北京地区PAHs质量控制解析.docx

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北京地区PAHs质量控制解析

3.3实验试剂及仪器

实验中使用的试剂包括：

无水硫酸钠，硅胶（60～80目），重铬酸钾，浓硫酸，正己烷，二氯甲烷，环己烷，丙酮，乙二醇。

其中，无水硫酸钠经650℃焙烧10h，降温后保存于干燥器中待用；硅胶在马夫炉中经650℃焙烧10h以去除有机杂质，每次使用前在130℃条件下活化16h；脱脂棉在使用前用二氯甲烷提取索氏提取20h；正己烷、环己烷、丙酮、二氯甲烷均为分析纯（北京市化学试剂公司），使用前经重蒸馏处理，弃掉10%的前馏分和10%的后馏分之后再使用。

内标为2-floruo-1,1’-biphenyl和p-terphenyl-D14（百灵威化学，J&KChemical，USA，2.0μg/mL）。

实验中使用的仪器包括：

2030B型中流量智能TSP采样器（青岛崂山应用技术研究所），TMP-1500大气采样器（江苏金坛市亿通电子有限公司），玛瑙研钵和研杵，网筛，电子天平（德国，SartФrius，0.1mg~110.0g），旋转蒸发仪（上海申生科技有限公司，R-201旋转蒸发仪），TOC测定仪（DioxinTOC-5000A），冷冻干燥器（FD-1A,北京博医康实验仪器有限公司），恒温水浴锅（室温~100.0℃），加速溶剂提取仪（美国DIONEX公司，ASE-300，配34ml萃取池），气相色谱仪（美国Agilent6890plus，配Agilent5973型质谱检测器和Agilent7683型自动进样器，HP-5石英毛细管色谱柱：

30m×0.32mm,ID×0.25µm液膜厚）等。

实验中使用的器皿包括：

PUF玻璃套管、索氏提取器（100mL）、层析柱（长35cm，内径1cm）、平底烧瓶、圆底烧瓶、茄形瓶、棕色广口瓶、样品瓶、烧杯等。

所有玻璃器皿在使用前后均使用铬酸洗液（40g重铬酸钾+80mL蒸馏水+700ml浓硫酸）浸泡，经自来水和去离子水清洗干净。

实验中使用的其他实验用品包括：

玻璃水槽（内径30cm、高30cm）、玻璃纤维滤膜、聚氨基甲酸乙酯泡沫（PUF）、滤纸和脱脂棉（使用前在90℃，正己烷中净化8h）、自动进样枪及枪头，坩埚，铝箔、玻璃棒，胶头滴管，药匙，镊子、淀帚、乳胶手套、定时器、洗瓶、塑料烧杯、冰箱等。

ASE设定条件：

温度140℃（5min）；压力1500psi；静态提取7min；循环次数为1次；溶剂淋洗体积60%；氮气吹扫60s。

GC条件：

HP-5MS30m×0.250mm毛细管色谱柱，载气为高纯He，柱前压0.03MPa，线速度37cm/秒。

进样口温度280℃，采用不分流进样方式，进样1μL。

进样口温度升温程序为：

初始柱温60℃，以5℃/分钟的速度升温至300℃，保持20分钟至样品完全流出。

MSD条件：

EI电离源70eV，质量范围45～600amu，倍增器电压1288V，离子源温度230°C，选择离子检测（SIM）模式，各PAHs的定量和定性离子列于表3-3中。

质谱图库为美国国家标准研究所提供的NIST98ChemicalStructures。

目标物为16种USEPA优控PAHs：

萘（NAP，2环）、苊（ACY，2环）、二氢苊（ACE，2环）、芴（FLO，2环）、菲（PHE，3环）、蒽（ANT，3环）、荧蒽（FLA，3环）、芘（PYR，4环）、苯并[a]蒽（BaA，4环）、屈（CHR，4环）、苯并（b）荧蒽（BbF，4环）、苯并（k）荧蒽（BkF，4环）、苯并（a）芘（BaP，5环）、二苯并（ah）蒽（DahA，5环）、茚并（1,2,3-cd）芘（IcdP，5环）、苯并（ghi）苝（BghiP，6环）。

