高效溶劑萃取-固相萃取/氣相色譜-質(zhì)譜法測(cè)定大氣顆粒物中多環(huán)芳烴和有機(jī)磷阻燃劑

張?zhí)扃?，李圣增，張厚勇，齊安安，徐 鵬，楊凌霄，3*

（1．山東大學(xué) 環(huán)境研究院，山東 青島 266237；2．山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250102；3．江蘇省氣候變化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

多環(huán)芳烴（PAHs）和有機(jī)磷阻燃劑（OPFRs）是環(huán)境中廣泛存在的持久性有機(jī)污染物。其中，PAHs主要由化石燃料、生物質(zhì)以及塑料等不完全燃燒和熱解產(chǎn)生［1］；OPFRs作為一種添加型阻燃劑主要以物理方式被添加到塑料、橡膠、聚氨酯泡沫以及紡織品等材料中，且極易在生產(chǎn)、使用等過(guò)程中通過(guò)揮發(fā)、浸出、磨損等方式釋放進(jìn)入環(huán)境中［2-3］；同時(shí)，工業(yè)活動(dòng)也是大氣中PAHs和OPFRs的主要污染源［4-5］。大量研究表明，除在大氣［6-7］、水體［8-9］、土壤［10-11］、植被［11-12］等多種環(huán)境介質(zhì)中檢測(cè)到PAHs和OPFRs外，在魚(yú)體［13］、茶葉［14］、食品［15］、口罩［16］、腕帶［17］等多種介質(zhì)中也有檢出，并最終通過(guò)呼吸、攝入等方式進(jìn)入人體，危害人體健康。

近年來(lái)，我國(guó)空氣質(zhì)量明顯改善，全國(guó)城市PM2．5、PM10濃度呈下降趨勢(shì)，但仍有很多城市的PM2．5濃度未達(dá)到《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且部分省份的PM10年均濃度有所上升［18］。因此，大氣顆粒物仍是影響我國(guó)空氣質(zhì)量的重要空氣污染物。研究表明，毒性較大、揮發(fā)性較小的高環(huán)多環(huán)芳烴更趨向存在于顆粒相中［19-20］；OPFRs在大氣中也主要附著在顆粒物表面［21］，且OPFRs相較于PAHs更容易分配進(jìn)入顆粒相中［22］。因此，準(zhǔn)確測(cè)定大氣顆粒物中PAHs和OPFRs的濃度對(duì)于研究其物種組成、來(lái)源、介質(zhì)分配以及健康風(fēng)險(xiǎn)等具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的大氣顆粒物中持久性有機(jī)污染物的提取方法主要有索氏提取、超聲萃取、加速溶劑萃取以及固相微萃取等［23-24］。本研究采用的高效溶劑萃取法具有自動(dòng)化程度高、有機(jī)溶劑用量小、萃取時(shí)間短、回收率高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。大氣顆粒物組分復(fù)雜，因此萃取液中含有大量共萃取干擾物，需要進(jìn)一步純化以消除雜質(zhì)峰的影響。本方法采用Florisil固相萃取柱凈化萃取液，用微量有機(jī)溶劑分離純化PAHs和OPFRs，可有效去除基質(zhì)效應(yīng)。由于PAHs和OPFRs的理化性質(zhì)有差異，多數(shù)前處理方法需經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)分別提取和檢測(cè)。本研究建立的同時(shí)提取分析大氣顆粒物中16種PAHs和15種OPFRs的高效溶劑萃取-固相萃取/氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）方法，大大縮減了樣品前處理時(shí)間，可成功應(yīng)用于實(shí)際樣品中PAHs和OPFRs含量的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

ThermoFisher ISQ 7000氣相色譜-單四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國(guó)賽默飛世爾科技公司）；Lab Tech HPSE?-E高效溶劑萃取儀（北京萊伯泰科儀器股份有限公司）；Supelclean ENVI-Florisil固相萃取柱（500 mg/3 mL，德國(guó)默克集團(tuán)）；RE201旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海秉越電子儀器有限公司）；TH-150A大氣顆粒物中流量采樣器（武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司）。

16種PAHs以及15種OPFRs標(biāo)準(zhǔn)品信息見(jiàn)表1，將標(biāo)準(zhǔn)品轉(zhuǎn)移至棕色進(jìn)樣瓶并置于冰箱中保存；二氯甲烷（美國(guó)天地有限公司）、正己烷（美國(guó)天地有限公司）、乙酸乙酯（上海麥克林生化科技公司）均為農(nóng)殘級(jí)，無(wú)水乙醇（天津科密歐化學(xué)試劑有限公司）為色譜級(jí)；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

表1 16種PAHs和15種OPFRs的CAS號(hào)、保留時(shí)間和特征離子Table 1 CAS numbers，retention times and characteristic ions of 16 PAHs and 15 OPFRs

