高效液相色譜法測定大氣PM2.5 中多環(huán)芳烴不確定度評定

姚譽(yù)陽，吳宇伉，朱鵬飛，孟元華，2，朱慧敏

（1.無錫市疾病預(yù)防控制中心，江蘇無錫 214023； 2.江南大學(xué)公共衛(wèi)生研究中心，江蘇無錫 214122）

PM2.5是指空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑不大于2.5 μm的顆粒物，又稱為細(xì)顆粒物，其比表面積大，可吸附多種有害物質(zhì)［1–2］。近年來，我國加大了大氣污染監(jiān)測力度，由中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境所組織的“空氣污染對人群健康影響監(jiān)測項目PM2.5濾膜成分分析工作”已在全國范圍內(nèi)開展多年。其監(jiān)測的成分有多環(huán)芳烴、水溶性離子、金屬與類金屬3 類。其中多環(huán)芳烴(PAHs)是一類具有致癌、致畸以及能夠誘導(dǎo)有機(jī)體突變的污染物，美國環(huán)保總署和歐盟均將其列為優(yōu)先監(jiān)測的污染物［3］。PM2.5中PAHs因含量低（多為ng 級別），監(jiān)測種類多（一般為16種），其檢測手段一直是研究的重點(diǎn)。目前已報道的PM2.5中PAHs 檢測方法主要有氣相色譜法［4］、氣相色譜–質(zhì)譜法［5–8］、高效液相色譜法［9–12］。氣相色譜法分離PAHs 同分異構(gòu)體較為困難；氣相色譜–質(zhì)譜法價格昂貴，操作復(fù)雜，不易普及；高效液相色譜法不受目標(biāo)物質(zhì)熱穩(wěn)定性、熱揮發(fā)性影響，重現(xiàn)性好、靈敏度高、操作方便，是PM2.5中PAHs 檢測最常用的方法之一。

目前國家對PM2.5成分分析的質(zhì)量控制要求越來越高，對檢測過程進(jìn)行不確定度評定，有利于查找結(jié)果誤差的來源，評價測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，并采取相應(yīng)措施減少測定誤差，對提升檢測結(jié)果的質(zhì)量具有重要的意義。目前已有PM2.5中無機(jī)離子［13–15］、金屬［16］測量不確定度評定的文獻(xiàn)報道，而PM2.5中PAHs 測量不確定度評定尚未見報道。筆者根據(jù)JJF 1059.1—2012 《測量不確定度評定與表示》，對高效液相色譜法測定大氣PM2.5中多環(huán)芳烴含量的不確定度進(jìn)行評定，為提高測定結(jié)果的準(zhǔn)確度提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要儀器與試劑

高效液相色譜儀：1200 型，配二極管陣列串聯(lián)熒光檢測器，美國安捷倫科技有限公司。

超聲儀：SK3200H 型，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司。

環(huán)境空氣顆粒物采樣器：ZR3920 型，青島重瑞公司。

玻璃纖維濾膜：90 mm，英國沃特曼公司。

16 種多環(huán)芳烴混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：萘、厄烯、芴、苊、菲、蒽、熒蒽、芘、屈、苯并［a］蒽、苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、苯并［a］芘、二苯并［a，h］蒽、苯并［g，h，i］苝、茚并［1，2，3-c，d］芘的質(zhì)量濃度均為200 mg／L，相對擴(kuò)展不確定度均為±2.19%（k=2），編號為110124–06–1ML，美國O2Si 公司。

乙腈：色譜純，德國默克公司。

實(shí)驗用水為超純水。

1.2 采樣方法

采樣地點(diǎn)為無錫市濱湖區(qū)某小學(xué)教學(xué)樓樓頂，采樣高度約15 m，采樣時間為21 h，采樣體積設(shè)置為120 m3。采樣前、后濾膜均置于恒溫、恒濕箱中平衡24 h 至衡重。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

16 種PAHs 混合標(biāo)準(zhǔn)中間儲備溶液：10 mg／L，移取16 種PAHs 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液500 μL，置于10 mL 容量瓶中，用乙腈定容至標(biāo)線，搖勻。

