張宇 王椿 辛悅 徐建中 王美
(河北大學化學與環(huán)境科學學院,保定 071002)
溴代多環(huán)芳烴(Brominated polycyclic aromatic hydrocarbons,Br-PAHs)是一種多環(huán)芳烴的溴代衍生物[1],是由一個或多個溴原子取代苯環(huán)上的氫形成的芳香烴類化合物[2]。相關研究表明,Br-PAHs 具有半揮發(fā)性、高毒性和生物蓄積性的特點,能夠在環(huán)境中長期存在,是一類新型的持久性有機污染物[3]。三環(huán)及以上的Br-PAHs 能夠引起芳烴受體效應,并且隨溴原子取代數(shù)的增加,芳烴的受體效應增大,一些Br-PAHs 同類物的毒性高于其母體多環(huán)芳烴的毒性[4-6]。Br-PAHs 廣泛存在于環(huán)境介質(zhì)(大氣[7]、水體[8]和土壤[9-10])中,并在鋼鐵冶煉[11]、再生銅冶煉[12]、燃煤發(fā)電[13]和冶金[14]等熱處置[15]過程中被頻繁檢出。
Br-PAHs 在環(huán)境中含量低[16]、異構體種類繁多[17]、檢測過程中干擾離子多[18],因此,準確定量分析難度較大。當前,Br-PAHs 的分析方法主要采用高分辨質(zhì)譜和三重四極桿質(zhì)譜技術[19-23]。Jin 等[21]采用高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜技術開展了青藏高原大氣中7 種Br-PAHs 的分析檢測。Su 等[22]采用氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜開展了不同工業(yè)區(qū)周邊土壤中18 種Br-PAHs 的污染調(diào)查。
大氣是Br-PAHs 的重要傳輸媒介[24],也是人類呼吸暴露的主要環(huán)境介質(zhì),研究Br-PAHs 在大氣中的污染水平、污染特征和潛在污染來源,對于衡量Br-PAHs 的健康風險具有重要意義[25]。本研究采用快速、簡便的加速溶劑萃?。ˋccelerated solvent extraction,ASE)-硅膠柱凈化的方法,從去除基體干擾和更好的凈化效率的角度,對凈化填充柱和提取液的比例進行了優(yōu)化。利用硅膠柱層析法可有效提高樣品前處理效率,優(yōu)化后的洗脫比例有效提高了洗脫效率。基于此,建立了一種氣相色譜-質(zhì)譜測定大氣細顆粒物(PM2.5)中Br-PAHs 的定性和定量分析方法。結(jié)果表明,本方法選擇性強、靈敏度高,能夠滿足大氣樣品中Br-PAHs 的定性和定量分析的要求。
Trace 1300 氣相色譜-質(zhì)譜儀、DIONEX 350 加速溶劑萃取儀(美國Thermo Fisher 公司);IKA RV 10旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(德國IKA 公司);SB-800DT 超聲波清洗儀(寧波新芝生物科技股份有限公司);JA2003N 電子天平(上海菁海儀器有限公司);SHZ-DⅢ循環(huán)水用真空泵(鞏義予華儀器有限公司);DHG-9053A 低溫冷卻液循環(huán)泵(保定市陽光科教儀器有限公司)。
13 種Br-PAHs 標準品:5-溴苊(5-BrAna,純度≥93.0%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);2-溴芴(2-BrFle)、9-溴菲(9-BrPhe)、2,7-二溴芴(2,7-Br2Flu)、9,10-二溴蒽(9,10-Br2Ant)、3-溴熒蒽(3-BrFla)、1,6-二溴芘(1,6-Br2Pyr)、2-溴苯并菲(2-BrTriph)和7-溴苯并[a]蒽(7-BrBaA)(純度98%,日本TCI 公司);9,10-二溴菲(9,10-Br2Phe,純度98%,上海麥克林公司);1-溴蒽(1-BrAnt,純度97%,日本TCI公司);9-溴蒽(9-BrAnt,純度99%,日本TCI 公司);1-溴芘(1-BrPyr,純度98%、北京伊諾凱科技有限公司)。