自组装固相萃取-气相色谱-质谱法测定大气细颗粒物中溴代多环芳烃类化合物

张宇 王椿 辛悦 徐建中 王美

（河北大学化学与环境科学学院，保定 071002）

溴代多环芳烃（Brominated polycyclic aromatic hydrocarbons，Br-PAHs）是一种多环芳烃的溴代衍生物[1]，是由一个或多个溴原子取代苯环上的氢形成的芳香烃类化合物[2]。相关研究表明，Br-PAHs 具有半挥发性、高毒性和生物蓄积性的特点，能够在环境中长期存在，是一类新型的持久性有机污染物[3]。三环及以上的Br-PAHs 能够引起芳烃受体效应，并且随溴原子取代数的增加，芳烃的受体效应增大，一些Br-PAHs 同类物的毒性高于其母体多环芳烃的毒性[4-6]。Br-PAHs 广泛存在于环境介质（大气[7]、水体[8]和土壤[9-10]）中，并在钢铁冶炼[11]、再生铜冶炼[12]、燃煤发电[13]和冶金[14]等热处置[15]过程中被频繁检出。

Br-PAHs 在环境中含量低[16]、异构体种类繁多[17]、检测过程中干扰离子多[18]，因此，准确定量分析难度较大。当前，Br-PAHs 的分析方法主要采用高分辨质谱和三重四极杆质谱技术[19-23]。Jin 等[21]采用高分辨气相色谱-高分辨质谱技术开展了青藏高原大气中7 种Br-PAHs 的分析检测。Su 等[22]采用气相色谱-三重四极杆质谱开展了不同工业区周边土壤中18 种Br-PAHs 的污染调查。

大气是Br-PAHs 的重要传输媒介[24]，也是人类呼吸暴露的主要环境介质，研究Br-PAHs 在大气中的污染水平、污染特征和潜在污染来源，对于衡量Br-PAHs 的健康风险具有重要意义[25]。本研究采用快速、简便的加速溶剂萃取（Accelerated solvent extraction，ASE）-硅胶柱净化的方法，从去除基体干扰和更好的净化效率的角度，对净化填充柱和提取液的比例进行了优化。利用硅胶柱层析法可有效提高样品前处理效率，优化后的洗脱比例有效提高了洗脱效率。基于此，建立了一种气相色谱-质谱测定大气细颗粒物（PM2.5）中Br-PAHs 的定性和定量分析方法。结果表明，本方法选择性强、灵敏度高，能够满足大气样品中Br-PAHs 的定性和定量分析的要求。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Trace 1300 气相色谱-质谱仪、DIONEX 350 加速溶剂萃取仪（美国Thermo Fisher 公司）；IKA RV 10旋转蒸发仪（德国IKA 公司）；SB-800DT 超声波清洗仪（宁波新芝生物科技股份有限公司）；JA2003N 电子天平（上海菁海仪器有限公司）；SHZ-DⅢ循环水用真空泵（巩义予华仪器有限公司）；DHG-9053A 低温冷却液循环泵（保定市阳光科教仪器有限公司）。

13 种Br-PAHs 标准品：5-溴苊（5-BrAna，纯度≥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-溴荧蒽（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）（纯度98%，日本TCI 公司）；9,10-二溴菲（9,10-Br2Phe，纯度98%，上海麦克林公司）；1-溴蒽（1-BrAnt，纯度97%，日本TCI公司）；9-溴蒽（9-BrAnt，纯度99%，日本TCI 公司）；1-溴芘（1-BrPyr，纯度98%、北京伊诺凯科技有限公司）。正己烷（HEX）和二氯甲烷（DCM）（HPLC 级，美国J.T.Baker 公司）；精制型层析硅胶（75～150 μm（100～200 目），青岛海洋化工有限公司）；无水Na2SO4（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）；硅藻土（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；玻璃纤维滤膜（φ90 mm，青岛崂应环境科技有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 标准溶液配制

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 用正壬烷配制成浓度为100 μg/mL 的单标储备液。取10 μL 各单标储备液混合，用正壬烷稀释至1 mL，配成浓度为10 μg/mL 的混合标准储备液，于–18 ℃储存备用。使用时，用正壬烷配制浓度为0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 和50.0 μg/mL 的标准工作溶液。