16 種PAHs 混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液：100 μg／L，移取16 種PAHs 混合標(biāo)準(zhǔn)中間儲備溶液100 μL，置于10 mL 容量瓶中，用乙腈定容至標(biāo)線，搖勻。

16 種PAHs 系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：依次吸取16 種PAHs 混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液0.1、0.2、0.5、0.8、1.0 mL，分別置于5 只10 mL 容量瓶中，用乙腈定容至標(biāo)線，搖勻，配制成16 種PAHs 的質(zhì)量濃度均分別為1.0、2.0、5.0、8.0、10.0 ng／mL 的系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.4 多環(huán)芳烴提取

取1／4 采樣濾膜，用陶瓷剪刀剪碎，置于15 mL 離心管底部，加入4.5 mL 乙腈，擰緊旋蓋，于35 ℃下超聲30 min，取出后平衡至室溫，取上清液用0.45 μm 微孔濾膜過濾，濾液置于進(jìn)樣小瓶中，待測。

1.5 儀器工作條件

色譜柱：CNW Athena PAHs C18柱（250 mm×4.6 mm，5 μm，上海安譜實(shí)驗科技有限公司）；流量：1.5 mL／min；柱溫：30 ℃；進(jìn)樣體積：20 μL；流動相：乙腈–水溶液；洗脫方式：梯度洗脫；洗脫程序：A 為 乙 腈，B 為 水，0～5 min 時A 保 持50%，5～20 min 時A 由50%逐 漸 升 至100%，20～28 min 時A保持100%，28.1 min 時A 降至50%并保持4 min；檢測器：DAD；檢測波長：230、254 nm；熒光檢測器采用時間程序波長變換見表1。

表1 熒光時間程序波長變換

1.6 結(jié)果計算

大氣PM2.5中PAHs 的質(zhì)量濃度按式(1)計算：

式中：ρ1——PM2.5中PAHs 的質(zhì)量濃度，ng／m3；

ρ——提取液中PAHs 的質(zhì)量濃度，ng／mL；

V——提取液體積，mL；

N——濾膜剪取份數(shù)，取1／4 張，則N=4；

Vnd——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（101.3 kPa，273 K）采樣總體積，m3。

2 不確定度來源分析

PM2.5中PAHs 含量測定結(jié)果的不確定度來源如圖1 所示。由圖1 可以看出，高效液相色譜法測定大氣PM2.5中PAHs含量的不確定度主要來源：（1）標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度ustd；（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度ufit；（3）測量重復(fù)性引入的不確定度uinj；（4）提取過程引入的不確定度uext；（5）采樣過程引入的不確定度ucol。

圖1 不確定度來源圖

3 不確定度評定

近年來，苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽和苯并［a］芘的檢出率為100%，其中苯并［a］芘在16 種PAHs 中毒性最大［17］。因此選取苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽和苯并［a］芘3 種檢出率高、且具有一定代表性的PAHs 作為考察對象，對高效液相色譜法測定大氣PM2.5中PAHs 含量的不確定度進(jìn)行評定。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度ustd

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度ustd包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度upur和玻璃量器引入的不確定度umea。

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，pur

由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書可知，16 種多環(huán)芳烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、苯并［a］芘的質(zhì)量濃度均為200 mg／L，相對擴(kuò)展不確定度均為2.19%，擴(kuò)展因子為k=2，則3 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度相同，均為urel，pur=2.19%／2=1.10%

3.1.2 玻璃量器引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，mea

表2 玻璃量器引入的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

計算得urel，std（苯并［b］熒蒽）=urel，std（苯并［k］熒蒽）=urel，std（苯并［a］芘）=0.029 5

3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，fit

在1.5 儀器工作條件下，對1.3 中的16 種PAHs系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行測定，結(jié)果見表3。以待測化合物的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以色譜峰面積為橫坐標(biāo)，擬合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，計算線性方程和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表4。