石英濾膜（TISSUQUARTZ-2500QAT-UP，1 μm，203×254 mm，美國(guó)Pall公司），濾膜在使用前均置于馬弗爐中在450℃下焙燒6 h，以去除濾膜中有機(jī)物質(zhì)的干擾。

1.2 樣品前處理

1.2.1 樣品提取使用膜戳截取兩片直徑為44 mm的石英濾膜置于10 mL不銹鋼萃取罐中進(jìn)行高效溶劑萃取。萃取條件如下：萃取溶劑為正己烷-二氯甲烷（1∶1，體積比）混合溶液；溫度110℃；壓力11 MPa；加熱時(shí)間5 min；靜態(tài)萃取時(shí)間8 min；循環(huán)2次；淋洗體積為萃取罐體積的60%；氮?dú)獯祾邥r(shí)間120 s。將萃取液轉(zhuǎn)移至250 mL雞心瓶中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至1~2 mL待用。

1.2.2 提取液凈化使用Supelclean ENVI-Florisil固相萃取柱（500 mg/3 mL）凈化萃取液。首先依次用8 mL乙酸乙酯、6 mL正己烷活化萃取柱；然后將濃縮后的萃取液轉(zhuǎn)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，得到洗脫液A用于測(cè)定PAHs，用10 mL乙酸乙酯淋洗萃取柱，得到洗脫液B用于測(cè)定OPFRs。將洗脫液A、B分別旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至約0．5 mL后，轉(zhuǎn)移至棕色進(jìn)樣瓶中并定容至1 mL，待分析。

1.3 儀器條件

色譜條件：色譜柱為T(mén)G-5SILMS（30 m×0．25 mm×0．25 μm），脈沖不分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1．0 μL，柱流速為1．0 mL/min，載氣為高純氦氣（純度99．999%）。

PAHs的氣相色譜條件為：進(jìn)樣口溫度：310℃；程序升溫：以60℃為初始溫度保持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；質(zhì)譜條件為：離子源為EI源；傳輸線溫度：280℃；離子源溫度：300℃；電離能量：70 eV；選擇離子監(jiān)測(cè)（SIM）模式；溶劑延遲時(shí)間為4．5 min。

OPFRs的氣相色譜條件為：進(jìn)樣口溫度：310℃；程序升溫：以60℃為初始溫度保持1 min，以10℃/min升至200℃保持2 min，最后以20℃/min升至300℃保持5 min；質(zhì)譜條件為：離子源為EI源；傳輸線溫度：290℃；離子源溫度：300℃；電離能量：70 eV；SIM模式；溶劑延遲時(shí)間為3．5 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜-質(zhì)譜條件的優(yōu)化

對(duì)于理化性質(zhì)不同的31種目標(biāo)化合物，確定氣相色譜-質(zhì)譜儀各部分的溫度條件對(duì)成功分離和檢測(cè)各種化合物尤為重要。因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)樣口、離子源和傳輸線的溫度進(jìn)行組合優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算儀器重現(xiàn)性得到最優(yōu)的溫度組合條件。

在測(cè)定OPFRs時(shí)，首先配制5 μg/mL的OPFRs混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：分別移取50 μL 100 μg/mL的OPFRs標(biāo)準(zhǔn)溶液于棕色進(jìn)樣瓶中，用正己烷定容至1 mL，搖勻備用。考察了5種進(jìn)樣口、離子源和傳輸線溫度組合，具體溫度參數(shù)見(jiàn)圖1。在各溫度組合下將5 μg/mL的OPFRs混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液連續(xù)測(cè)定7次，計(jì)算各化合物響應(yīng)峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。由圖1可知，當(dāng)進(jìn)樣口、離子源和傳輸線溫度分別為310℃、300℃和290℃（組合5）時(shí)，15種OPFRs響應(yīng)峰面積RSD的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均最小，分別為5．8%和5．2%，確定采用該溫度條件測(cè)定OPFRs。同時(shí)根據(jù)本課題組之前的研究［25］確定PAHs的儀器溫度條件為：進(jìn)樣口310℃，離子源300℃，傳輸線280℃。

圖1 5種溫度組合下15種OPFRs響應(yīng)峰面積RSD的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig．1 Mean and standard deviations of the peak area RSDs of 15 OPFRs at five temperature combinations

在“1．3”儀器條件下，對(duì)16種PAHs和15種OPFRs的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（0．1 μg/mL）進(jìn)行測(cè)定，得到31種目標(biāo)物質(zhì)的總離子流色譜（TIC）圖（圖2）。除BaA和CHR、BbF和BkF同分異構(gòu)體外，其余目標(biāo)物均得到了較好分離；在SIM模式下，根據(jù)定量離子的流出時(shí)間不同可將各同分異構(gòu)體完全分離。