1.2.2 样品采集

应用崂应2030 型中流量大气采样器（青岛崂山应用技术研究所）采集大气样品。采样点位于保定市莲池区河北大学校内，为城市中心，人口活动密集，能够显著反映大气环境对人的影响。采样点设置于科研楼七楼平台（东经115°30′23″，北纬38°52′23″），高约20 m，周围无明显污染源，周边建筑主要包括学校、医院、居民区和街道，为典型城市大气采样点。采样头距离地面（楼顶平面）高度1.5 m 以上，大气颗粒物采用玻璃纤维滤膜采集。采样时采样器流速为100 L/min，每4 h 间歇10 min，采集6 次，累计采样24 h，下雨或下雪等天气不进行采样。记录采样日期、采样天气、采样时间、温度、湿度和压力。

1.2.3 样品前处理

应用ASE 对大气PM2.5样品中的Br-PAHs 进行提取。具体步骤如下：将玻璃纤维滤膜剪碎，加入5～10 g 硅藻土，混匀后放入不锈钢萃取池中。萃取溶剂：HEX-DCM 混合溶剂（1∶1，V/V）；萃取压力：9.7～11.0 MPa；温度：120 ℃；加热时间：6 min；静止提取时间：8 min；吹扫时间：120 s；循环次数：3 次。提取液保存在棕色细口瓶中，于–20 ℃储存备用。

样品提取液经旋转蒸发浓缩至1.5 mL 左右，经活化硅胶柱净化。硅胶柱从上至下为2 g 无水Na2SO4和8 g 活化硅胶。以90 mL HEX 溶剂活化硅胶柱，上样后，以60 mL HEX-DCM 混合溶剂（4∶1，V/V）淋洗。收集洗脱液，氮吹浓缩，最后定容至100 μL。

1.2.4 仪器分析

色谱条件 DB-5MS 柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Thermo Fisher 公司）；升温程序：初始温度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；不分流进样，进样量为1.0 μL；高纯氦气（99.999%）作为载气，流速为1.0 mL/min；进样口温度为280 ℃。

质谱条件 电子轰击电离源；离子源温度：250 ℃；电离电压：70 eV；传输线温度：280 ℃；溶剂延迟：7 min；选择离子监测（SIM）模式下进行定量分析。

1.3 质量控制与质量保证

为避免干扰，所有的玻璃仪器使用前均需超声清洗、烘箱烘干，再依次用甲醇、DCM 和HEX 清洗3 次；净化所需的无水Na2SO4和硅胶均经过马弗炉高温烘烤（660 ℃，6.5 h）处理。设置空白对照，每批样本（n=8）中包含1 个空白样品，空白样品中无Br-PAHs 检出。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的优化

2.1.1 升温程序的优化

由于9-BrPhe、1-BrAnt 和9-Br-Ant 的分子量相同，并且出峰时间相近，因此比较了不同升温速率对3 种化合物分离度的影响。升温程序1：初始温度65 ℃，保持2 min，以10 ℃/min 升至200 ℃，保持2 min，继续以10 ℃/min 升至250 ℃，最后以10 ℃/min 升至280 ℃，保持10 min。升温程序2：初始温度65 ℃，保持2 min，以10 ℃/min 升至200 ℃，保持2 min，继续以10 ℃/min 升至220 ℃，再以5 ℃/min 升至245 ℃，最后以10 ℃/min 升至280 ℃，保持10 min。如图1 所示，当升温速率过快时，9-BrPhe、1-BrAnt 和9-BrAnt 的相对保留时间缩短，柱效变差，分离度降低。综合分析，升温程序2 能使结构相近的同分异构体得到较好的分离效果。

图1 分别采用升温程序1（A）和升温程序2（B）时9-溴菲、1-溴蒽和9-溴蒽的色谱图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 载气流速的优化

