高效液相色譜法測定大氣PM2.5中多環(huán)芳烴不確定度分析

李綺藝

（廣東省中山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東中山 528400）

PM2.5是環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5μm的顆粒物。PM2.5能長時間懸浮在空氣中，隨著含量濃度提高，對空氣造成嚴(yán)重污染。近年來，我國加大了環(huán)境監(jiān)測工作力度，對PM2.5的監(jiān)測項目包括多環(huán)芳烴、水溶性離子、金屬及類金屬等。其中，多環(huán)芳烴在PM2.5中的含量低、監(jiān)測種類多，且具有較強的致畸、致癌性，因此成為監(jiān)測工作的一個重點[1]。高效液相色譜法（HPLC）是色譜技術(shù)的典型代表，具有靈敏度高、操作簡單方便、樣品用量少等優(yōu)點，成為檢測PM2.5中多環(huán)芳烴的常用方法[2-3]。不確定度評定，是對測量結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行定量評價的過程，不確定度越小，說明測量結(jié)果的質(zhì)量越高。我國于2012年發(fā)布《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1—2012），成為目前不確定度評定工作的通用標(biāo)準(zhǔn)，在食品、藥品、環(huán)境分析等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。以下對HPLC測定大氣PM2.5中多環(huán)芳烴的不確定度進(jìn)行分析。

1 HPLC測定大氣PM2.5中多環(huán)芳烴的實驗過程

1.1 儀器試劑

環(huán)境空氣顆粒物采樣器、玻璃纖維濾膜、超聲儀、HPLC檢測儀等。多環(huán)芳烴混合溶液標(biāo)準(zhǔn)物（16種）、色譜純乙腈、超純水等。

1.2 采樣與提取

（1）采樣。在某地商業(yè)區(qū)樓頂采樣，高度為15m，采樣時間24h，采樣體積120m3。采樣前后將濾膜放在恒溫恒濕箱中平衡[5]。

（2）多環(huán)芳烴提取。將濾膜剪碎，放在15mL離心管內(nèi)，加入4.5mL乙腈密封；在35℃下超聲處理30min，取出后恢復(fù)至室溫；將上層清液經(jīng)0.45μm的微孔濾膜過濾，收集至進(jìn)樣小瓶中。

1.3 配制標(biāo)準(zhǔn)溶液

（1）中間儲備溶液的配制：取500μL多環(huán)芳烴混合標(biāo)準(zhǔn)溶液置于10mL量瓶中，加入乙腈定容并搖勻，濃度為10mg/L。

（2）標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液的配制：取100μL中間儲備溶液置于10mL量瓶中，加入乙腈定容并搖勻，濃度為100μg/L。

（3）標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的配制：取標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液0.1mL、0.2mL、0.5mL、0.8mL、1.0mL，分別置于10mL量瓶中，加入乙腈定容并搖勻，濃度分別為1ng/mL、2ng/mL、5ng/mL、8ng/mL、10ng/mL。

1.4 色譜條件

色譜柱為CNW Athena PAHs C18柱（250mm×4.6mm，5μm），柱溫30℃，進(jìn)樣體積20μL，流速1.5mL/min。乙腈-水溶液為流動相，采用梯度洗脫，程序是：①0～5min，乙腈為50%；②5～20min，乙腈逐漸升高至100%；③20～28min，乙腈維持100%；④28min后，乙腈降低至50%，保持4min。使用DAD檢測，波長是230nm和254nm，波長變化是：①0～12min，激發(fā)與發(fā)射波長分別是270nm、323nm；②13min，激發(fā)與發(fā)射波長分別是244nm、360nm；③14min，激發(fā)與發(fā)射波長分別是244nm、400nm；④15.2min，激發(fā)與發(fā)射波長分別是280nm、460nm；⑤16min，激發(fā)與發(fā)射波長分別是237nm、385nm；⑥19min，激發(fā)與發(fā)射波長分別是303nm、425nm；⑦32min，激發(fā)與發(fā)射波長分別是280nm、330nm。

1.5 計算方法

大氣PM2.5中多環(huán)芳烴的質(zhì)量濃度ρ1計算見式（1）。

式中，ρ表示提取液中多環(huán)芳烴的質(zhì)量濃度（mg/mL）；V表示提取液體積（mL）；N表示濾膜裁減的數(shù)量（取1/4張則N=4），Vnd表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣總體積（m3）。

2 測定實驗中不確定度的來源

采用魚骨圖進(jìn)行分析，本次測定實驗中的不確定度來源包括：①采樣過程的不確定度，記為ucol。②提取過程的不確定度，記為uext。③標(biāo)準(zhǔn)溶液配制的不確定度，記為ustd。④標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的不確定度，記為ufit。⑤測量重復(fù)性的不確定度，記為uinj。⑥合成相對標(biāo)準(zhǔn)的不確定度，記為u(PAHS)；⑦擴(kuò)展不確定度。

3 測定實驗中不確定度的評定方法

3.1 采樣過程的不確定度評定

3.1.1 采樣流量不確定度ucol1

3.1.2 大氣壓不確定度ucol2

采樣現(xiàn)場大氣壓實測值為101kPa，氣壓計最大允許誤差為±1.0kPa，均勻分布k=，計算得到

3.1.3 采樣溫度不確定度ucol3

采樣現(xiàn)場溫度實測值為20℃，溫度計最大允許誤差為±2.0℃，考慮到現(xiàn)場溫差在10～25℃，按照±7.5℃計算得到

綜上，采樣過程的不確定度

3.2 提取過程的不確定度評定

3.2.1 提取液體積準(zhǔn)確性不確定度uext1

本實驗中，uext1是由移液器移取液體、溫度變化兩方面造成的。①移取4.5mL乙腈，最大允許誤差為0.6%，均勻分布k=，計算得到不確定度為0.0156 mL。②實驗室內(nèi)溫度為26℃，溫差為6℃，乙腈膨脹系數(shù)為0.00137[6]，均勻分布k=，計算得到不確定度為0.0213mL。這兩者結(jié)合，最終得到uext1=0.0059。