3.4北京市表土样品的采集和实验测定

3.4.1表土样品的采集和前处理

图3-3北京表土样品采集点

本研究采用经纬向宽度相距10公里的网格布点，于2004年4月至2004年6月采集了北京市全境161个表层土壤样品，采样点基本是均匀分布的。

在实际采样时，根据预先布设采样点的地理坐标，运用GPS进行定位，实际采样位置根据预设样点附近的实际交通情况作适当调整，最终采样点分布如图3-3所示。

在每个采样点采用5点取样法采样，在100×100m2的区域内，四角和中央各采集1份（约200g）表层0-10cm厚度的土壤，将5份土样均匀混合，作为该采样点的代表性样品。

采样时，使用不锈钢铁铲，取适量土样，保存于洁净的聚乙烯袋中封口保存，带回实验室。

带回实验室的表层土壤样品在室温下风干，去除砾石及动植物残体等杂质，使用玛瑙研钵和研杵进行研磨，全量过20目筛，密封于洁净的聚乙烯袋中，置于冰箱中低温避光保存至分析。

3.4.2表土样品的提取、净化、浓缩

将10g表层土壤样品和10g无水硫酸钠的混合样品填入预先装好玻璃纤维滤膜的加速溶剂提取仪（ASE300）的萃取池中，用正己烷与二氯甲烷（1:

1，体积比）的混合溶剂进行提取。

首先在140℃，1500psi的条件下加热7分钟，然后在同样条件下静态提取7分钟；静态提取完成后，用萃取池体积60%的溶剂进行淋洗，高纯氮气吹扫60秒。

硅胶柱长35cm，内径1cm，柱底端铺一层预先抽提干净的脱脂棉。

装柱时，先加入10ml正己烷，然后用10g（60-80目）硅胶湿法装柱，轻敲层析柱以赶走其中的气泡，待硅胶均匀沉降后，在硅胶柱顶端填装1cm高的无水硫酸钠，保持柱面平整均匀。

调整层析柱的活塞使正己烷缓慢流出，至其上液面接近顶部无水硫酸钠的上层为止。

加速溶剂提取之后的萃取液转移至茄形瓶，用少量正己烷分两次涮洗收集瓶，洗液一并倒入茄形瓶，然后经旋转蒸发。

用2mL左右的正己烷分两次将浓缩液转移至硅胶层析柱顶端，依次用25mL正己烷以及50mL正己烷和二氯甲烷混合溶剂（体积比3:

2）淋洗硅胶柱，流速控制在2mL/min左右（目视溶液以点滴状流出，约2滴/秒），收集混合溶剂的淋洗液，再次转换溶剂为正己烷后旋蒸浓缩至3ml左右，转移至指管中，用工业氮气吹扫溶剂，用正己烷定容至1.0mL，转移至GC自动进样用的样品瓶中，用封口膜密封保存于冰箱中直至上机测定。

3.4.3表土样品的分析测定

利用GC-MS（AgilentGC6890/5973NMSD）台式色谱质谱仪，测定样品瓶中的16种多环芳烃，即萘（NAP）、二氢苊（ACE）、苊（ACY）、芴（FLO）、菲（PHE）、蒽（ANT）、荧蒽（FLA）、芘（PYR）、苯并[a]蒽（BaA）、（CHR）、苯并[b]荧蒽（BbF）、苯并[k]荧蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚（1,2,3-cd）并芘（IcdP）、二苯并[a,h]蒽（DahA）以及苯并（ghi）（BghiP）。