载气流速会影响化合物的出峰时间及半峰宽，当载气流速增大时，色谱柱压力增大，会使色谱柱的峰宽变窄，并且保留时间缩短。考察了不同载气流速（0.8、1.0 和1.2 mL/min）对13 种Br-PAHs 化合物的出峰时间、化合物峰形以及灵敏度的影响。结果表明，随着载气流速增大，13 种Br-PAHs 的出峰时间提前，载气流速为1.2 mL/min 时13 种Br-PAHs 的响应最高（图2），但流速过快会降低分离效能，使得部分化合物峰宽变窄、峰面积减小（图3）。综合考虑，选取载气流速为1 mL/min。

图2 不同载气流速下13 种溴代多环芳烃（Br-PAHs）的响应结果Fig.2 Responses of 13 kinds of brominated polycyclic aromatic hydrocarbons(Br-PAHs)at different flow rates

图3 不同载气流速下2,7-Br2Flu、3-BrFla、9,10-Br2Ant 和1-BrPyr 的色谱图：（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

2.2 质谱条件的优化

在全扫描模式下，m/z50～650 扫描范围内，确定13 种Br-PAHs 的保留时间以及定性和定量离子（表1）。保持气相色谱条件不变，设置质谱扫描模式为SIM 模式，逐步优化目标化合物的特征离子，确定目标化合物的定性和定量离子。如图4 所示，在优化的SIM 模式下，13 种Br-PAHs 的色谱图背景干净，峰形好，分离度好，可满足目标化合物的定性与定量分析。

表1 13种Br-PAHs的保留时间、定性离子和定量离子Table 1 Retention time,qualitative and quantitative ions of 13 kinds of Br-PAHs

图4 13 种Br-PAHs 化合物的总离子流图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-溴荧蒽；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

2.3 自组装固相萃取柱的优化

固相萃取基于萃取剂对目标化合物与干扰物的吸附强弱不同，对目标化合物进行分离与净化。本研究选取硅胶柱（从上至下为2 g 无水Na2SO4和3 g 活化硅胶）、弗罗里硅土柱（从上至下为2 g 无水Na2SO4和3 g 弗罗里硅土）以及复合硅胶柱（从上至下依次为2 g 无水Na2SO4、3 g 活化硅胶和3 g 弗罗里硅土），对目标物进行分离净化。如图5 所示，弗罗里硅土柱和复合硅胶柱对目标物的回收率偏低，13 种Br-PAHs 的回收率分别为51.2%～88.6%和52.6%～86.6%。其中，弗罗里硅土柱对9,10-Br2Phe 的回收率仅为51.2%，这可能与弗罗里硅土对低苯环的Br-PAHs 吸附较强相关。硅胶柱对13 种Br-PAHs 的回收率为74.6%～103.5%，富集净化的效果较好，因此选择硅胶柱为固相萃取柱。

2.4 洗脱溶剂比例的优化

目标化合物的溶解度是选择洗脱溶剂的重要条件，一般选择对目标化合物溶解度高的有机溶剂作为洗脱溶液，根据目标化合物的结构及官能团，以及相似相容的原理，可以选择极性相似的洗脱溶剂，如HEX 和DCM 常作为Br-PAHs 化合物的洗脱溶剂，其次，溶剂的洗脱比例也是重要条件。本实验对不同洗脱溶剂的比例进行了优化，分别选用60 mL HEX-DCM 混合溶剂（1∶1，V/V）和60 mL HEX-DCM 混合溶剂（4∶1，V/V）作为活化硅胶柱的洗脱溶剂。如图6 所示，洗脱溶剂为60 mL HEX-DCM 混合溶剂（4∶1，V/V）时，13 种Br-PAHs 的回收率较高。因此，本研究选择60 mL HEX-DCM 混合溶剂（4∶1，V/V）作为洗脱溶剂。

2.5 方法性能评价

2.5.1 线性范围及检出限

采用外标法，对浓度为0.5、1.0、5.0、10.0、20.0 和50.0 μg/L 的混合标准溶液进行测定，取1 μL 样品进样，每个组分重复进样3 次，根据保留时间，以各物质的峰面积为纵坐标、相应浓度为横坐标绘制标准曲线。以仪器检出的3 倍信噪比确定方法的检出限（Limit of detection，LOD），10 倍信噪比确定方法的定量限（Limit of quantification，LOQ），方法的LOD、LOQ、线性范围、线性方程和相关系数见表2。结果表明，13 种Br-PAHs 在0.5～50 μg/mL 的浓度范围内具有良好的线性关系，相关系数（R2）为0.9950～0.9994，方法的LOD 为0.12～0.58 pg/m3，LOQ 为0.25～1.70 pg/m3。

