微池加壓溶劑提取—氣相色譜—質譜法定量測定大氣細粒子中的二元酸

郝亮　吳大朋　關亞風

摘 要 建立了微池加壓溶劑提取（-PLE）-氣相色譜-質譜測定大氣細粒子中4種二元酸（丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸）的分析方法。采用濾膜采集PM2.5樣品，甲醇為溶劑，在80℃、8 MPa壓力下-PLE靜態提取兩次，每次5 min，再用100 L甲醇沖洗一次，得到約500 L提取液； 氮氣吹干后，60℃硅烷化衍生30 min，衍生物加內標后，直接采用GC-MS進行定量分析。本方法測定加標濾膜中的4種常見二元酸，在0.2～20 ng/L進樣濃度范圍具有良好的線性，方法定量限為（按S/N=10計）0.15～0.47 ng/m3，回收率為92%～122%，相對標準偏差2.6%～11.8%。對大連星海灣大氣PM2.5樣品中丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸的定量檢出結果分別為64.6、50.0、41.8和20.2 ng/m3。

關鍵詞 大氣細粒子； PM2.5； 水溶性有機物； 二元酸； 微池加壓溶劑提取

1 引 言

大氣細粒子中二元酸的定量分析對于研究大氣細粒子成核機理[1～3]，理解氣溶膠、云霧和氣候之間關系，以及追蹤顆粒物來源[4，5]具有重要意義。目前，顆粒物中二元酸的主要測定方法是氣相色譜-質譜（GC-MS）法。由于二元酸極性大、沸點高，而且易被顆粒基質緊密包裹、結合，在分析前必須進行提取和衍生。常用的樣品前處理方法[6～8]多采用超聲輔助溶劑萃取，后進行衍生。這些方法存在著溶劑用量大，處理時間長的局限。本實驗室曾報道了-PLE提取大氣顆粒物中正構烷烴[9]以及多環芳烴[10]的方法。但尚未有用此技術提取大氣顆粒物中極性化合物的報道。本研究采用-PLE技術和硅烷化衍生方法，建立大氣細粒子中強極性二元酸的GC-MS定量分析方法。與常規的提取方法相比，本方法提取速度快， 樣品及溶劑用量少，濃縮快速，且受溶劑中微量雜質的影響小。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

-PLE裝置示意圖如圖1所示。主要由LC-20AD高壓液相泵（日本島津公司）、VICI十通閥（瑞士Valco儀器有限公司）、100 L定量管、小體積不銹鋼萃取池（10 mm×4.6 mm， i. d.， 容積200 L）、萃取池加熱體（加熱速度100℃/min）和溫度控制器等組成； 萃取池包括萃取池壓帽、不銹鋼篩板、聚四氟乙烯過濾膜、密封墊、樣品池、萃取池套筒等部件，詳細描述參見文獻＼[11＼]； QP2010SE氣相色譜質譜聯用儀（日本島津公司）； ZR3930-PM2.5采樣器（青島眾瑞智能儀器有限公司）。

甲醇（HPLC級，美國Tedia公司）； N，O-二-（三甲基硅烷基）-三氟乙酰胺（BSTFA，上海EKEAR生物技術有限公司）和三甲基氯硅烷的混合溶液（TMCS，Aladdin上海化學試劑有限公司）。4種二元羧酸（丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸）（分析純，北京化工廠）。

SymbolmA@ -PLE裝置示意圖： a. 萃取； b. 收集提取液。

2.2 二元酸加標濾膜的制備

配制1 mg/mL二元酸甲醇標準貯備溶液； 使用時用甲醇逐級稀釋。

實際PM2.5濾膜樣品經-PLE反復加壓溶劑提取處理，60℃恒溫干燥后得到保留有顆粒物卻基本消除了其上所攜帶的有機物的濾膜，以此作為加標濾膜的基體。在基體上添加標準溶液后，4℃儲存24 h后進行GC-MS分析。

2.3 PM2.5樣品采集

采樣地點位于大連星海灣大連化學物理研究所生物樓樓頂距離地面15 m（38°53′N， 121°37′E）； 樣品收集在直徑47 mm玻璃纖維濾膜上，采樣前玻璃纖維濾膜于500℃焙燒4 h，以除去可能吸附的有機污染物； 樣品采集24 h，采樣流量16.7 L/min。采集的樣品用鋁箔包裹后放入玻璃樣品瓶中于-4℃貯存。

2.4 樣品前處理

2.4.1 提取 取1/4樣品濾膜放入樣品池中，密封提取池。液相泵泵入溶劑加壓，加熱裝置加熱至所設溫度。提取完成后，切換十通閥閥位，輔助載氣將提取液轉移到小樣品瓶中。轉移過程中，淋洗液也被推動流過提取池和管路（動態提取），同時提取池出口的聚四氟乙烯濾膜完成對提取液的過濾。轉移完成后，切換十通閥，開始下一輪提取循環，輔助載氣可同時對樣品瓶中提取液進行氮吹。

2.4.2 衍生 向已氮吹至干的小樣品瓶中加入5 -L含1% TMCS的BSTFA衍生試劑和35 -30 min。反應完成后取出冷卻，加入10 L 10 g/mL 1，3，5-三氯苯異辛烷溶液作為內標，進樣0.4 -L， 進行GC-MS分析。