定性分析采用选择离子方式，采用的定量与定性离子如表3-2所示，图3-4给出了标样色谱图。

表3-2SIM模式分析土壤中PAHs时设定的特征碎片峰参数及方法的回收率和仪器检出下限

图3-4GC-MS（SIM模式）标样谱图（图中的物质编号1-16所代表的化合物同表3-2）

3.4.4分析测试质量控制及辅助参数

方法回收率（methodrecovery）：

选择6个不同土壤类型的样品，在土壤样品、空白滤膜、提取过的土壤样品三种基质中定量加入16种PAHs混标，同时分析空白样品和加标样品，提取方法与样品相同。

颗粒物基质经硅胶柱净化，根据空白和加标样品的测定数据计算方法回收率。

PAHs通过混合标样定量，16种PAHs的方法回收率在69%~130%之间，见表3-2。

仪器检出限（detectionlimit）：

采用空白样品信噪比为3时的信号对应的浓度作为方法的检出下限，见表3-2。

空白（blanks）：

每批10个样品均同步分析了两个实验室空白，用来剔除实验室本底的干扰。

取焙烧后的滤膜，按相同的提取、净化流程与实际样品同时分析测定，用以监控提取、净化流程中可能的外来污染。

平行样品（duplicates）：

每批样品随机抽取30%做平行实验，按相同的提取、净化流程同时进行分析测定。

平行样之间的相对误差小于30%视为合格，如果相对误差大于30%则该批次所有样品重新进行提取、净化和测定。

最终PAHs定量数据经采样空白和方法回收率进行校正。

使用配置岛津SSM-500固体进样器的TOC-5000A分析仪测定表层土壤中的总有机碳含量。

3.5东南郊大气样品的采集和实验测定

北京东南郊地区人口众多，工业集中，农业分散，交通便利，社会条件和自然气候条件与北京其他地区相似，具有一定的代表性，本研究选择这一地区开展大气样品采集和分析，以代表北京地区的污染特征。

大气采样中选择了四个采样点，主要考虑了样点周围PAHs排放源类型的不同。

其中环保局采样点位于通州区中心城区，周围基本都是集中供暖区域，可代表居民生活区；张辛庄采样点位于通州工业园区，紧邻东方化工厂，周边有化工、炼铝、静电喷塑、彩钢等多种行业，可以用来代表工业区；北寺村采样点位于郊区，周围为当地村子密集的村民住宅，可代表农村地区；六合村采样点位于郊区，其南侧为车流量较大的102国道，可代表道路交通密集地区。

大气中PAHs浓度随季节变化明显，为了研究北京地区多环芳烃随时间的变化特征，需要在一年内连续多次采样，而大气样品采集后必须尽快进行分析测定，大大增加了采样和实验的工作量；另一方面，对多个采样点同时进行采样也增加了采样工作的难度，很难在大面积区域开展，所以选取北京东南郊作为北京地区的代表。

3.5.1大气样品的采集和前处理

参照USEPA的TO-13A方法（USEPA，1999），采用玻璃纤维滤膜（glassfiberfilter，GFF）-聚氨酯泡沫（polyurethanefoam，PUF）体系采集大气中的颗粒相和气相PAHs。

使用智能中流量大气采样器（TH-150C型大气总悬浮颗粒物采样器，配备PM10～PM100大气可吸入颗粒物切割器，武汉天虹智能仪表厂）和玻璃纤维滤膜（Φ90mm）采集PM10样品。

滤膜使用前在450℃下焙烧4h，平衡后称重，采样后同样平衡称重，然后置于冰箱（-18℃）避光保存。

采样流量为100L·min-1，采样时间为24h，富集体积为144m3。

使用电子时控大气采样器（TMP-1500，江苏亿通电子有限公司）和PUF采样管（polyurethanefoamplug，Φ22mm×76mm，Supelco公司）富集气态PAHs。

