張靜星, 鄭曉燕, 譚 麗, 劉進斌, 于海斌

(中國環(huán)境監(jiān)測總站, 北京 100012)

持久性有機污染物(persistent organic pollutants, POPs)是一類具有高毒性、難生物降解,能在環(huán)境中長距離遷移和擴散、可生物富集并生物放大的化合物[1,2],其在各種環(huán)境介質(zhì)甚至動物和人體中普遍檢出[3-10],在生態(tài)安全和人類健康方面產(chǎn)生風險,目前已引起世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。2001年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Programme, UNEP)通過了《關(guān)于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》(簡稱公約),以消除或限制POPs生產(chǎn)、使用及排放,目前公約已納入30類化合物[11]。

POPs具有一定揮發(fā)性,可通過大氣進行擴散和遷移,因此大氣中POPs的賦存水平可直觀地反映環(huán)境污染的現(xiàn)狀,UNEP全球POPs監(jiān)測計劃也將大氣作為主要監(jiān)測對象[12]。有機氯農(nóng)藥(organochlorine pesticides, OCPs)目前在公約受控清單中已多達17種[11],作為典型的POPs,其大氣監(jiān)測分析方法的開發(fā)與優(yōu)化對履約監(jiān)測工作意義重大。目前相關(guān)的標準方法多為氣相色譜-電子捕獲檢測(GC/ECD)[13-18]和氣相色譜/質(zhì)譜(GC/MS)[19-21]。這些方法的儀器分辨率較低,檢出限較高,多在10-1～102pg/m3[13-20],高于履約背景點大氣中OCPs的濃度水平(一般為10-3～101pg/m3),不能滿足背景點大氣監(jiān)測的需求[22]。檢出限的定義和計算方式多樣,不利于方法間的比較[16-18,23-26]。也有部分研究用到了氣相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜(GC/MS-MS)[23-25]和氣相色譜/高分辨質(zhì)譜[26,27]測定的方法,但是其凈化方法較為簡單,有待優(yōu)化。同時,在大氣OCPs采樣方面,揮發(fā)性較強的α-HCH(α-hexachlorocyclohexane)和HCB(hexachlorobenzene)等化合物容易受環(huán)境溫、濕度影響,在聚氨酯泡沫(PUF)上發(fā)生吸附穿透[16,24,27,28],但很少有研究進行系統(tǒng)的穿透試驗[20,23-25],導致化合物實際污染水平被低估。

本研究采用同位素稀釋-高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜法(ID-HRGC/HRMS)測定大氣中的OCPs,在借鑒已有的ID-HRGC/HRMS測定環(huán)境樣品方法的基礎上[29-33],嚴格根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制修訂技術(shù)導則》(HJ 168-2010),從大氣采樣、樣品凈化、方法適用性等多方面進行方法開發(fā),為我國大氣中的OCPs檢測標準制訂奠定基礎,同時為履約監(jiān)測提供技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

7890A氣相色譜儀(美國Agilent公司); Autospec Premier高分辨磁質(zhì)譜儀(美國Waters公司);大氣主動采樣器(Echo Hivol,意大利TCR TECORA公司);加速溶劑萃取儀(ASE350,美國Thermo公司)。弗羅里硅土(1 g, 6 mL)和石墨化炭黑固相萃取柱(500 mg, 6 mL, Envi-carb)(美國Supelco公司),硅膠(1 g, 6 mL)以及氧化鋁固相萃取柱(1 g, 6 mL)(美國Sep-Pak公司)。

丙酮、二氯甲烷和甲苯(美國J. T. Baker公司)、正己烷(德國Merck公司)和壬烷(德國Alfa Aesar公司)均為農(nóng)殘級。無水硫酸鈉為分析純,使用前于400 ℃下烘烤4 h。OCPs類校準溶液(ES 5464)、天然混合標準溶液(ES 5467)、替代標溶液(ES 5465)和進樣內(nèi)標溶液(EC 5350)均購于美國劍橋同位素實驗室。

PUF(美國Tisch公司)直徑5.08 cm (2英寸),高5 cm,密度0.025 g/cm3,使用前用沸水燙洗后在溫水中反復搓洗,瀝干水分放入烘箱除水;之后用加速溶劑萃取(ASE)清洗,提取溶劑為正己烷/二氯甲烷(1∶1, v/v),于100 ℃靜態(tài)平衡8 min,吹掃180 s,循環(huán)3次,沖洗比例60%;清洗完畢,置于真空干燥箱50 ℃加熱8 h,密封保存。石英纖維濾膜(QFF, Munktell公司)直徑102 mm,使用前于600 ℃下烘烤6 h,密封保存。