圖2 31種目標(biāo)物質(zhì)的總離子流色譜圖（0．1 μg/mL）Fig．2 Total ion chromatograms of 31 target compounds（0．1 μg/mL）

2.2 樣品前處理?xiàng)l件的優(yōu)化

2.2.1 萃取溫度和壓力的選擇在高效溶劑萃取過(guò)程中，升高溫度可使液體的黏度和表面張力降低，增加溶液的擴(kuò)散速度和溶解度；高壓下，溶劑沸點(diǎn)升高的同時(shí)可以保持溶劑呈液體狀態(tài)，因而高效溶劑萃取的萃取效率較常溫常壓下的萃取方法有明顯提高。采用“1．2”方法進(jìn)行空白濾膜加標(biāo)（加標(biāo)量：PAHs 100 ng；OPFRs 200 ng）回收實(shí)驗(yàn)，考察了不同溫度（80、90、100、110、120、140℃）對(duì)31種目標(biāo)物質(zhì)回收率的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)萃取溫度由80℃升至110℃時(shí)，回收率在80%~120%范圍內(nèi)的目標(biāo)物數(shù)量顯著增多；溫度過(guò)低時(shí)，部分目標(biāo)物（例如ANT、BbF、BkF、TCPP等）的回收率較低（53．9%）；當(dāng)溫度由110℃升至140℃時(shí)，滿足回收率要求的目標(biāo)物數(shù)量呈下降趨勢(shì)；當(dāng)溫度為140℃時(shí)，極性和揮發(fā)性較強(qiáng)的物質(zhì)（例如TMP）的回收率較低（54．0%），因此選擇萃取溫度為110℃。

高效溶劑萃取的壓力范圍通常為5~17．2 MPa。在萃取溫度為110℃條件下，分別選取10、10．3、11 MPa 3個(gè)壓力進(jìn)行空白濾膜加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)萃取壓力為11 MPa時(shí)，有24種目標(biāo)物質(zhì)的回收率滿足要求，PAHs和OPFRs的平均回收率分別為90．0%和80．1%，萃取效果明顯優(yōu)于10 MPa及10．3 MPa。因此本實(shí)驗(yàn)選擇萃取壓力為11 MPa。

2.2.2 靜態(tài)萃取時(shí)間的選擇靜態(tài)萃取時(shí)間與高效溶劑萃取的萃取效率密切相關(guān)。萃取時(shí)間過(guò)短，目標(biāo)物不能萃取完全，回收率偏低；而隨著萃取時(shí)間的延長(zhǎng)，目標(biāo)物可能會(huì)再次脫離萃取溶劑，造成回收率偏低。實(shí)驗(yàn)考察了不同靜態(tài)萃取時(shí)間（5、8、10 min）對(duì)31種目標(biāo)物質(zhì)回收率的影響，結(jié)果顯示，當(dāng)萃取時(shí)間為5 min時(shí)，多數(shù)目標(biāo)物的回收率小于60%，表明萃取不完全；萃取時(shí)間增至8 min時(shí)，有21種目標(biāo)物的回收率在80%~120%范圍內(nèi)，PAHs和OPFRs的平均回收率分別為84．5%和86．6%；當(dāng)繼續(xù)增加萃取時(shí)間至10 min時(shí)，回收率滿足要求的目標(biāo)物數(shù)量較8 min顯著減少。因此本實(shí)驗(yàn)選擇靜態(tài)萃取時(shí)間為8 min。

2.2.3 SPE洗脫量的選擇萃取液濃縮后使用固相萃取柱凈化一方面是為了防止共萃取物以及雜質(zhì)等污染儀器，另一方面直接進(jìn)行GC-MS測(cè)定可能會(huì)由于基質(zhì)效應(yīng)造成測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。研究表明，SPE柱凈化可以有效去除基質(zhì)效應(yīng)［26］，且基質(zhì)復(fù)雜的樣品一般需聯(lián)用多個(gè)不同性質(zhì)的凈化柱實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的分離純化［23］。在未使用SPE柱凈化前，本實(shí)驗(yàn)測(cè)定16種PAHs和15種OPFRs的平均回收率分別為145%和136%，表明存在基質(zhì)效應(yīng)，因此選取Florisil固相萃取柱對(duì)萃取液進(jìn)行凈化，以正己烷和二氯甲烷（1∶1）作為PAHs的洗脫溶劑，乙酸乙酯作為OPFRs的洗脫溶劑。