PUF使用前用正己烷抽提8h以上，保存在棕色磨口玻璃瓶中，采样后置于冰箱（-18℃）避光、密闭保存至分析。

采样管前端以玻璃纤维滤膜滤去大气颗粒物，采样流量为1.5L·min-1，采样时间为24h，富集体积为2.16m3。

具体采样日期见表3-3，采样点位置情况见表3-4。

3.5.2大气样品的提取、净化

PUF样品和滤膜样品：

100mL的正己烷/环己烷（1：

1，V/V）索氏提取，水浴锅温度：

90℃；时间：

主动PUF样品4h、被动PUF样品8h、被动滤膜12h以上。

提取液经旋转蒸发浓缩至1mL，定量加入内标后待测。

部分冬季被动滤膜提取液浑浊，冷冻后取上清液测定。

PM10与降尘样品：

将称重后的滤膜剪碎，或称取0.5～1.0g降尘，用滤纸（二氯甲烷提取12h以上）包好，100mL的丙酮/二氯甲烷（1：

1，V/V）索氏提取20h以上，水浴锅温度70℃左右（具体数值视室内温度而定，以大约15min回流一次为准）。

提取液经旋转蒸发浓缩至1mL，加入5～10mL正己烷再次旋转蒸发浓缩至1mL。

完成溶剂转换后过硅胶柱净化。

硅胶柱长35cm，内径1cm，柱底端铺一层脱脂棉（使用前用二氯甲烷索氏提取20h）。

10g硅胶干法装柱，柱顶端填装1cm高的无水硫酸钠。

用2mL左右的正己烷分两次将上步完成溶剂转换的浓缩液转移至柱顶端，依次用25mL正己烷和35mL二氯甲烷淋洗，流速控制在2mL/min左右，收集二氯甲烷淋洗液，再次转换溶剂为正己烷后浓缩至1mL，定量加入内标待测。

3.5.3大气样品的分析测定

利用GC-MS（AgilentGC6890/5973NMSD）台式色谱质谱仪，测定样品瓶中的16种多环芳烃。

标样的色谱图如图3-5所示。

样品上机前加入内标物质2-氟联苯和氘代三联苯，用内标法定量分析样品中PAHs浓度。

内标法定量工作曲线范围为1～1000ng/mL。

3.5.4大气样品分析测试的质量控制及辅助参数

每批实验中同时测定1个溶剂空白，2个样品空白。

受仪器数量的限制，TSP样品和气相样品无法进行平行性分析，只能通过过程空白来监测实验的重复性。

因此每批TSP样品实验由6个样品构成，气相实验包含7个样品；同批次样品浓度经过程空白平均值校正，过程空白相对误差在15%以内。

样品处理前加入5种氘代多环芳烃：

NAP-D8，ACE-D10，PHE-D10，CHR-D12和苝-D12作为回收率指示物，加入回收率指示物的样品处理与其它样品完全相同。

TSP和气相样品中回收率指示物的回收率分别在63.2%~109.5%和69.5%~100.9%之间；通过向干净的滤膜和PUF上加入已知量的PAHs标样，老化后提取来估算方法的回收率，TSP样品中PAHs的回收率为63.2%（NAP）~109.5%（BaA），PUF中PAHs的回收率为84.5%（NAP）~133.1%（BaP），两类样品中PAHs的检出限分别为1.1（DahA）~738.9（NAP）pg·m-3和0.3（BaA）~170.5（NAP）ng·m-3。

3.6东南郊水体样品的采集和分析测定

北京东南郊地区人口众多、工业集中、农业分散、交通发达。

居民生活排放、工业排放、农业排放和交通源污染会对水体环境产生影响。

这一地区地表水资源丰富，有北运河、通惠河、凉水河和潮白河等大小13条河流，并与沟渠交错相接，共同构成了繁杂的水系网。

流域内各种交通、工业、农业和居民生活污染源分布都较多，可以看作北京地区水体污染状况的代表。

水体的采样和分析包括水相和悬浮态两类，其中的多环芳烃浓度存在季节变化，为了研究北京地区多环芳烃随时间的变化特征，需要在一年内多次采样，而且水体样品采集后必须尽快进行分析测定，大大增加了采样和实验的工作量；另一方面，对多个采样点同时进行采样也增加了采样工作的难度，很难在大面积区域开展，所以选取北京东南郊作为北京地区的代表。