1.2 實驗方法

1.2.1樣品采集

大流量主動采樣器(active air samplers, AAS)放置于中國環(huán)境監(jiān)測總站(北京)3樓樓頂采樣平臺,以濾膜+PUF/PUF模式采集大氣中的OCPs, 220 L/min連續(xù)采樣,采集約600 m3大氣樣品。采樣完畢,將濾膜和PUF用鋁箔包裹密封,冷藏保存直至分析。

1.2.2樣品前處理

向濾膜和PUF中加入1 ng替代標,平衡30 min后ASE提取,提取方法與PUF清洗相同。將提取液旋蒸濃縮至1～2 mL,用弗羅里硅土小柱進行凈化。預先用5 mL甲苯活化小柱,上樣后用10 mL甲苯洗脫并接收流出液。流出液旋蒸至約1 mL,再用石墨化炭黑小柱凈化。事先用5 mL甲苯活化小柱,10 mL甲苯洗脫。流出液旋蒸、氮吹濃縮,溶劑置換為20 μL壬烷,加入1 ng進樣內(nèi)標,渦旋混勻后待測。

1.2.3HRGC/HRMS條件

色譜:進樣口250 ℃;載氣為1.0 mL/min的高純氦氣;不分流進樣,進樣體積1 μL;中等極性色譜柱Rtx-CL Pesticides2(30 m×0.25 mm×0.2 μm);升溫程序:110 ℃保持1 min; 20 ℃/min升溫至210 ℃; 1.5 ℃/min升溫至218 ℃,停留1 min; 2 ℃/min升溫至260 ℃,停留1 min。

質(zhì)譜:離子源溫度280 ℃;電子能量35 eV;捕獲電流650 μA;檢測器電壓350 V;動態(tài)分辨率≥8 000;選擇離子監(jiān)測(SIM)模式,各OCPs特征離子的參數(shù)見表1。

1.2.4定性定量方法

在給定色譜/質(zhì)譜條件下獲得樣品色譜/質(zhì)譜峰,根據(jù)保留時間和特征離子豐度比進行定性,以平均相對響應因子(RRF)法進行定量。由校準溶液測定化合物的RRF,并計算平均值。其中23種OCPs使用其各自的13C標記的替代標定量;反式-環(huán)氧七氯和順式-氯丹分別采用13C10-順式-環(huán)氧七氯和13C10-反式-氯丹定量;所有替代標的回收率采用保留時間接近的進樣內(nèi)標定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器條件的優(yōu)化

比較OCPs分析常用的色譜柱DB-5MS、DB-35與專用柱Rtx-CLPesticides2對25種OCPs的分離效果,發(fā)現(xiàn)Rtx-CLPesticides2效果最優(yōu)(見圖1),且該柱對25種OCPs的儀器檢出限低至其他色譜柱的5%～50%,因此選擇Rtx-CLPesticides2作為分析色譜柱。

2.2 凈化方法優(yōu)化

2.2.1柱洗脫條件選擇

調(diào)研發(fā)現(xiàn),弗羅里硅土、活性炭、氧化鋁以及硅膠等常用于OCPs的凈化(見附表1,詳見http://www.chrom-China.com/)。其中弗羅里硅土可以將OCPs與脂肪族、芳香族以及含氮化合物等干擾物相分離,石墨化炭黑能有效去除色素和甾醇類等非極性干擾物,硅膠、氧化鋁可以去除有機磷酸酯和氯酚類的污染[34]。丙酮、二氯甲烷、甲苯、正己烷以及不同比例混合溶劑常用作上述凈化柱的洗脫溶劑。

表 1 高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜測定OCPs的參數(shù)

表 1 (續(xù))

圖 1 25種OCPs的總離子流圖

表 2 弗羅里硅土小柱在不同溶劑洗脫下的替代標回收率

將含1 ng OCPs替代標的溶液作為模擬樣品,在凈化小柱活化后進行上樣和洗脫,考察了不同凈化方法對應的替代標回收率(見表2～表5)。

弗羅里硅土小柱的洗脫結(jié)果(見表2)表明,丙酮/正己烷(1∶9, v/v)以及甲苯作洗脫溶劑時,洗脫效果均較好,且從追加5 mL洗脫溶劑的結(jié)果來看,10 mL溶劑用量已足夠。二氯甲烷/正己烷(2∶8, v/v)對硫丹-Ⅰ、狄氏劑、異狄氏劑和硫丹-Ⅱ的洗脫效果較差,追加的10 mL二氯甲烷/正己烷(3∶7, v/v)雖能洗脫50%～70%的硫丹-Ⅰ、狄氏劑和異狄氏劑,但硫丹-Ⅱ的回收率僅達7%,洗脫效果仍不盡人意。整體而言10 mL甲苯的洗脫效果最突出,因此后續(xù)實驗中此柱的洗脫溶劑定為10 mL甲苯。

