CN112858446A - 一种大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取和分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取和分析方法，首先通过二氯甲烷超声提取大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物，超声后提取液过0.45μm滤膜，氮气吹干后定容，运用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪结合大气压光致电离源在正离子模式下采用直接进样方式进行分析测定。相较于传统的GC‑MS分析方法在细颗粒物的分析测定中常常会忽略分子量大、低挥发性和不挥发性的多环芳烃，本方法可提供快速、简便的多环芳烃及其衍生物的测定，为大分子多环芳烃及其氧化和硝化衍生物的定量和毒性效应研究提供技术支持，同时通过对大气气溶胶中多环芳烃尤其是一些被忽略的难挥发大分子部分，有助于全面判断和综合评估多环芳烃对人类健康的危害。

Description

一种大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取和分析方法
技术领域
本发明属于大气持久性有机污染物检测领域，涉及一种大气细颗粒物中多环芳烃(PAHs)(包括七环及以上的大分子多环芳烃)及其衍生物(氧化OPAH和硝化NPAH衍生物)的提取并通过高分辨质谱傅里叶变换离子回旋共振质谱仪串联大气压光致电离源进行分析测定。
背景技术
多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs)是指由两个或两个以上的苯环以链状、角状或串状构成的稠环有机化合物。具有持久性、生物累积性、半挥发性、内分泌干扰效应、部分具有致癌、致畸、致突变效应，被国际癌症研究机构(InternationalAgency for Research on Cancer,IARC)列为可能的人类致癌物。PAHs是大气中丰度最高的一类有毒有机污染物，华北地区大气中PAHs的平均浓度是220±14ng/m3。已有相关研究表明PAHs的吸入会导致肺癌患病率的增加、男性精液质量降低以及DNA损伤。毒理学研究也表明，颗粒物对癌症相关转录通路的干扰效应就是由其中的PAHs引起的。苯并芘因为其高致癌性以及广泛存在于环境中，常被用来作为人类PAHs暴露的指示标志物。大气中的PAHs主要来源于矿石燃料和生物质的不完全燃烧，因此PAHs的来源较为广泛可以来源于家庭、工业、运输、意外燃烧源以及自然过程，其中人为源被认为是主要来源。
PAHs的衍生物也受到越来越多的关注，如氧化的(OPAH)和硝化的(NPAH)多环芳烃，因为它们的细胞毒性、免疫毒性和致癌性，其中由于其直接作用的致突变性尤为引人注意。PAHs的衍生物主要来源于燃烧过程的一次排放。另外，PAHs可在空气中与大气氧化剂(例如OH，NO3，N2O5和O3)发生均相或非均相反应，生成OPAH和NPAH。一些研究发现大气细颗粒物的弱极性提取物(可能含有OPAH和NPAH)比非极性化合物提取物(含有 PAHs)有更高的直接诱变性，表明NPAH和OPAH在大气环境中可能带来更多的毒性危害比 PAHs。但是相较于PAHs，它们的氧化和硝化衍生物可获得的信息仍然比较少。
PAHs及其衍生物对大气环境的致癌性和致突变性具有显著的贡献，同时PAHs在燃烧过程中痕量产生，可作为燃料燃烧的示踪剂和一些大气气溶胶反应过程的分子标志物。因此， PAHs及其衍生物是大气环境中一类非常受关注的有毒污染物。对于PAHs的浓度、分布及来源的研究已经有很多，并且美国环保署EPA列出16种需优先控制的多环芳烃在大气中的浓度通常为1-30ng/m3之间，然而这些PAHs仅占大气细颗粒物的0.1％。仍然存在多种PAHs，例如大分子PAHs及氧化和硝化的PAHs，未被检测出，在常规的GC-MS分析测试中这些物质因其难挥发或不挥发常常被忽略掉，同时这些未被检测出的PAHs的毒性效应未知。傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)因其具有超高分辨能力、高质量准确度、高扫描速度等性能，已经被广泛应用于石油成分分析、生命科学蛋白大分子结构测定、催化反应监控与产物分析等研究中。FT-ICR MS在大气细颗粒组分研究中也具有广阔的应用前景，可以提供更为全面的有机化合物组分和结构信息，为探索一次气溶胶和二次气溶胶不同组分发生的大气化学反应机制提供数据支持。
