氣相色譜-質譜聯(lián)用法測定大氣顆粒物PM10中7種多溴二苯醚

李灑灑， 王俊霞， 張一諾， 沈詩潔， 姜永波， 王盼盼， 張占恩*,2,3

(1.蘇州科技大學，環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州，215009； 2.蘇州科技大學，江蘇省環(huán)境科學與工程重點實驗室，江蘇蘇州，215009； 3.蘇州科技大學，水處理技術與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇蘇州，215009)

大氣顆粒物是最危險的空氣污染物之一，人類越來越關注對其健康的影響。這與顆粒本身的性質以及顆粒物中含有的相關污染物有關[1]。多溴二苯醚(Polybrominated biphenyl ethers,PBDEs)屬于持久性有機污染物，具有很強的疏水性和親脂性，不易降解，容易通過揮發(fā)、沉降或徑流進入各種環(huán)境介質(土壤、灰塵、空氣等)[2]。據(jù)報道PBDEs具有發(fā)育毒性、生殖毒性以及致癌性等[3]，容易通過多種外部暴露途徑進入人體，包括吸入、飲食攝入和皮膚接觸[4,5]。因此建立大氣顆粒物中PBDEs的分析檢測方法具有重要意義。

目前對于固體或半固體樣品中PBDEs的提取通常用索氏提取、超聲提取、微波輔助提取、加速溶劑萃取[6 - 9]等。由于大氣顆粒物的基質復雜，有機污染物繁多，單純提取技術不能滿足氣相色譜或液相色譜等儀器設備對樣品分析的要求。后續(xù)需要與多種凈化技術聯(lián)用，去除基質中的大分子物質及其它雜質，可使得樣品較為純凈，雜峰較少，色譜峰形良好[10,11]。本文利用超聲提取后再使用分散液-液微萃取(Dispersive liquid-liquid microextraction，DLLME)技術凈化進行前處理?；谏傧挠袡C溶劑的綠色環(huán)保理念，DLLME以純水為凈化劑，使?jié)饪s與凈化同步進行，提高了操作的便捷性，同時減少了預處理用時[12]。對于大氣顆粒物中多溴二苯醚測定多采用索氏提取法[13,14]，超聲提取、分散液液微萃取已廣泛應用于灰塵[15]、沉積物[16]、顆粒物等樣品[1]中。本實驗建立了超聲提取與分散液-液微萃取結合氣相色譜-質譜(GC-MS)測定大氣顆粒物中PBDEs，并考察萃取過程中各種參數(shù)的影響，為監(jiān)測大氣顆粒中PBDEs提供技術支撐。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890A-5973N MSD氣相色譜-質譜儀(美國安捷倫)，YI-120F智能TSP-PM10大流量采樣器；90 mm石英纖維濾膜(海寧市桃園醫(yī)療化工儀器)；KQ-300E超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司生產)。

質量濃度為50 mg·L-1的7種多溴二苯醚混合標準溶液(產品編號CSM-BDE):2,2,4′-三溴二苯醚(BDE-28)、2,2′,4,4′-四溴二苯醚(BDE-47)、2,2′,4,4′,6五溴二苯醚(BDE-100)、2,2′,4,4′,5-五溴二苯醚(BDE-99)、2,2′,4,4′，5,6′-六溴二苯醚(BDE-154)、2,2′,4,4′,5,5′-六溴二苯醚(BDE-153)、2,2′,3,4,4′,5,5′-七溴二苯醚(BDE-183)及13C標記濃度為40 mg·L-12，2’，3，4，5，5’-六氯聯(lián)苯(13C-PCB-141)(百靈威科技有限公司)，于冰箱-22 ℃中保存；丙酮、無水乙醇、正己烷、正葵烷、四氯化碳、1,1,2-三氯乙烷、1，2-二氯苯和氯苯等有機試劑均為分析純，使用前均二次重蒸；甲醇和乙腈為色譜純；NaCl為分析純；實驗用水為超純水(18.25 MΩ·cm)。

1.2 儀器條件

HP-5MS毛細管色譜柱(30 m×250 μm，0.25 μm)；載氣為高純氦氣(純度為99%以上)，柱流速為1 mL·min-1，進樣口溫度為280 ℃，初始溫度為90 ℃，保持1 min；以30 ℃·min-1升溫至220 ℃，保持1 min；再以8 ℃·min-1升溫至270 ℃，保持3 min；共15.6 min。質譜采用EI離子源，離子源溫度和MS四極桿溫度分別為230 ℃和150 ℃，電離能量為70 eV，監(jiān)測模式為SIM模式，保留時間、定性和定量離子見表1。