石墨化炭黑小柱的洗脫結(jié)果(見表3)表明,甲苯的洗脫效果較好,且10 mL用量已足夠。丙酮/正己烷(1∶1, v/v)和二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)不能有效地將六氯苯從柱上洗脫,故后續(xù)實驗選擇10 mL甲苯作為該柱的洗脫溶劑。

氧化鋁小柱的洗脫結(jié)果(見表4)表明,二氯甲烷/正己烷(1∶9, v/v)作洗脫溶劑時,六氯苯的回收率約為30%,α-HCH和γ-HCH的回收率約為40%,其他均>50%。10 mL正己烷作洗脫溶劑時,不能將硫丹-Ⅱ和δ-HCH從柱上洗脫,可能是正己烷極性太弱所致,而追加的5 mL二氯甲烷/正己烷(2∶8, v/v)洗脫溶劑下δ-HCH和硫丹-Ⅱ的回收率高達60%～80%。考慮到整體洗脫效果和簡化操作,后續(xù)實驗選擇15 mL二氯甲烷/正己烷(1∶9, v/v)作為氧化鋁小柱的洗脫溶劑。

硅膠小柱的洗脫結(jié)果(見表5)表明,二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)的洗脫效果較好,化合物回收率均在46%以上(五氯苯的回收率為33%),且10 mL用量已足夠。與氧化鋁小柱相似,正己烷也不能有效地將硫丹-Ⅱ和δ-HCH從硅膠柱上洗脫,且β-HCH的回收率僅為6%。追加5 mL二氯甲烷后,狄氏劑、異狄氏劑回收率增加,β-HCH、δ-HCH和硫丹-Ⅱ的回收率大大增加?？紤]整體洗脫效果和簡化操作,后續(xù)實驗選擇10 mL二氯甲烷/正己烷(1∶1, v/v)作為此柱的洗脫溶劑。

表 3 石墨化炭黑小柱在不同溶劑洗脫下的替代標回收率

表 5 硅膠小柱在不同溶劑洗脫下的替代標回收率

表 6 組合固相萃取小柱對空氣樣品中OCPs的凈化效果

2.2.2單一填料柱凈化

多個空氣樣品經(jīng)過提取后,合并提取液,濃縮并定容至10 mL,制備統(tǒng)一樣品溶液。取0.5 mL(n=2),加入1 ng替代標,混勻后分別用弗羅里硅土、石墨化炭黑、氧化鋁和硅膠小柱進行凈化,各凈化柱均用上文中的較優(yōu)洗脫溶液進行洗脫,將流出液收集后濃縮至20 μL,結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃縮液色素均較重,即單一凈化柱不能有效去除樣品溶液色素,為減少色素對儀器測樣干擾,本文進一步研究了組合凈化柱。2.2.3組合填料柱凈化

將統(tǒng)一樣品溶液分別進行組合凈化,組合方式及凈化效果見表6。弗羅里硅土小柱和石墨化炭黑小柱組合能夠很好地去除樣品色素,減弱對目標物出峰的干擾,延長色譜柱壽命。進一步將經(jīng)過弗羅里硅土小柱和石墨化炭黑小柱組合凈化的大氣樣品溶液進行儀器測定,樣品中OCPs的替代標回收率為33.9%～155%。

2.3 方法適用性

2.3.1穿透試驗

AAS因能通過采樣泵加流量計精確控制大氣采樣量,而廣泛應用于大氣OCPs采樣。AAS吸附介質(zhì)多為濾膜+PUF模式,但是一些OCPs揮發(fā)性較強,采樣時容易在PUF上發(fā)生穿透,所以現(xiàn)場采樣前應先確定有效采樣體積。確定方式主要有以下兩種[14]:一種是穿透試驗,即串聯(lián)2塊及以上PUF進行采樣,計算下層PUF吸附目標物量相對上層PUF或總PUF的比值[16,27,28];另一種是動態(tài)保留試驗,即向PUF氣體流入端加標,采樣后計算加標回收率[15,19,35]。其中穿透試驗的方法在研究中更常見,但穿透標準不一,如穿透限值存在下層PUF占上層PUF的33.3%[28]或50%[27]、下層PUF占總PUF比值5%[36]等多種說法(見附表1,詳見http://www.chrom-China.com/)。鑒于PUF對HCB和α-HCH的吸附容量極易受環(huán)境溫、濕度影響[16,27],本文采用穿透試驗的方式,并選擇定義下層PUF吸附目標物量占總PUF比值(簡稱“穿透比率”)5%即為穿透這一嚴格標準,以增強本次實驗結(jié)果的指導意義。