发明内容
本发明拟通过FT-ICR MS高分辨质谱技术拓宽大气细颗粒物中芳香性化合物的检测范围，在分子水平上探究大气细颗粒物中的多环芳烃及其衍生物的分布特征和结构信息。为大气细颗粒物中毒性有机物的筛查提供新方法。研究表征大气细颗粒物中的多环芳烃尤其是大分子多环芳烃和它们的氧化和硝化衍生物，有助于全面判断和综合评估多环芳烃对人类健康的负面影响。
本发明的目的是提供一种大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取和分析方法，这种方法可对一些大分子量的多环芳烃及多环芳烃的氧化和硝化衍生物进行检测，与常规的 GC-MS靶向分析方法相比，该方法的前处理简便、快速，同时FT-ICR MS的高质量准确性和高分辨特性使化合物的检测范围更广泛更全面，为多环芳烃(大分子量)及其衍生物的定量和毒性响应评估提供前提技术支持。
本发明提供的一种大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取和测定方法，包含以下步骤：
1)、将采样滤膜放置于离心管中，加入二氯甲烷或甲苯，超声萃取30～40min，提取大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物，得到超声提取液；
2)、将步骤1)得到的超声提取液过0.45μm有机滤膜去除多余的杂质后，在30～40℃下氮吹30～40min，用甲醇/甲苯溶液定容到1mL，-80～-20℃下保存，得到多环芳烃及其衍生物的提取液(定容溶液)；
3)、通过傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(15T FT-ICR MS)结合大气压光致电离源(APPI)在正离子模式下采用直接进样方式对步骤2)得到的多环芳烃及其衍生物的提取液进行分析测定。
基于以上技术方案，优选的，步骤1)中，大气细颗粒物质量与采样滤膜的面积的比例关系为4mg:3-10cm2，以确保有机物的浓度在mg/mL数量级，如果有机物的浓度过高或过低会使FT-ICR MS总离子流(TCD)强度偏高或偏低，从而导致离子化效率低的有机化合物电离效果差，损失信息。
基于以上技术方案，优选的，步骤1)中，所述离心管为玻璃离心管，防止二氯甲烷或甲苯溶解容器使样品受到污染。
基于以上技术方案，优选的，步骤2)中，所述甲醇/甲苯溶液中，甲醇和甲苯的体积比为1:1。多环芳烃及其衍生物是通过APPI电离源进行离子化，甲苯作为掺杂剂能够促进质子转移电荷交换反应，从而提高检测的灵敏度。
基于以上技术方案，优选的，步骤3)的具体过程为：将APPI电离源(大气压光致电离源)串联到15T FT-ICR MS(傅里叶变换离子回旋共振质谱仪)上，再将步骤2)得到的定容溶液(多环芳烃及其衍生物的提取液)30～50μL注入电离源，设定离子采集范围，调节电离源的电压、干气温度和离子累计时间后，谱图多次叠加采集。
基于以上技术方案，优选的，步骤3)中，测试分析仪器及参数设定为：
傅里叶变换离子回旋共振质谱仪：磁场强度15.0T；
电离源：APPI电离源；
扫描模式：正离子模式，全谱扫描；
进样方式：直接进样方式，进样速度2.0～3.0μL/min，离子源电压为1500V，干气温度为220℃，离子累积时间为0.2～0.5s，质量采集范围为150～1000Da，每张质谱图扫描50～ 200次以提高响应强度。
基于以上技术方案，优选的，步骤1)中，所述采样滤膜为石英纤维滤膜或玻璃纤维滤膜。
基于以上技术方案，优选的，步骤2)中，所述有机滤膜为尼龙滤膜或聚四氟乙烯滤膜。