2.4.3 GC-MS分析 SE-54色譜柱（30 m×0.25 mm i.d.×0.5 m）； 進樣口： 280℃； 載氣： 氦氣； 恒流： 1 mL/min； 不分流進樣； 進樣量： 0.4 L； 升溫程序： 初始溫度80℃，保持2 min，20℃/min升至280℃，保持5 min。質譜傳輸線溫度： 280℃； 離子源溫度： 240℃； 溶劑延遲： 6 min。

3 結果與討論

3.1 提取條件的優化

低碳數的二元酸在純水和甲醇中均能很好溶解，但高碳數二元酸在甲醇中的溶解度較純水更好。另外，考慮到甲醇揮發性大，易于蒸發濃縮，因此本研究選擇甲醇作為提取劑。

在6～12 MPa范圍對壓力進行考察，壓力設定值高于12 MPa時，隨溫度升高，提取池容易發生泄漏； 在6～10 MPa范圍，壓力對提取率沒有影響。很多加壓溶劑提取的研究[12，13]表明： 在加壓溶劑提取過程中，萃取壓力的作用僅限于高溫下保持溶劑在液體狀態。因此本研究將提取壓力設定為8 MPa，此壓力足以使所用溶劑在提取溫度下保持液態，且提取池不易發生泄漏。

在80℃下，對樣品連續靜態萃取3次，每次提取5 min。分別測定每次萃取液中目標組分的含量。結果表明： 第一次萃取的二元酸總量占總萃取量的50%，前兩次萃取的二元酸的含量占總萃取量的91%。因此確定每個提取循環靜態提取兩次，再用100 L甲醇沖洗一次。

根據加壓溶劑提取的原理，提取溫度對提取效率影響較大。對40℃， 60℃， 80℃和100℃下的提取率進行了考察，結果表明，隨著提取溫度從40℃增加到80℃，目標化合物的提取率也顯著增加，繼續升高溫度到100℃，提取率變化不大。因此，提取溫度設定為80℃。

在80℃提取溫度下，考察了單次靜態提取時間（1， 2， 4和6 min）對提取率的影響。提取時間從1 min延長到4 min，提取率也顯著提高； 繼續延長提取時間，提取率變化不大。表明單次萃取在4 min內可達平衡。

3.2 衍生條件的優化

二元酸的衍生方法可分為烷基酯化法以及硅烷化法兩類。烷基酯化法[1]通常在三氟化硼的醇溶液中衍生，衍生反應完成后通過液液萃取提取純化衍生產物，然后進樣分析。硅烷化方法[7]使用硅烷化試劑衍生，衍生完成后可直接進樣分析。含1% TMCS的BSTFA是最廣泛使用的硅烷化衍生試劑。考慮到烷基酯化法步驟繁瑣，相對誤差較大，本研究選擇1% TMCS的BSTFA進行硅烷化衍生。

考察了4種二元酸在30， 50， 60， 80及100℃溫度下衍生90 min后色譜峰面積。結果表明，60℃時的衍生反應產物具有較大的色譜峰面積。溫度降低，峰面積減小，可能由于反應速率較慢，反應不完全； 溫度升高，衍生效率也有微小的下降，可能是高溫加速了副反應的產生。因此，本研究的衍生溫度選擇為60℃。

在60℃下，考察了0， 30， 60， 90及120 min等衍生時間對衍生產物峰面積的影響。結果表明，衍生30 min后，各化合物衍生產物的色譜峰面積已趨于穩定，因此，選擇衍生時間為30 min。

3.3 方法的線性范圍和檢出限

采用本方法測定4種二元酸， 結果見表1。由表1可知，4種二元酸在0.2～20 ng/

SymbolmA@ L進樣濃度范圍內具有良好的線性關系； 檢出限（LOD）在0.04～0.14 ng/m3之間； 方法定量限（LOQ）在0.15～0.47 ng/m3之間，測定的相對標準偏差小于11%。

3.4 PM2.5實際樣品分析

在優化的條件下對氣溶膠實際樣品進行了檢測。圖2為質譜全掃描模式下得到實際樣品的總離子流色譜圖，保留時間結合標準譜圖對照進行定性分析。對一張收集有2.2 mg PM2.5樣品的濾膜，3次平行測定的定量分析結果列于表2中。由表2可知，方法對實際樣品測定的相對標準偏差在4.6%～11.7%之間，重復性較好。對另一張收集有1.6 mg PM2.5樣品的濾膜，加標前后的定量分析結果及計算的方法相對回收率列于表3。由表3可知，方法測定實際樣品的回收率在105.4%～118.0%之間，準確度較高，適合大氣顆粒物中二元酸的分析。

4 結 論

將-PLE應用于大氣細粒子中極性化合物的提取，結合硅烷化衍生以及GC-MS分離分析，建立了大氣細粒子中4種二元酸的定量分析方法。方法測定實際樣品的相對標準偏差小于12%，相對回收率在105.4%～118.0%之間，方法定量限低于0.5 ng/m3， 適合大氣細粒子中二元酸的定量分析。

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