表1 7種PBDEs保留時間、定性和定量離子Table 1 Retention time,qualitative and quantitative ions of 7 PBDEs

1.3 樣品前處理

使用大流量采集器(內置石英纖維濾膜)采集大氣顆粒物中的PM10，采樣后的濾膜剪碎后裝至萃取瓶內，加入提取液正己烷-丙酮(1∶1，V/V)10 mL，40 ℃下超聲20 min，再加入10 mL提取劑重復提取一次，將提取液過濾至棕色玻璃管內，氮吹至近干。再加入35 μL的四氯化碳溶液和500 μL的乙腈混合溶液混勻，最后加入5 mL超純水，迅速混勻后形成乳濁液體系，靜置5 min。以3 500 r·min-1離心5 min，取沉積相待GC-MS測定。具體實驗過程見圖1。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental procedure

1.4 質量控制

本實驗過程中使用的石英纖維濾膜使用前放入馬弗爐中450 ℃烘烤12 h，每次實驗均有空白實驗對照(BDE-47、BDE-99、BDE-183檢出濃度為5%左右)并扣除。實驗過程中每次均加同位素標記內標物13C-PCB-141，其回收率均在85%以上。

2 結果與討論

2.1 超聲提取條件選擇

2.1.1 超聲提取劑種類及用量選擇超聲提取劑種類以及提取劑用量是影響超聲提取的重要因素。本實驗中多溴二苯醚的正辛醇-水分配系數(shù)差異較大，低溴的多溴二苯醚極性較強，因此本文選取了多種極性不同的溶液組合作為超聲提取的提取劑，使用正己烷∶丙酮(3∶1，V/V)、正己烷∶二氯甲烷(3∶1，V/V)萃取時，效果較差。丙酮的極性較強，增加丙酮比例，選用正己烷∶丙酮(1∶1，V/V)、正己烷∶二氯甲烷(1∶1，V/V)時，正己烷∶丙酮(1∶1，V/V)作為提取劑時萃取回收率最高(圖2a)。本文選取提取劑用量為10、20、30、40 mL進行優(yōu)化，圖2b顯示當提取劑用量超過20 mL時，萃取回收率變化不明顯，因此選擇20 mL 作為提取劑用量。

圖2 超聲提取種類(a)以及提取劑用量(b)優(yōu)化Fig.2 Optimization of ultrasonic extraction type (a) and extraction agent dosage (b)

2.1.2 超聲時間和溫度選擇超聲過程本質上是能量的傳遞過程，其中的溫度和時間會對超聲過程中的熱量產生影響。實驗對超聲時間1、5、10、15、20 min以及超聲溫度20、30、40、50 ℃進行考察，如圖3所示當超聲溫度為40 ℃，超聲時間為20 min時，提取效果最好。

圖3 超聲提取時間(a)和超聲提取溫度(b)優(yōu)化Fig.3 Optimization of ultrasonic extraction time (a) and ultrasonic extraction temperature (b)

2.2 分散液-液微萃取條件選擇

2.2.1 萃取劑及分散劑種類、用量優(yōu)化分散液-液微萃取是根據(jù)多溴二苯醚在水相和有機相中不同的分配系數(shù)進行富集萃取。PBDEs在水中的溶解度小，溶解度會隨著溴原子個數(shù)增加而降低。分散液-液微萃取基質內極性雜質溶于水后與PBDEs分離，PBDEs溶于萃取劑而被萃取。萃取劑一般選擇密度較水溶液大，不溶于水，和分散劑具有相溶性，如四氯化碳、氯苯、三氯乙烷、二氯甲烷、二氯苯等，其中二氯甲烷不能與所選分散劑(甲醇、乙腈、無水乙醇、丙酮)形成兩相。實驗結果表明，四氯化碳和乙腈作為萃取劑和分散劑時萃取回收率較高。以四氯化碳和乙腈作為萃取劑和分散劑時進行了萃取劑(20、30、35、40 μL)和分散劑(250、500、750、1000 μL)用量的優(yōu)化實驗。當萃取劑用量低于20 μL時，沉積相較少，不易準確定量。圖4(b)隨著萃取劑體積的增大，富集因子逐漸減小，當四氯化碳為35 μL時萃取效率最高。分散劑的用量影響分散程度，如圖4(d)中分散劑用量大于500 μL時，富集倍數(shù)和萃取效率略有減小。因此實驗選擇500 μL作為分散劑用量。