本发明的优点与积极效果为：
(1)本发明提供了一种快速、简便的大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取方法，尽可能全面的保留芳香性化合物，避免在繁琐的前处理过程中毒性组分的流失。
(2)本发明基于FT-ICR MS检测大气细颗粒物中的芳香性化合物，由于其具有高分辨率、和高准确性可以极大的拓宽化合物的检测范围，可以检测出GC-MS常规质谱在测定过程中常常忽略的大分子多环芳烃及其衍生物。
(3)本发明以APPI电离源在正离子模式下对大气颗粒物中有机物进行电离，其为软电离方式(不会对有机物的结构进行破坏)并适用于电离弱极性(OPAH和NPAH)和非极性(PAH)的化合物，为多环芳烃(大分子多环芳烃)及其衍生物的定量分析和毒性评估提供技术支持。
相较于传统的GC-MS分析方法在细颗粒物的分析测定中常常会忽略分子量大、低挥发性和不挥发性的多环芳烃，本发明可提供快速、简便的多环芳烃(包括七环及以上的大分子多环芳烃)及其衍生物(氧化和硝化衍生物)的测定，为大分子多环芳烃及其氧化和硝化衍生物的定量和毒性效应研究提供技术支持，同时通过对大气气溶胶中多环芳烃尤其是一些被忽略的难挥发大分子部分，有助于全面判断和综合评估多环芳烃对人类健康的危害。
附图说明
图1为本发明实施例中多环芳烃及其衍生物的FT-ICR MS高分辨质谱图及不同质量峰匹配的化合物分子式。
图2为本发明实施例中测定出多环芳烃化合物分子的组成及结构图。
图3为本发明实施例中测定出多环芳烃硝化衍生物(OPAH)的分子组成及结构图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
下述实施例中测试分析仪器及参数设定为：
傅里叶变换离子回旋共振质谱仪：Bruker公司solariX型FT-ICR MS；磁场强度15.0T；
电离源：APPI电离源；
扫描模式：正离子模式，全谱扫描。
实施例1
大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取，剪取采样滤膜(石英纤维滤膜)3-10cm2(约4mg大气细颗粒物质量)放于15ml的玻璃离心管中，加入5ml的二氯甲烷，超声萃取40min，过0.45μm的尼龙滤膜，在35℃下氮吹过滤液近干(30-40min)，最后甲醇与甲苯(1:1v/v)定容到1ml，保存在-20℃的冰箱中待测。取多环芳烃及其衍生物的提取液(定容溶液)30～50μL注入电离源，利用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS)串联大气压光致电离源(APPI)在正离子模式下对大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物进行测定，采取直接进样方式，进样速度为2.0μl/min，在正离子模式下，毛细管电压为1500v，飞行时间为0.6s，干气温度为220℃，离子累积时间为0.2s，有机化合物的质量采集范围为150-1000Da，每张质谱图多次叠加(200次)以提高信燥比(Signal to noise,S/N)。然后通过DataAnalysis对有机物的分子式进行匹配。多环芳烃及其衍生物的确定，根据多环芳烃及其衍生物的分子式对其结构进行推测。
图1展示FT-ICRMS测定有机化合物的高分辨质谱图，在253-25.25Da之间共匹配出10 个化合物分子式，其中包括CHO类、CHON类和CH类化合物。
图2呈现了CH类化合物的碳原子数随DBE值的变化特征，以及根据碳原子数的DBE值确定CH类化合物的结构特征。含N的取代物的化合物的元素组成为CHO2N1，带有DBE≥5 的化合物被认为是硝基取代的芳香性化合物，大气细颗粒物中含N的芳香性化合物DBE值分布范围分别为4-16。
图3展示了芳香性CHO2N1化合物在不同DBE值下可能存在的分子式的结构式。