研究中水体样品的采集和实验部分，与本实验室的沈琼同学共同完成。

3.6.1样品的采集和前处理

在北京东南郊通州地区23个主要的河流、沟渠断面，于2005年7月24日、10月16日、12月27日和2006年3月28日，依次进行采样。

采样点位置见图3-6。

样品用有机玻璃采水器在断面中央采集，装入干净干燥的5L或10L带塞的棕色玻璃瓶中。

在采集的样品中，立即按1mL/L水的比例加入5‰的甲醛溶液来抑制微生物的活性。

玻璃纤维滤膜在450℃的马夫炉中灼烧4个小时，冷却并称量恒重后装入蠕动泵过滤装置进行样品的过滤，用干净干燥的标有刻度的2L棕色玻璃瓶收集得到滤出液。

过滤收集水体样品后，取下安置在蠕动泵过滤装置中的滤膜。

滤膜用铝箔包裹好放入冷冻干燥仪干燥72小时，干燥完毕的滤膜转移到干燥器中恒重并称量。

3.6.2水相样品的富集、提取和净化

将固相萃取柱连接到真空装置上进行净化，每个小柱用2mL二氯甲烷淋洗，按5mL/min的速度放出二氯甲烷直至液面与悬浮物齐平，重复用二氯甲烷淋洗三至四次。

净化完成后，用甲醇活化固相萃取柱，每个小柱加2mL甲醇，保持30秒种，放出甲醇，保持填充物上方有0.5mm左右的一个液面；以上甲醇活化过程重复两次。

放出大部分甲醇之后，用少量超纯水分数次淋洗柱子，并且始终保持填充物上方有0.5mm左右的液面。

活化完成后，用超纯水将填充物上端的空间填满，用导管将固相萃取柱与水体样品的收集瓶相连接。

拧紧真空阀，打开真空泵，以5mL/min的速度萃取水样；水样萃取完之后，继续空抽萃取柱一分钟，取下导管。

用6mL的二氯甲烷分三次（2ml，2ml，2ml）洗脱萃取柱，洗脱液用干净干燥的玻璃试管接收。

试管中接收的洗脱液经过无水硫酸钠（在650℃的马夫炉中灼烧10个小时）脱水后，转移至干净干燥的平底烧瓶中，经旋转蒸发仪浓缩后转移到GC自动进样瓶中。

3.6.3悬浮物的提取和净化

普通滤纸裁减后用二氯甲烷进行索氏提取。

索氏提取条件为：

用250ml二氯甲烷作为溶剂，提取温度设定为50˚C，提取时间设定为24小时。

将滤膜折叠，与2g无水硫酸钠及少量铜粉一起装入经过提取的滤纸，进行索氏提取。

索氏提取条件为：

用100ml二氯甲烷作为溶剂，提取温度设定为50˚C，提取时间设定为8小时。

通过索氏提取得到的样品，经旋转蒸发仪蒸发浓缩至1ml左右。

硅胶和氧化铝均需在450℃的马夫炉中灼烧10个小时，然后在130℃的烘箱中活化16个小时。

称活化过的硅胶5g，在50ml烧杯中用正己烷浸透。

在层析柱底部塞入一小团脱脂棉，预先在层析柱中加入少量正己烷，用长玻璃棒赶走脱脂棉内的气泡。

然后用小勺小心地把浸在烧杯中的硅胶加入层析柱中，用洗耳球轻轻敲打柱身，确保硅胶落实。

再称活化过的氧化铝5g，同样在50ml烧杯中用正己烷浸透，用小勺小心地把浸在烧杯中的氧化铝加入层析柱中，边加边用洗耳球轻轻敲打柱身。

硅胶和氧化铝都添加完后，打开层析柱底阀，放走正己烷至和氧化铝层相切时关底阀。

将浓缩后的样品加入层析柱上端，层析柱下放干净干燥的平底烧瓶接收溶剂打开底阀，以2滴/秒的速度放溶液，待液面与氧化铝层相切时，加入25ml正己烷进行淋洗。

待液面与氧化铝层再次相切时，加入二氯甲烷和正己烷混合溶液（体积比为3：

7）70ml继续淋洗，待溶剂走完后，取出收集瓶旋转蒸发，浓缩至1ml左右，转移至GC自动进样用的样品瓶中。

3.6.4水样的分析测定

利用GC-MS（AgilentGC6890/5973NMSD）测定水体中USEPA公布的16种优控多环芳烃的浓度。

本研究中采用的是内标定量的方法。

在每个转移到GC自动进样瓶中的样品中加入250ul氘代三联苯作为PAHs内标标志物，根据GC-MS内标标准曲线来确定样品中PAHs含量。