正己烷(HEX)和二氯甲烷(DCM)(HPLC 級,美國J.T.Baker 公司);精制型層析硅膠(75~150 μm(100~200 目),青島海洋化工有限公司);無水Na2SO4(分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司);硅藻土(分析純,國藥集團化學試劑有限公司);玻璃纖維濾膜(φ90 mm,青島嶗應環(huán)境科技有限公司)。
1.2.1 標準溶液配制
5-BrAna、2-BrFle、9-BrPhe、2,7-Br2Flu、9,10-Br2Ant、3-BrFla、1,6-Br2Pyr、2-BrTriph、7-BrBaA、9,10-Br2Phe、1-BrAnt、9-BrAnt 和1-BrPyr 用正壬烷配制成濃度為100 μg/mL 的單標儲備液。取10 μL 各單標儲備液混合,用正壬烷稀釋至1 mL,配成濃度為10 μg/mL 的混合標準儲備液,于–18 ℃儲存?zhèn)溆谩J褂脮r,用正壬烷配制濃度為0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 和50.0 μg/mL 的標準工作溶液。
1.2.2 樣品采集
應用嶗應2030 型中流量大氣采樣器(青島嶗山應用技術研究所)采集大氣樣品。采樣點位于保定市蓮池區(qū)河北大學校內(nèi),為城市中心,人口活動密集,能夠顯著反映大氣環(huán)境對人的影響。采樣點設置于科研樓七樓平臺(東經(jīng)115°30′23″,北緯38°52′23″),高約20 m,周圍無明顯污染源,周邊建筑主要包括學校、醫(yī)院、居民區(qū)和街道,為典型城市大氣采樣點。采樣頭距離地面(樓頂平面)高度1.5 m 以上,大氣顆粒物采用玻璃纖維濾膜采集。采樣時采樣器流速為100 L/min,每4 h 間歇10 min,采集6 次,累計采樣24 h,下雨或下雪等天氣不進行采樣。記錄采樣日期、采樣天氣、采樣時間、溫度、濕度和壓力。
1.2.3 樣品前處理
應用ASE 對大氣PM2.5樣品中的Br-PAHs 進行提取。具體步驟如下:將玻璃纖維濾膜剪碎,加入5~10 g 硅藻土,混勻后放入不銹鋼萃取池中。萃取溶劑:HEX-DCM 混合溶劑(1∶1,V/V);萃取壓力:9.7~11.0 MPa;溫度:120 ℃;加熱時間:6 min;靜止提取時間:8 min;吹掃時間:120 s;循環(huán)次數(shù):3 次。提取液保存在棕色細口瓶中,于–20 ℃儲存?zhèn)溆谩?/p>
樣品提取液經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至1.5 mL 左右,經(jīng)活化硅膠柱凈化。硅膠柱從上至下為2 g 無水Na2SO4和8 g 活化硅膠。以90 mL HEX 溶劑活化硅膠柱,上樣后,以60 mL HEX-DCM 混合溶劑(4∶1,V/V)淋洗。收集洗脫液,氮吹濃縮,最后定容至100 μL。
1.2.4 儀器分析
色譜條件 DB-5MS 柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm,美國Thermo Fisher 公司);升溫程序:初始溫度65 ℃,保持2 min;10 ℃/min 升至200 ℃,保持2 min;10 ℃/min 升至220 ℃,5 ℃/min 升至245 ℃,10 ℃/min 升至280 ℃,保持10 min;不分流進樣,進樣量為1.0 μL;高純氦氣(99.999%)作為載氣,流速為1.0 mL/min;進樣口溫度為280 ℃。