圖4 萃取劑種類(a)、用量(b)及分散劑種類(c)、用量(d)優(yōu)化Fig.4 Optimization of extraction agent type (a),dosage (b) and dispersant type (c),dosage (d)

2.2.2 萃取時間和pH優(yōu)化萃取時間在一定程度上可影響兩相平衡，實驗研究萃取時間了0～30 min內對于PBDEs萃取效果的影響，結果顯示隨時間的變化不明顯，選擇5 min作為萃取時間。

溶液pH值的變化可改變其電離平衡，影響目標物的萃取效果。實驗調節(jié)水溶液pH值為3、5、7、9、11以研究PBDEs的萃取效果。結果顯示，PBDEs的萃取回收率在中性條件及弱酸性條件下萃取回收率相對較高，綜合7種PBDEs的萃取回收率以及重現(xiàn)性考慮，最終選擇中性條件。

2.3 標準曲線、檢出限與定量限和與傳統(tǒng)方法的比較

配制不同濃度的PBDEs標準溶液0.005、0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、1 ng·μL-1，在最佳儀器條件下進行分析檢測，各目標呈現(xiàn)良好的線性關系。標準溶液總離子流色譜圖如圖5所示。取采樣后的濾膜，按照1.3節(jié)處理后，加入30 μL的PBDEs混合標準溶液(0.01、0.1、1 ng·μL-1)，加標回收率為72.77%～125.02%，該方法的回收率與已報道的固相萃取凈化技術的回收率相一致。如丁苗等人利用快速溶劑萃取-固相萃取前處理土壤中PBDEs的加標回收率為68.6%～127%[17]，蒙華俊等人利用液液萃取(LLE)與固相萃取法(SPE)提取和凈化人體指甲中PBDEs的加標回收率為70%～110%[18]。表2中以3倍信噪比計算檢出限(LOD)為0.017～0.292 pg·m-3，以10倍信噪比計算定量限(LOQ)為0.057～0.972 pg·m-3。相對標準偏差(RSD(%))為0.42%～12.40%。計算采用大氣采集量為140 m3。

圖5 7種PBDEs標準溶液總離子流色譜圖Fig.5 Total ion chromatogram of 7 PBDEs standard solutions

表2 7種PBDEs線性方程、檢出限、定量下限、回收率以及相對標準偏差Table 2 Linear relations,limits of detection(LOD),limits of quantitation(LOQ),recovery and relative standard deviation(RSD)of 7 PBDEs

2.4 實際樣品分析

連續(xù)對蘇州地區(qū)(2021年6月)一周大氣顆粒物PM10進行采樣，采樣流量為100 L·min-1，采樣時間為24 h，樣品按照實驗最優(yōu)條件進行分析檢測。結果如表3所示，BDE-28、47、99、100、183在所有樣品均被檢出，BDE-154檢出率低于50%，所有樣品中BDE-183均為主要污染物，該地區(qū)PM10中7種∑PBDEs的濃度范圍為0.241～0.678 ng·m-3。與國內其它城市中大氣顆粒物中PBDEs的污染水平一致[19,20]。實際樣品總離子流色譜圖如圖6所示。

圖6 7種PBDEs實際樣品總離子流色譜圖Fig.6 Total ion chromatogram of 7 PBDEs practical samples

表3 樣品分析結果(ng·m-3)Table 3 Sample analysis results(ng·m-3)

3 結論

建立了一種超聲輔助提取-分散液液微萃取結合氣相色譜質譜法快速測定大氣顆粒物中PBDEs的方法。通過對超聲提取和分散液液微萃取影響因子的優(yōu)化實驗，確定了實驗的最佳條件，將所建立方法用于蘇州地區(qū)大氣顆粒物PM10中PBDEs的監(jiān)測，準確度和精密度均達到傳統(tǒng)凈化技術(固相萃取)的效果，但本方法具有耗費有機溶劑少，操作簡便，成本低廉，預處理時間短等優(yōu)點。