标样的色谱图如图3-5所示。

3.6.5样品的分析质量控制及辅助参数

每一个采样点的水体样品做三个平行，悬浮物样品做两个平行，同时以30%的比例做程序空白实验。

随机抽取30%样品，在样品富集前加入五种氘代多环芳烃（萘-D8、二氢苊-D10、菲-D10、-D12和-D12）作为PAHs的回收率指示物。

本研究水相样品中五种物质的回收率范围为65.24%-103.09%。

悬浮物样品中这五种物质的回收率范围为52.82%~97.36%。

3.7东南郊沉积物样品的采集和分析测定

北京东南郊地区地表水资源丰富，有北运河、通惠河、凉水河和潮白河等大小13条河流，并与沟渠交错相接，共同构成了繁杂的水系网。

居民生活排放、工业排放、农业排放和交通源污染会对水体环境产生影响，从而影响沉积物中的污染物分布状况。

区域内各种交通、工业、农业和居民生活污染源分布都较多，可以看作北京地区水体和沉积物污染状况的代表。

本研究选取北京东南郊进行沉积物野外采样和实验室分析测定，样品的采集和实验部分与本实验室的沈琼同学共同完成。

3.7.1沉积物样品的采集和前处理

2005年7月24日采集北京市通州区主要河流和沟渠断面的20个沉积物样品。

采样点分布见图3-7。

采集的沉积物样品在室温下自然风干后挑除草根等杂质。

将去除杂质的沉积物样品研磨，全量过70目筛。

3.7.2沉积物样品的提取、净化

称取5g样品、与2g无水硫酸钠及少量铜粉一起装入经过提取的滤纸，进行索氏提取。

索氏提取条件为：

用100ml二氯甲烷作为溶剂，提取温度设定为50˚C，提取时间设定为72小时。

通过索氏提取得到的样品，经旋转蒸发仪蒸发浓缩至1ml左右。

硅胶和氧化铝均需在450℃的马夫炉中灼烧10个小时，然后在130℃的烘箱中活化16个小时。

称活化过的硅胶5g，在50ml烧杯中用正己烷浸透。

在层析柱底部塞入一小团脱脂棉，预先在层析柱中加入少量正己烷，用长玻璃棒赶走脱脂棉内的气泡。

然后用小勺小心地把浸在烧杯中的硅胶加入层析柱中，用洗耳球轻轻敲打柱身，确保硅胶落实。

再称活化过的氧化铝5g，同样在50ml烧杯中用正己烷浸透，用小勺小心地把浸在烧杯中的氧化铝加入层析柱中，边加边用洗耳球轻轻敲打柱身。

硅胶和氧化铝都添加完后，打开层析柱底阀，放走正己烷至和氧化铝层相切时关底阀。

将浓缩后的样品加入层析柱上端，层析柱下放干净干燥的平底烧瓶接收溶剂打开底阀，以2滴/秒的速度放溶液，待液面与氧化铝层相切时，加入25ml正己烷进行淋洗。

待液面与氧化铝层再次相切时，加入二氯甲烷和正己烷混合溶液（体积比为3：

7）70ml继续淋洗，待溶剂走完后，取出收集瓶旋转蒸发，浓缩至1ml左右，转移至GC自动进样用的样品瓶中。

3.7.3沉积物样品的分析测定

利用GC-MS（AgilentGC6890/5973NMSD）测定样品中USEPA公布的16种优控多环芳烃的浓度。

本研究中采用的是内标定量的方法。

在每个转移到GC自动进样瓶中的样品中加入250ul氘代三联苯作为PAHs内标标志物，根据GC-MS内标标准曲线来确定样品中PAHs含量。

标样的色谱图如图3-5所示。

同时测定水中悬浮物含量、水相和悬浮物的TOC。

3.7.4沉积物样品的分析质量控制及辅助参数

每一个采样点的沉积物样品做两个平行，同时以30%的比例做程序空白实验。

随机抽取30%样品，在样品提取前加入五种氘代多环芳烃（萘-D8、二氢苊-D10、菲-D10、-D12和-D12）作为PAHs的回收率指示物。

本研究沉积物样品这五种物质的回收率范围为58.46%-88.94%。

在样品上机测定前加入氘代三联苯作为PAHs内标标志物，用内标法定量分析样品中PAHs的浓度。