質(zhì)譜條件 電子轟擊電離源;離子源溫度:250 ℃;電離電壓:70 eV;傳輸線溫度:280 ℃;溶劑延遲:7 min;選擇離子監(jiān)測(SIM)模式下進行定量分析。
為避免干擾,所有的玻璃儀器使用前均需超聲清洗、烘箱烘干,再依次用甲醇、DCM 和HEX 清洗3 次;凈化所需的無水Na2SO4和硅膠均經(jīng)過馬弗爐高溫烘烤(660 ℃,6.5 h)處理。設置空白對照,每批樣本(n=8)中包含1 個空白樣品,空白樣品中無Br-PAHs 檢出。
2.1.1 升溫程序的優(yōu)化
由于9-BrPhe、1-BrAnt 和9-Br-Ant 的分子量相同,并且出峰時間相近,因此比較了不同升溫速率對3 種化合物分離度的影響。升溫程序1:初始溫度65 ℃,保持2 min,以10 ℃/min 升至200 ℃,保持2 min,繼續(xù)以10 ℃/min 升至250 ℃,最后以10 ℃/min 升至280 ℃,保持10 min。升溫程序2:初始溫度65 ℃,保持2 min,以10 ℃/min 升至200 ℃,保持2 min,繼續(xù)以10 ℃/min 升至220 ℃,再以5 ℃/min 升至245 ℃,最后以10 ℃/min 升至280 ℃,保持10 min。如圖1 所示,當升溫速率過快時,9-BrPhe、1-BrAnt 和9-BrAnt 的相對保留時間縮短,柱效變差,分離度降低。綜合分析,升溫程序2 能使結(jié)構相近的同分異構體得到較好的分離效果。
圖1 分別采用升溫程序1(A)和升溫程序2(B)時9-溴菲、1-溴蒽和9-溴蒽的色譜圖Fig.1 Chromatograms of 9-BrPhe,1-BrAnt and 9-BrAnt using (A) warming procedure 1 and (B) warming procedure 2,respectively
2.1.2 載氣流速的優(yōu)化
載氣流速會影響化合物的出峰時間及半峰寬,當載氣流速增大時,色譜柱壓力增大,會使色譜柱的峰寬變窄,并且保留時間縮短??疾炝瞬煌d氣流速(0.8、1.0 和1.2 mL/min)對13 種Br-PAHs 化合物的出峰時間、化合物峰形以及靈敏度的影響。結(jié)果表明,隨著載氣流速增大,13 種Br-PAHs 的出峰時間提前,載氣流速為1.2 mL/min 時13 種Br-PAHs 的響應最高(圖2),但流速過快會降低分離效能,使得部分化合物峰寬變窄、峰面積減?。▓D3)。綜合考慮,選取載氣流速為1 mL/min。
圖2 不同載氣流速下13 種溴代多環(huán)芳烴(Br-PAHs)的響應結(jié)果Fig.2 Responses of 13 kinds of brominated polycyclic aromatic hydrocarbons(Br-PAHs)at different flow rates
圖3 不同載氣流速下2,7-Br2Flu、3-BrFla、9,10-Br2Ant 和1-BrPyr 的色譜圖:(A)1 mL/min;(B)1.2 mL/minFig.3 Chromatograms of 2,7-Br2Flu,3-BrFla,9,10-Br2Ant and 1-BrPyr at different flow rates: (A) 1 mL/min;(B) 1.2 mL/min
在全掃描模式下,m/z50~650 掃描范圍內(nèi),確定13 種Br-PAHs 的保留時間以及定性和定量離子(表1)。保持氣相色譜條件不變,設置質(zhì)譜掃描模式為SIM 模式,逐步優(yōu)化目標化合物的特征離子,確定目標化合物的定性和定量離子。如圖4 所示,在優(yōu)化的SIM 模式下,13 種Br-PAHs 的色譜圖背景干凈,峰形好,分離度好,可滿足目標化合物的定性與定量分析。
