢出限(0.03～0.07 ng/m3),所有樣品的替代標(biāo)回收率為33.9%～155%。

3 結(jié)論

本文建立了弗羅里硅土小柱與石墨化炭黑小柱組合凈化,中等極性Rtx-CL Pesticides2色譜柱分離,同位素稀釋-HRGC-HRMS分析大氣25種OCPs的方法。空白樣品進(jìn)行低、中和高3個水平的加標(biāo)試驗,測定結(jié)果的RSD為0.64%～16%,加標(biāo)回收率為67.2%～135%。實際樣品分析中替代標(biāo)的回收率為33.9%～155%。穿透試驗確定六氯苯的有效采樣體積(標(biāo)態(tài))應(yīng)≤30 m3,其他24種OCPs應(yīng)≤1 200 m3。以上述體積計算,方法的檢出限為0.002～0.7 pg/m3。該方法較系統(tǒng)、全面,測定干擾因素較少,回收率較好,檢出限能很好地滿足當(dāng)前大氣中痕量OCPs的測定需求,可用于履約監(jiān)測以及大規(guī)模大氣樣品的調(diào)查。