微池加压溶剂提取—气相色谱—质谱法定量测定大气细粒子中的二元酸

郝亮　吴大朋　关亚风

摘 要 建立了微池加压溶剂提取（-PLE）-气相色谱-质谱测定大气细粒子中4种二元酸（丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸）的分析方法。采用滤膜采集PM2.5样品，甲醇为溶剂，在80℃、8 MPa压力下-PLE静态提取两次，每次5 min，再用100 L甲醇冲洗一次，得到约500 L提取液； 氮气吹干后，60℃硅烷化衍生30 min，衍生物加内标后，直接采用GC-MS进行定量分析。本方法测定加标滤膜中的4种常见二元酸，在0.2～20 ng/L进样浓度范围具有良好的线性，方法定量限为（按S/N=10计）0.15～0.47 ng/m3，回收率为92%～122%，相对标准偏差2.6%～11.8%。对大连星海湾大气PM2.5样品中丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸的定量检出结果分别为64.6、50.0、41.8和20.2 ng/m3。

关键词 大气细粒子； PM2.5； 水溶性有机物； 二元酸； 微池加压溶剂提取

1 引 言

大气细粒子中二元酸的定量分析对于研究大气细粒子成核机理[1～3]，理解气溶胶、云雾和气候之间关系，以及追踪颗粒物来源[4，5]具有重要意义。目前，颗粒物中二元酸的主要测定方法是气相色谱-质谱（GC-MS）法。由于二元酸极性大、沸点高，而且易被颗粒基质紧密包裹、结合，在分析前必须进行提取和衍生。常用的样品前处理方法[6～8]多采用超声辅助溶剂萃取，后进行衍生。这些方法存在着溶剂用量大，处理时间长的局限。本实验室曾报道了-PLE提取大气颗粒物中正构烷烃[9]以及多环芳烃[10]的方法。但尚未有用此技术提取大气颗粒物中极性化合物的报道。本研究采用-PLE技术和硅烷化衍生方法，建立大气细粒子中强极性二元酸的GC-MS定量分析方法。与常规的提取方法相比，本方法提取速度快， 样品及溶剂用量少，浓缩快速，且受溶剂中微量杂质的影响小。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

-PLE装置示意图如图1所示。主要由LC-20AD高压液相泵（日本岛津公司）、VICI十通阀（瑞士Valco仪器有限公司）、100 L定量管、小体积不锈钢萃取池（10 mm×4.6 mm， i. d.， 容积200 L）、萃取池加热体（加热速度100℃/min）和温度控制器等组成； 萃取池包括萃取池压帽、不锈钢筛板、聚四氟乙烯过滤膜、密封垫、样品池、萃取池套筒等部件，详细描述参见文献＼[11＼]； QP2010SE气相色谱质谱联用仪（日本岛津公司）； ZR3930-PM2.5采样器（青岛众瑞智能仪器有限公司）。

甲醇（HPLC级，美国Tedia公司）； N，O-二-（三甲基硅烷基）-三氟乙酰胺（BSTFA，上海EKEAR生物技术有限公司）和三甲基氯硅烷的混合溶液（TMCS，Aladdin上海化学试剂有限公司）。4种二元羧酸（丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸）（分析纯，北京化工厂）。

SymbolmA@ -PLE装置示意图： a. 萃取； b. 收集提取液。

2.2 二元酸加标滤膜的制备

配制1 mg/mL二元酸甲醇标准贮备溶液； 使用时用甲醇逐级稀释。

实际PM2.5滤膜样品经-PLE反复加压溶剂提取处理，60℃恒温干燥后得到保留有颗粒物却基本消除了其上所携带的有机物的滤膜，以此作为加标滤膜的基体。在基体上添加标准溶液后，4℃储存24 h后进行GC-MS分析。

2.3 PM2.5样品采集

采样地点位于大连星海湾大连化学物理研究所生物楼楼顶距离地面15 m（38°53′N， 121°37′E）； 样品收集在直径47 mm玻璃纤维滤膜上，采样前玻璃纤维滤膜于500℃焙烧4 h，以除去可能吸附的有机污染物； 样品采集24 h，采样流量16.7 L/min。采集的样品用铝箔包裹后放入玻璃样品瓶中于-4℃贮存。

2.4 样品前处理

2.4.1 提取 取1/4样品滤膜放入样品池中，密封提取池。液相泵泵入溶剂加压，加热装置加热至所设温度。提取完成后，切换十通阀阀位，辅助载气将提取液转移到小样品瓶中。转移过程中，淋洗液也被推动流过提取池和管路（动态提取），同时提取池出口的聚四氟乙烯滤膜完成对提取液的过滤。转移完成后，切换十通阀，开始下一轮提取循环，辅助载气可同时对样品瓶中提取液进行氮吹。

2.4.2 衍生 向已氮吹至干的小样品瓶中加入5 -L含1% TMCS的BSTFA衍生试剂和35 -30 min。反应完成后取出冷却，加入10 L 10 g/mL 1，3，5-三氯苯异辛烷溶液作为内标，进样0.4 -L， 进行GC-MS分析。