本发明建立了快速、简便的大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取分析方法。并通过FT-ICR MS高分辨质谱技术串联APPI软电离源，从分子水平上解析大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的分布特征和结构信息，为大气细颗粒物中大分子多环芳烃及其衍生物的定量和毒性效应评估提供技术支持，有助于全面判断和综合评估多环芳烃对人类健康的危害。
对比例
大气细颗粒物中的多环芳烃(PAHs)测定常采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)，首先通过索氏抽提提取颗粒物中的PAHs，提取时间至少16h。然后将提取物旋转蒸发浓缩，最后加入回收率内标，混匀，定容后上机测定。使用GC-MS对颗粒物中的PAHs进行测定，使用氦气作为载气，调节恰当的GC炉温程序，在电子轰击模式下进行检测，对18种多环芳烃(包括萘，苊烯，苊，芴，菲，蒽，荧蒽，芘，苯并(a)蒽，䓛，苯并(b)荧蒽，苯并(j)荧蒽，苯并(k)荧蒽，苯并(a)芘，苯并(e)芘，茚并(1,2,3-cd)芘，二苯并(a,h)蒽，苯并(g,h,i)苝)进行定量分析。而对于一些大分子量、低挥发性或不挥发性的多环芳烃，在GC-MS检测中常常被忽略。
相较于CG-MS方法测定大气细颗粒物中的多环芳烃，本方法具有以下优点：(1)前处理简便、快速，尽可能全面的保留芳香性化合物，避免在繁琐的前处理过程中毒性组分的流失；(2)由于FT-ICR M具有高分辨率、和高准确性可以极大的拓宽化合物的检测范围，可以检测出GC-MS常规质谱在测定过程中常常忽略的大分子多环芳烃及其氧化和硝化衍生物衍生物(OPAH和NPAH)。

Claims (8)

1.一种大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物的提取和分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、将采样滤膜放置于离心管中，加入二氯甲烷或甲苯，超声萃取30～40min，提取大气细颗粒物中多环芳烃及其衍生物，得到超声提取液；
2)、将步骤1)得到的超声提取液过0.45μm有机滤膜后，在30～40℃下氮吹30～40min，用甲醇/甲苯溶液定容到1mL，-80～-20℃下保存，得到多环芳烃及其衍生物的提取液；
3)、通过傅里叶变换离子回旋共振质谱仪结合大气压光致电离源在正离子模式下采用直接进样方式对步骤2)得到的多环芳烃及其衍生物的提取液进行分析测定。
2.根据权利要求1所述的提取和分析方法，其特征在于：步骤1)中，大气细颗粒物质量与采样滤膜的面积的比例关系为4mg:3-10cm2。
3.根据权利要求1所述的提取和分析方法，其特征在于：步骤1)中，所述离心管为玻璃离心管。
4.根据权利要求1所述的提取和分析方法，其特征在于：步骤2)中，所述甲醇/甲苯溶液中甲醇和甲苯的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述的提取和分析方法，其特征在于：步骤3)的具体过程为：将大气压光致电离源串联到傅里叶变换离子回旋共振质谱仪上，再将步骤2)得到的多环芳烃及其衍生物的提取液30～50μL注入电离源，设定离子采集范围，调节电离源的电压、干气温度和离子累计时间后，谱图多次叠加采集。
6.根据权利要求1或5所述的提取和分析方法，其特征在于：步骤3)中，测试分析仪器及参数设定为：
傅里叶变换离子回旋共振质谱仪：磁场强度15.0T；
扫描模式：正离子模式，全谱扫描；
进样方式：直接进样方式，进样速度2.0～3.0μL/min，离子源电压为1500V，干气温度为220℃，离子累积时间为0.2～0.5s，质量采集范围为150～1000Da，每张质谱图扫描50～200次。
7.根据权利要求1所述的提取和分析方法，其特征在于：步骤1)中，所述采样滤膜为石英纤维滤膜或玻璃纤维滤膜。
8.根据权利要求1所述的提取和分析方法，其特征在于：步骤2)中，所述有机滤膜为尼龙滤膜或聚四氟乙烯滤膜。
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