根據(jù)已有研究［27-29］，本方法考察了不同體積正己烷-二氯甲烷（1∶1，10、12、15 mL）和乙酸乙酯（8、10、12 mL）分別洗脫P(yáng)AHs和OPFRs的平均回收率。如圖3所示，當(dāng)正己烷-二氯甲烷的洗脫量為10 mL時(shí)，16種PAHs的回收率為79．9%~101%，均值為90．0%；繼續(xù)增大洗脫量，部分目標(biāo)物的回收率超出理想范圍；當(dāng)乙酸乙酯的洗脫量為10 mL時(shí)，15種OPFRs的回收率為86．4%~118%，均值為98．0%，各物質(zhì)的回收率較優(yōu)且滿足檢測(cè)要求。因此，選擇10 mL正己烷-二氯甲烷（1∶1）溶液（洗脫液A）和10 mL乙酸乙酯（洗脫液B）分別作為PAHs和OPFRs的洗脫溶劑，該條件下洗脫液A中未檢測(cè)到OPFRs，洗脫液B中未檢測(cè)到PAHs，表明兩類(lèi)物質(zhì)已分離完全；同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明適宜的SPE洗脫量對(duì)基質(zhì)效應(yīng)有明顯去除效果。

圖3 不同洗脫溶劑體積對(duì)PAHs和OPFRs回收率的影響Fig．3 Effects of different eluent volumes on the recoveries of PAHs and OPFRs

2.3 線性關(guān)系、檢出限及定量下限

由于PAHs和OPFRs在顆粒物中的濃度變化較大，為準(zhǔn)確定量目標(biāo)物質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)分別配制了0．001、0．002、0．005、0．01、0．02、0．05、0．1 μg/mL系 列 低 濃 度 以 及0．1、0．2、0．5、1．0、2．0 μg/mL系列高濃度的31種目標(biāo)物質(zhì)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。PAHs各濃度混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入萘-D8、蒽-D10、芘-D10、苝-D124種內(nèi)標(biāo)物各100 ng；OPFRs各濃度混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入TCEP-D12內(nèi)標(biāo)物100 ng。將各濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液在“1．3”儀器條件下進(jìn)行測(cè)定，以特征離子峰的峰面積（Y）與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度（X，μg/mL）建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性方程及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。各目標(biāo)物在各自的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r2）均大于0．99。以3倍信噪比（S/N）時(shí)的質(zhì)量濃度為檢出限（LOD），10倍信噪比（S/N）時(shí)的質(zhì)量濃度為定量下限（LOQ），得到PAHs和OPFRs的LOD分別為0．10~10．00 μg/L和2．59~75．00 μg/L，LOQ分別為0．33~33．33 μg/L和8．63~250．00 μg/L（見(jiàn)表2）。

表2 31種目標(biāo)物質(zhì)的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限、定量下限、加標(biāo)回收率與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 2 Linear equations，correlation coefficients，detection limits，quantitation limits，spiked recoveries and relative standard deviations of 31 target compounds

2.4 回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

分別取10 μL 16種PAHs標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（10 μg/mL）、40 μL OPFRs標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液（5 μg/mL）進(jìn)行空白濾膜加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，按照本方法進(jìn)行4次平行實(shí)驗(yàn)，各目標(biāo)物質(zhì)的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）見(jiàn)表2。結(jié)果顯示，16種PAHs的平均回收率為73．0%~98．0%，RSD為3．7%~13%；15種OPFRs的平均回收率為69．3%~111%，RSD為2．5%~17%。表明本方法的準(zhǔn)確度和精密度較好，符合檢測(cè)要求。

2.5 實(shí)際樣品的測(cè)定

為驗(yàn)證本方法在實(shí)際樣品測(cè)定中的可行性，利用本方法對(duì)淄博市采集到的大氣PM2．5樣品進(jìn)行測(cè)定，樣品采樣時(shí)間均為23．5 h，采樣流量為100 L/min。31種目標(biāo)物除TMP、TDCIPP未檢出外，其他物質(zhì)均檢出，PAHs總質(zhì)量濃度為8．61~52．92 ng/m3，OPFRs總質(zhì)量濃度為10．23~100．77 ng/m3。在實(shí)際樣品測(cè)定過(guò)程中，每隔10個(gè)樣品進(jìn)行1次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，16種PAHs的重復(fù)變化率為0．10%~19．6%，平均重復(fù)變化率為6．4%；15種OPFRs的重復(fù)變化率為0．10%~20．7%，平均重復(fù)變化率為8．5%。檢測(cè)結(jié)果表明，本方法穩(wěn)定性良好，可用于大氣顆粒物中多環(huán)芳烴和有機(jī)磷阻燃劑的同時(shí)測(cè)定。

3 結(jié)論

本文采用高效溶劑萃取同時(shí)提取大氣顆粒物中的PAHs和OPFRs，并對(duì)萃取參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，萃取液經(jīng)濃縮、固相萃取柱凈化、再濃縮后，進(jìn)行GC-MS定性與定量分析。本方法具有前處理自動(dòng)化程度高、溶劑用量少，樣品處理時(shí)間短，穩(wěn)定性好，檢測(cè)靈敏度高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足對(duì)大氣顆粒物中PAHs和OPFRs的檢測(cè)要求。