3.2.2 提取回收率不確定度uext2

按照色譜條件，對空白濾膜進(jìn)行加標(biāo)回收試驗，濃度均為5ng/mL，以苯并[a]芘、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽為例，平行測定6次，平均值分別是96.5%、96.3%、97.5%。6次測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差SR按式（2）計算。

在提取回收率上，引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度uR、相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel,R，計算公式見式（3），計算結(jié)果見表1。

表1 提取回收率的不確定度計算結(jié)果

綜上，提取過程的不確定度uext計算結(jié)果是：苯并[a]芘為0.0073，苯并[b]熒蒽為0.0072，苯并[k]熒蒽為0.0072。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制的不確定度評定

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ustd1

從說明書中可知，混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中苯并[a]芘、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽的質(zhì)量濃度均是200mg/L，相對擴(kuò)展不確定度為2.19%，擴(kuò)展因子為k=2，計算可得

3.3.2 玻璃量具的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ustd2

本實驗中，玻璃量具主要使用10mL容量瓶、1mL移液器。其中10mL容量瓶的量取體積為10mL（7次），允許誤差為0.02mL，均勻分布k=，計算標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0115，溫度變化引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0474。1mL移液器分別量取0.1mL（2次）、0.2mL（1次）、0.5mL（2次）、0.8mL（1次）、1.0mL（1次）液體，允許誤差分別是0.002mL、0.002mL、0.005mL、0.008mL、0.01mL，均勻分布k=，計算標(biāo)準(zhǔn)不確定 度 分 別 為0.00115、0.00115、0.00289、0.00462、0.00577，溫度變化引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.00047、0.00095、0.000238、0.00380、0.00474。此外，讀數(shù)誤差引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度均為0.00022。根據(jù)這些數(shù)據(jù)結(jié)果，計算得到10mL容量瓶引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.00488；1mL移液器分別量取0.1mL、0.2mL、0.5mL、0.8mL、1.0mL液體，引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0124、0.00746、0.00749、0.00748、0.00747，經(jīng)計算得到ustd2=0.0274。

綜上，標(biāo)準(zhǔn)溶液配制的不確定度

3.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的不確定度評定

本實驗中，以待測物的質(zhì)量濃度為X軸，以色譜峰面積為Y軸，擬合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線后，可以得到線性方程及相關(guān)系數(shù)[7-8]。其中，苯并[a]芘的線性方程是y=4.555x-0.2621，相關(guān)系數(shù)是0.9996；苯并[b]熒蒽的線性方程是y=1.5108x+0.0653，相關(guān)系數(shù)是0.9997；苯并[k]熒蒽的線性方程是y=11.706x-0.5424，相關(guān)系數(shù)是0.9995。ufit的計算公式如下。

式中，SR表示標(biāo)準(zhǔn)曲線的剩余標(biāo)準(zhǔn)差；a表示標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距；b表示標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率；p表示實際樣品測定次數(shù)，取值為1；n表示標(biāo)準(zhǔn)曲線中濃度點個數(shù)，取值為5；ρx表示實際樣品中多環(huán)芳烴的質(zhì)量濃度（ng/mL）；ρi表示標(biāo)準(zhǔn)曲線各點的質(zhì)量濃度（ng/mL）；表示系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液平均質(zhì)量濃度，取值5.2ng/mL；yi表示標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜峰面積。計算ufit結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的不確定度計算結(jié)果

3.5 測量重復(fù)性的不確定度評定

樣品溶液重復(fù)測定6次，計算質(zhì)量濃度均值，其中苯并[a]芘為3.27ng/mL，苯并[b]熒蒽為7.75ng/mL，苯并[k]熒蒽為6.58ng/mL。這6次測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差s計算公式見式（6）。

在測量重復(fù)性上，引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度uinj、相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel,inj，計算公式見式（7），計算結(jié)果見表3。

表3 測量重復(fù)性的不確定度計算結(jié)果

3.6 合成相對標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評定

以上不確定度沒有關(guān)聯(lián)，先計算合成相對標(biāo)準(zhǔn)的不確定度urel(PAHS)：

再計算標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(PAHS)，結(jié)果見表4。

表4 多環(huán)芳烴的不確定度計算結(jié)果

3.7 擴(kuò)展不確定度評定

按照95%的置信區(qū)間，取包含因子k=2，計算得到擴(kuò)展不確定度是：苯并[a]芘為0.0384ng/m3，苯并[b]熒蒽為0.0544ng/m3，苯并[k]熒蒽為0.0596ng/m3。根據(jù)式（1）得到大氣PM2.5中苯并[a]芘、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽的質(zhì)量濃度，最終測量結(jié)果 為（0.486±0.0384）ng/m3、（1.16±0.0544）ng/m3、（0.987±0.0596）ng/m3。

4 結(jié)語

采用HPLC法測定大氣PM2.5中的多環(huán)芳烴是一種可行的技術(shù)方案，測定結(jié)果的不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合兩個環(huán)節(jié)。分析認(rèn)為，空氣中的多環(huán)芳烴含量小，HPLC檢測時的色譜峰面積小，造成的誤差較大。對此，應(yīng)從環(huán)境、設(shè)備、技術(shù)等方面加強管理，延長色譜柱的平衡時間，盡量增大色譜峰面積，增加標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的點數(shù)，對量具進(jìn)行檢定。通過減少誤差進(jìn)一步提高測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。