表 7 穿透實驗中下層PUF吸附目標物占總PUF吸附量的比值

2019年2月,在中國環(huán)境監(jiān)測總站(北京)3樓樓頂進行穿透試驗,以濾膜+PUF/PUF模式,多臺主動采樣器同時采集不同體積的空氣樣品,各體積采集1個平行樣。采樣結(jié)束后,分別測定兩層PUF中OCPs的含量,計算下層PUF吸附的目標物占總PUF吸附量的比值,結(jié)果見表7(采樣體積已換算為標準狀態(tài)(101.325 kPa, 273 K)對應的體積)。

由表7可見,樣品中下層PUF吸附的五氯苯和六氯苯的量在總PUF中占比均較大。其中五氯苯在采樣體積為15 m3時,穿透比率也已超出40%,即嚴重穿透;六氯苯在低于50 m3時,穿透比率較低,其中在15 m3時為5%;α-六六六在53和387 m3時,穿透比率為13%,在采樣體積≤677 m3時,穿透比率均<5%,可能是期間天氣變化較大所致;其他OCPs在采樣體積為607 m3時,整體而言穿透比率均在5%左右。

綜上,五氯苯不適合濾膜+PUF/PUF的采樣模式,建議與XAD(苯乙烯-二乙烯基苯共聚物)或Tenax-TA(聚2,6-二苯基對苯醚)等強吸附性能介質(zhì)相結(jié)合。對于α-HCH,采樣時應盡量避開高濕度天氣。在相似采樣環(huán)境下安裝單塊PUF,六氯苯的采樣體積應≤15 m3,雙塊PUF時應≤30 m3。其他OCPs采樣體積為,單塊PUF應≤600 m3,雙塊PUF應≤1 200 m3。

表 8 25種OCPs的方法檢出限、線性相關(guān)系數(shù)和加標回收率

2.3.2平均相對響應因子、線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限

測定0.4～800 μg/L的OCPs校準溶液,計算目標物和替代標的平均相對響應因子,其對應的RSD≤20%,線性相關(guān)系數(shù)(R2)均>0.992,詳見表8。按照HJ 168要求,計算方法的檢出限(MDL):按照樣品分析的全流程重復測定7次空白試樣,測定結(jié)果以濃度表示,其中六氯苯按采樣體積30 m3計算,其他24種OCPs按1 200 m3計算,得出測定結(jié)果的標準偏差(S), MDL為3.143S,對空白試驗中未檢出的目標物進行加標后測定,判斷各目標物MDL的合理性,必要時調(diào)整加標量。六氯苯的MDL為0.7 pg/m3,其他24種OCPs的MDL為0.002～0.007 pg/m3,詳見表8。

2.3.3精密度和回收率

向空白濾膜和PUF中加入低(100 pg)、中(400 pg)、高(15 ng)3個水平的OCPs標準物質(zhì)(n=6),按照實際樣品處理流程進行提取、凈化和儀器分析,計算同一加標水平下OCPs測定值的RSD。3個加標水平下,測定值的RSD均在0.64%～16%之間,加標回收率為67.2%～135%,詳見表8。

2.4 空氣樣品的測定結(jié)果

根據(jù)穿透情況,采集15～30 m3的空氣樣品,測得六氯苯的濃度為514～563 pg/m3。采集約600 m3的空氣樣品,測得除反式-環(huán)氧七氯、異狄氏劑、順式-九氯和4,4′-滴滴滴在部分樣品中未檢出外,其他OCPs均為100%檢出,濃度為0.01～18.9 pg/m3,低于現(xiàn)有標準HJ 900的檢出限(0.03～0.07 ng/m3),所有樣品的替代標回收率為33.9%～155%。

3 結(jié)論

本文建立了弗羅里硅土小柱與石墨化炭黑小柱組合凈化,中等極性Rtx-CL Pesticides2色譜柱分離,同位素稀釋-HRGC-HRMS分析大氣25種OCPs的方法。空白樣品進行低、中和高3個水平的加標試驗,測定結(jié)果的RSD為0.64%～16%,加標回收率為67.2%～135%。實際樣品分析中替代標的回收率為33.9%～155%。穿透試驗確定六氯苯的有效采樣體積(標態(tài))應≤30 m3,其他24種OCPs應≤1 200 m3。以上述體積計算,方法的檢出限為0.002～0.7 pg/m3。該方法較系統(tǒng)、全面,測定干擾因素較少,回收率較好,檢出限能很好地滿足當前大氣中痕量OCPs的測定需求,可用于履約監(jiān)測以及大規(guī)模大氣樣品的調(diào)查。