表2 13种Br-PAHs化合物的线性方程、线性范围、检出限和定量限Table 2 Linear equations,linear ranges,limits of detection (LODs) and limits of quantitation (LOQs) of 13 kinds of Br-PAHs

2.5.2 加标回收率及精密度

采用1.2.3 节的前处理方法，分别加入低、中、高（1、5、20 μg/L）3 个浓度水平的混合标准品进行加标回收和精密度实验，同时进行一组空白组对照。每个浓度水平平行3 次，计算回收率，并以峰面积评价方法的精密度。如表3 所示，3 个加标浓度的平均回收率为68.9%～111.5%，相对标准偏差为1.4%～12.8%，表明此净化方法精密度高、重现性较好，可用于大气环境样品中13 种Br-PAHs 的测定。

表3 13种Br-PAHs的加标回收率和精密度Table 3 Spiking recoveries and precisions of 13 kinds of compounds (n=3)

2.6 实际大气样品分析

利用所建立的Br-PAHs 的定性和定量方法对大气PM2.5中的Br-PAHs 污染水平和污染特征开展研究。12 个大气样品中，除9-BrAnt 未检出外，其它12 种化合物均不同程度被检出，并且检出率均大于58%，如图7A 所示，12 种Br-PAHs 的浓度范围为未检出～95.4 pg/m3，平均浓度为60.46 pg/m3，表明Br-PAHs 化合物在大气PM2.5中普遍存在。12 种Br-PAHs 在样品浓度中的占比见图7B，其中，9,10-Br2Phe和1-BrAnt 为主要污染物，在大气样品中的最高浓度分别为64.2 和95.4 pg/m3，分别占12 种Br-PAHs 总浓度的29.9%和53.4%。样品9～11 的采样当日的空气质量分别为严重污染、重度污染和中度污染。样品9 采样时出现浮尘天气，1-BrAnt 浓度达到最高95.4 pg/m3，在空气质量良（样品8）和轻度污染（样品12）条件下1-BrAnt 浓度较低。实测数据表明，9,10-Br2Pnt 和2-BrTriph 这2 种污染物在冬季的平均浓度占比高于春季。以上结果表明，Br-PAHs 同类物占比通常与采样当日的空气质量相关。

图7 大气细颗粒物（PM2.5）样品中Br-PAHs 的含量（A）以及占比图（B）Fig.7 Contents (A) and proportion (B) of Br-PAHs in atmospheric fine particulate matter (PM2.5) samples

将样品浓度与平均温度、风速、湿度和压力进行了皮尔逊相关性分析。结果表明，湿度和压力与样品浓度呈正相关，随着湿度升高，大气中PM2.5的污染加重；由于采样时间主要在冬季，大气逆温层的出现使得大气污染物在原地聚集，不易迁移，加重了污染。风速与样品浓度呈负相关，相关系数为0.65（p>0.01），风能够地有效破坏大气逆温层，使大气中Br-PAHs 类化合物在一定程度上扩散和稀释。

3 结论

基于气相色谱-质谱建立了Br-PAHs 的定性和定量分析方法，采用ASE 对样品中的Br-PAHs 进行提取，结合自组装硅胶柱进行净化，并对自组装固相萃取柱以及淋洗溶剂等相关参数进行了优化。本方法的回收率为68.9%～111.5%，仪器检出限0.12～0.58 pg/m3。本方法操作流程简便、灵敏度高、溶剂使用量少，能够满足大气环境样品中Br-PAHs 类化合物的精准定性和定量分析的检测要求。本方法采用一步提取和一步净化，便于重复，并且采用价格低且应用广泛的气相色谱-单四极杆质谱仪，有利于大气环境中Br-PAHs 定性和定量分析方法的推广，以及相关行业标准的形成。