表1 13種Br-PAHs的保留時間、定性離子和定量離子Table 1 Retention time,qualitative and quantitative ions of 13 kinds of Br-PAHs
圖4 13 種Br-PAHs 化合物的總離子流圖1:5-溴苊;2:2-溴芴;3:9-溴菲;4:1-溴蒽;5:9-溴蒽;6:2,7-二溴芴;7:3-溴熒蒽;8:9,10-二溴蒽;9/10:1-溴芘/9,10-二溴菲;11:2-溴苯并菲;12/13:1,6-二溴芘/7-溴苯并[a]蒽Fig.4 Total ion flow diagram of 13 kinds of Br-PAHs counterparts1: 5-BrAna;2: 2-BrFle;3: 9-BrPhe;4: 1-BrAnt;5: 9-BrAnt;6: 2,7-Br2Flu;7: 3-BrFla;8: 9,10-Br2Ant;9/10: 1-BrPyr/9,10-Br2Phe;11: 2-BrTriph;12/13: 1,6-Br2Pyr/7-BrBaA
固相萃取基于萃取劑對目標化合物與干擾物的吸附強弱不同,對目標化合物進行分離與凈化。本研究選取硅膠柱(從上至下為2 g 無水Na2SO4和3 g 活化硅膠)、弗羅里硅土柱(從上至下為2 g 無水Na2SO4和3 g 弗羅里硅土)以及復合硅膠柱(從上至下依次為2 g 無水Na2SO4、3 g 活化硅膠和3 g 弗羅里硅土),對目標物進行分離凈化。如圖5 所示,弗羅里硅土柱和復合硅膠柱對目標物的回收率偏低,13 種Br-PAHs 的回收率分別為51.2%~88.6%和52.6%~86.6%。其中,弗羅里硅土柱對9,10-Br2Phe 的回收率僅為51.2%,這可能與弗羅里硅土對低苯環(huán)的Br-PAHs 吸附較強相關。硅膠柱對13 種Br-PAHs 的回收率為74.6%~103.5%,富集凈化的效果較好,因此選擇硅膠柱為固相萃取柱。
目標化合物的溶解度是選擇洗脫溶劑的重要條件,一般選擇對目標化合物溶解度高的有機溶劑作為洗脫溶液,根據(jù)目標化合物的結(jié)構及官能團,以及相似相容的原理,可以選擇極性相似的洗脫溶劑,如HEX 和DCM 常作為Br-PAHs 化合物的洗脫溶劑,其次,溶劑的洗脫比例也是重要條件。本實驗對不同洗脫溶劑的比例進行了優(yōu)化,分別選用60 mL HEX-DCM 混合溶劑(1∶1,V/V)和60 mL HEX-DCM 混合溶劑(4∶1,V/V)作為活化硅膠柱的洗脫溶劑。如圖6 所示,洗脫溶劑為60 mL HEX-DCM 混合溶劑(4∶1,V/V)時,13 種Br-PAHs 的回收率較高。因此,本研究選擇60 mL HEX-DCM 混合溶劑(4∶1,V/V)作為洗脫溶劑。
2.5.1 線性范圍及檢出限
采用外標法,對濃度為0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 和50.0 μg/L 的混合標準溶液進行測定,取1 μL 樣品進樣,每個組分重復進樣3 次,根據(jù)保留時間,以各物質(zhì)的峰面積為縱坐標、相應濃度為橫坐標繪制標準曲線。以儀器檢出的3 倍信噪比確定方法的檢出限(Limit of detection,LOD),10 倍信噪比確定方法的定量限(Limit of quantification,LOQ),方法的LOD、LOQ、線性范圍、線性方程和相關系數(shù)見表2。結(jié)果表明,13 種Br-PAHs 在0.5~50 μg/mL 的濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關系,相關系數(shù)(R2)為0.9950~0.9994,方法的LOD 為0.12~0.58 pg/m3,LOQ 為0.25~1.70 pg/m3。