2.4.3 GC-MS分析 SE-54色谱柱（30 m×0.25 mm i.d.×0.5 m）； 进样口： 280℃； 载气： 氦气； 恒流： 1 mL/min； 不分流进样； 进样量： 0.4 L； 升温程序： 初始温度80℃，保持2 min，20℃/min升至280℃，保持5 min。质谱传输线温度： 280℃； 离子源温度： 240℃； 溶剂延迟： 6 min。

3 结果与讨论

3.1 提取条件的优化

低碳数的二元酸在纯水和甲醇中均能很好溶解，但高碳数二元酸在甲醇中的溶解度较纯水更好。另外，考虑到甲醇挥发性大，易于蒸发浓缩，因此本研究选择甲醇作为提取剂。

在6～12 MPa范围对压力进行考察，压力设定值高于12 MPa时，随温度升高，提取池容易发生泄漏； 在6～10 MPa范围，压力对提取率没有影响。很多加压溶剂提取的研究[12，13]表明： 在加压溶剂提取过程中，萃取压力的作用仅限于高温下保持溶剂在液体状态。因此本研究将提取压力设定为8 MPa，此压力足以使所用溶剂在提取温度下保持液态，且提取池不易发生泄漏。

在80℃下，对样品连续静态萃取3次，每次提取5 min。分别测定每次萃取液中目标组分的含量。结果表明： 第一次萃取的二元酸总量占总萃取量的50%，前两次萃取的二元酸的含量占总萃取量的91%。因此确定每个提取循环静态提取两次，再用100 L甲醇冲洗一次。

根据加压溶剂提取的原理，提取温度对提取效率影响较大。对40℃， 60℃， 80℃和100℃下的提取率进行了考察，结果表明，随着提取温度从40℃增加到80℃，目标化合物的提取率也显著增加，继续升高温度到100℃，提取率变化不大。因此，提取温度设定为80℃。

在80℃提取温度下，考察了单次静态提取时间（1， 2， 4和6 min）对提取率的影响。提取时间从1 min延长到4 min，提取率也显著提高； 继续延长提取时间，提取率变化不大。表明单次萃取在4 min内可达平衡。

3.2 衍生条件的优化

二元酸的衍生方法可分为烷基酯化法以及硅烷化法两类。烷基酯化法[1]通常在三氟化硼的醇溶液中衍生，衍生反应完成后通过液液萃取提取纯化衍生产物，然后进样分析。硅烷化方法[7]使用硅烷化试剂衍生，衍生完成后可直接进样分析。含1% TMCS的BSTFA是最广泛使用的硅烷化衍生试剂。考虑到烷基酯化法步骤繁琐，相对误差较大，本研究选择1% TMCS的BSTFA进行硅烷化衍生。

考察了4种二元酸在30， 50， 60， 80及100℃温度下衍生90 min后色谱峰面积。结果表明，60℃时的衍生反应产物具有较大的色谱峰面积。温度降低，峰面积减小，可能由于反应速率较慢，反应不完全； 温度升高，衍生效率也有微小的下降，可能是高温加速了副反应的产生。因此，本研究的衍生温度选择为60℃。

在60℃下，考察了0， 30， 60， 90及120 min等衍生时间对衍生产物峰面积的影响。结果表明，衍生30 min后，各化合物衍生产物的色谱峰面积已趋于稳定，因此，选择衍生时间为30 min。

3.3 方法的线性范围和检出限

采用本方法测定4种二元酸， 结果见表1。由表1可知，4种二元酸在0.2～20 ng/

SymbolmA@ L进样浓度范围内具有良好的线性关系； 检出限（LOD）在0.04～0.14 ng/m3之间； 方法定量限（LOQ）在0.15～0.47 ng/m3之间，测定的相对标准偏差小于11%。

3.4 PM2.5实际样品分析

在优化的条件下对气溶胶实际样品进行了检测。图2为质谱全扫描模式下得到实际样品的总离子流色谱图，保留时间结合标准谱图对照进行定性分析。对一张收集有2.2 mg PM2.5样品的滤膜，3次平行测定的定量分析结果列于表2中。由表2可知，方法对实际样品测定的相对标准偏差在4.6%～11.7%之间，重复性较好。对另一张收集有1.6 mg PM2.5样品的滤膜，加标前后的定量分析结果及计算的方法相对回收率列于表3。由表3可知，方法测定实际样品的回收率在105.4%～118.0%之间，准确度较高，适合大气颗粒物中二元酸的分析。

4 结 论

将-PLE应用于大气细粒子中极性化合物的提取，结合硅烷化衍生以及GC-MS分离分析，建立了大气细粒子中4种二元酸的定量分析方法。方法测定实际样品的相对标准偏差小于12%，相对回收率在105.4%～118.0%之间，方法定量限低于0.5 ng/m3， 适合大气细粒子中二元酸的定量分析。

References

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11 GUAN Ya-Feng， LIAN Mei， LI Jin-Xiang， ZHAO Jing-Hong. C.N. Patent， 200610047765.6， 2006

关亚风， 廉 玫， 李金祥， 赵景红. 中国专利， 200610047765.6， 2006

12 Michele M S， Elizabeth M G， Stephen A W. Anal. Chem.， 2012， 84（19）： 8222-8231

13 Ramos L， Vreuls J J， Brinkman U T. J. Chromatogr. A， 2000， 891（2）： 275-286