表3 PAHs 系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的色譜峰面積

表4 線性方程和相關(guān)系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按式(2)計算：

式中：sR——標(biāo)準(zhǔn)曲線的剩余標(biāo)準(zhǔn)差；

b——標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率；

p——實(shí)際樣品測定次數(shù)，p=1；

n——標(biāo)準(zhǔn)曲線中濃度點(diǎn)個數(shù)，n=5；

ρx——實(shí)際樣品中PAHs 的質(zhì)量濃度，ng／mL；

ρi——標(biāo)準(zhǔn)曲線各點(diǎn)的質(zhì)量濃度，ng／mL；

yi——標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜峰面積；

a——標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距。

將表3 和表4 數(shù)據(jù)代入式(2)，計算結(jié)果見表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線擬合引入的不確定度

3.3 測量重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，inj

對樣品溶液重復(fù)進(jìn)樣6 次，測定結(jié)果見表6。

表6 樣品溶液質(zhì)量濃度測定結(jié)果 ng／mL

6 次測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差s按(3)計算：

表7 測量重復(fù)性引入的不確定度

3.4 提取過程引入的不確定度uext

提取過程引入的不確定度uext包括提取液體積準(zhǔn)確性引入的不確定度uV和提取回收率引入的不確定度uR。

3.4.1 提取液體積準(zhǔn)確性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，V

3.4.2 提取回收率引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，R

在1.5 儀器工作條件下，對空白濾膜進(jìn)行5 ng／mL 水平加標(biāo)回收試驗，處理過程與樣品一致，平行測定6 次，結(jié)果見表8。

表8 樣品提取回收率測定結(jié)果 %

6 次測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差sR按(4)計算：

表9 提取回收率引入的不確定度

提取過程引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

計算得urel，ext（苯并［b］熒蒽）=0.007 2；urel，ext（苯 并［k］熒 蒽）=0.007 2；urel，ext（苯 并［a］芘）=0.007 3

3.5 采樣過程引入的不確定度ucol

采樣引入的不確定度包括采樣流量引入的不確定度uflow、采樣大氣壓引入的不確定度uatm以及采樣溫度引入的不確定度utem。

3.5.1 采樣流量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，flow

3.5.2 采樣大氣壓引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，atm

現(xiàn)場測定大氣壓為101.0 kPa，氣壓計的最大允許誤差為±1.0 kPa，按均勻分布，k= 3，則采樣大氣壓引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.5.3 采樣溫度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，tem

現(xiàn)場測定溫度為20 ℃，溫度計最大允許誤差為±2.0 ℃，但現(xiàn)場溫差較大，約為10～25 ℃，按溫差為±7.5 ℃計算，則采樣溫度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.6 合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度和標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各不確定度分量互不相關(guān)，合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

計算結(jié)果見表10。

表10 3 種PAHs 不確定度計算結(jié)果

3.6 擴(kuò)展不確定度和測量結(jié)果表示

按照95%的置信水品，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度：

計算得苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、苯并［a］芘的擴(kuò)展不確定度分別為0.055 4、0.059 6、0.038 4 ng／m3。

根據(jù)式(1)計算得大氣PM2.5中苯并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、苯并［a］芘的質(zhì)量濃度分別為1.16、0.987、0.486 ng／m3，則 大 氣PM2.5中 苯 并［b］熒蒽、苯并［k］熒蒽、苯并［a］芘的測量結(jié)果分別為（1.16±0.055 4）、（0.987±0.059 6）、（0.486±0.038 4）ng／m3。

4 結(jié)語

采用高效液相色譜法測定大氣PM2.5中多環(huán)芳烴含量，對測定結(jié)果的不確定度進(jìn)行評定。結(jié)果表明，測定結(jié)果的不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合及標(biāo)準(zhǔn)溶液配制?？諝庵卸喹h(huán)芳烴含量較低，導(dǎo)致多環(huán)芳烴在檢測時色譜峰面積較小，相對誤差較大，因此要提高檢測結(jié)果的質(zhì)量，應(yīng)注意以下幾個方面：（1）選擇較大響應(yīng)的熒光波長或紫外波長，盡量增大色譜峰面積；（2）色譜柱平衡時間應(yīng)足夠長，減小基線波動；（3）盡量使色譜峰面積落在標(biāo)準(zhǔn)工作曲線中間處，必要時可增加標(biāo)準(zhǔn)工作曲線點(diǎn)數(shù)，采用分段擬合；同時應(yīng)注意移液器等量具的檢定，避免出現(xiàn)移液誤差過大的情況。