表2 13種Br-PAHs化合物的線性方程、線性范圍、檢出限和定量限Table 2 Linear equations,linear ranges,limits of detection (LODs) and limits of quantitation (LOQs) of 13 kinds of Br-PAHs
2.5.2 加標回收率及精密度
采用1.2.3 節(jié)的前處理方法,分別加入低、中、高(1、5、20 μg/L)3 個濃度水平的混合標準品進行加標回收和精密度實驗,同時進行一組空白組對照。每個濃度水平平行3 次,計算回收率,并以峰面積評價方法的精密度。如表3 所示,3 個加標濃度的平均回收率為68.9%~111.5%,相對標準偏差為1.4%~12.8%,表明此凈化方法精密度高、重現(xiàn)性較好,可用于大氣環(huán)境樣品中13 種Br-PAHs 的測定。
表3 13種Br-PAHs的加標回收率和精密度Table 3 Spiking recoveries and precisions of 13 kinds of compounds (n=3)
利用所建立的Br-PAHs 的定性和定量方法對大氣PM2.5中的Br-PAHs 污染水平和污染特征開展研究。12 個大氣樣品中,除9-BrAnt 未檢出外,其它12 種化合物均不同程度被檢出,并且檢出率均大于58%,如圖7A 所示,12 種Br-PAHs 的濃度范圍為未檢出~95.4 pg/m3,平均濃度為60.46 pg/m3,表明Br-PAHs 化合物在大氣PM2.5中普遍存在。12 種Br-PAHs 在樣品濃度中的占比見圖7B,其中,9,10-Br2Phe和1-BrAnt 為主要污染物,在大氣樣品中的最高濃度分別為64.2 和95.4 pg/m3,分別占12 種Br-PAHs 總濃度的29.9%和53.4%。樣品9~11 的采樣當日的空氣質(zhì)量分別為嚴重污染、重度污染和中度污染。樣品9 采樣時出現(xiàn)浮塵天氣,1-BrAnt 濃度達到最高95.4 pg/m3,在空氣質(zhì)量良(樣品8)和輕度污染(樣品12)條件下1-BrAnt 濃度較低。實測數(shù)據(jù)表明,9,10-Br2Pnt 和2-BrTriph 這2 種污染物在冬季的平均濃度占比高于春季。以上結(jié)果表明,Br-PAHs 同類物占比通常與采樣當日的空氣質(zhì)量相關。
圖7 大氣細顆粒物(PM2.5)樣品中Br-PAHs 的含量(A)以及占比圖(B)Fig.7 Contents (A) and proportion (B) of Br-PAHs in atmospheric fine particulate matter (PM2.5) samples
將樣品濃度與平均溫度、風速、濕度和壓力進行了皮爾遜相關性分析。結(jié)果表明,濕度和壓力與樣品濃度呈正相關,隨著濕度升高,大氣中PM2.5的污染加重;由于采樣時間主要在冬季,大氣逆溫層的出現(xiàn)使得大氣污染物在原地聚集,不易遷移,加重了污染。風速與樣品濃度呈負相關,相關系數(shù)為0.65(p>0.01),風能夠地有效破壞大氣逆溫層,使大氣中Br-PAHs 類化合物在一定程度上擴散和稀釋。
基于氣相色譜-質(zhì)譜建立了Br-PAHs 的定性和定量分析方法,采用ASE 對樣品中的Br-PAHs 進行提取,結(jié)合自組裝硅膠柱進行凈化,并對自組裝固相萃取柱以及淋洗溶劑等相關參數(shù)進行了優(yōu)化。本方法的回收率為68.9%~111.5%,儀器檢出限0.12~0.58 pg/m3。本方法操作流程簡便、靈敏度高、溶劑使用量少,能夠滿足大氣環(huán)境樣品中Br-PAHs 類化合物的精準定性和定量分析的檢測要求。本方法采用一步提取和一步凈化,便于重復,并且采用價格低且應用廣泛的氣相色譜-單四極桿質(zhì)譜儀,有利于大氣環(huán)境中Br-PAHs 定性和定量分析方法的推廣,以及相關行業(yè)標準的形成。