高效液相色譜法測定大氣PM2.5中多環芳烴不確定度分析

李綺藝

（廣東省中山生態環境監測站，廣東中山 528400）

PM2.5是環境空氣中空氣動力學當量直徑≤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，對空氣造成嚴重污染。近年來，我國加大了環境監測工作力度，對PM2.5的監測項目包括多環芳烴、水溶性離子、金屬及類金屬等。其中，多環芳烴在PM2.5中的含量低、監測種類多，且具有較強的致畸、致癌性，因此成為監測工作的一個重點[1]。高效液相色譜法（HPLC）是色譜技術的典型代表，具有靈敏度高、操作簡單方便、樣品用量少等優點，成為檢測PM2.5中多環芳烴的常用方法[2-3]。不確定度評定，是對測量結果的質量進行定量評價的過程，不確定度越小，說明測量結果的質量越高。我國于2012年發布《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準，在食品、藥品、環境分析等領域應用廣泛[4]。以下對HPLC測定大氣PM2.5中多環芳烴的不確定度進行分析。

1 HPLC測定大氣PM2.5中多環芳烴的實驗過程

1.1 儀器試劑

環境空氣顆粒物采樣器、玻璃纖維濾膜、超聲儀、HPLC檢測儀等。多環芳烴混合溶液標準物（16種）、色譜純乙腈、超純水等。

1.2 采樣與提取

（1）采樣。在某地商業區樓頂采樣，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）多環芳烴提取。將濾膜剪碎，放在15mL離心管內，加入4.5mL乙腈密封；在35℃下超聲處理30min，取出后恢復至室溫；將上層清液經0.45μm的微孔濾膜過濾，收集至進樣小瓶中。

1.3 配制標準溶液

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

（2）標準儲備溶液的配制：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）標準工作溶液的配制：取標準儲備溶液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，激發與發射波長分別是270nm、323nm；②13min，激發與發射波長分別是244nm、360nm；③14min，激發與發射波長分別是244nm、400nm；④15.2min，激發與發射波長分別是280nm、460nm；⑤16min，激發與發射波長分別是237nm、385nm；⑥19min，激發與發射波長分別是303nm、425nm；⑦32min，激發與發射波長分別是280nm、330nm。

1.5 計算方法

大氣PM2.5中多環芳烴的質量濃度ρ1計算見式（1）。

式中，ρ表示提取液中多環芳烴的質量濃度（mg/mL）；V表示提取液體積（mL）；N表示濾膜裁減的數量（取1/4張則N=4），Vnd表示標準狀態下的采樣總體積（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標準溶液配制的不確定度，記為ustd。④標準曲線擬合的不確定度，記為ufit。⑤測量重復性的不確定度，記為uinj。⑥合成相對標準的不確定度，記為u(PAHS)；⑦擴展不確定度。

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

采樣現場溫度實測值為20℃，溫度計最大允許誤差為±2.0℃，考慮到現場溫差在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實驗室內溫度為26℃，溫差為6℃，乙腈膨脹系數為0.00137[6]，均勻分布k=，計算得到不確定度為0.0213mL。這兩者結合，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，對空白濾膜進行加標回收試驗，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次測定結果的標準偏差SR按式（2）計算。

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

表1 提取回收率的不確定度計算結果

綜上，提取過程的不確定度uext計算結果是：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 標準溶液配制的不確定度評定

3.3.1 標準物質的相對標準不確定度ustd1

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

3.3.2 玻璃量具的相對標準不確定度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=，計算標準不確定度為0.0115，溫度變化引起的標準不確定度為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=，計算標準不確定 度 分 別 為0.00115、0.00115、0.00289、0.00462、0.00577，溫度變化引起的標準不確定度分別為0.00047、0.00095、0.000238、0.00380、0.00474。此外，讀數誤差引起的相對標準不確定度均為0.00022。根據這些數據結果，計算得到10mL容量瓶引入的相對標準不確定度為0.00488；1mL移液器分別量取0.1mL、0.2mL、0.5mL、0.8mL、1.0mL液體，引入的相對標準不確定度為0.0124、0.00746、0.00749、0.00748、0.00747，經計算得到ustd2=0.0274。

綜上，標準溶液配制的不確定度

3.4 標準曲線擬合的不確定度評定

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

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

表2 標準曲線擬合的不確定度計算結果

3.5 測量重復性的不確定度評定

樣品溶液重復測定6次，計算質量濃度均值，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次測定結果的標準偏差s計算公式見式（6）。

在測量重復性上，引入標準不確定度uinj、相對標準不確定度urel,inj，計算公式見式（7），計算結果見表3。

表3 測量重復性的不確定度計算結果

3.6 合成相對標準的不確定度評定

以上不確定度沒有關聯，先計算合成相對標準的不確定度urel(PAHS)：

再計算標準不確定度u(PAHS)，結果見表4。

表4 多環芳烴的不確定度計算結果

3.7 擴展不確定度評定

按照95%的置信區間，取包含因子k=2，計算得到擴展不確定度是：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]熒蒽的質量濃度，最終測量結果 為（0.486±0.0384）ng/m3、（1.16±0.0544）ng/m3、（0.987±0.0596）ng/m3。

4 結語

采用HPLC法測定大氣PM2.5中的多環芳烴是一種可行的技術方案，測定結果的不確定度主要來源于標準溶液配制、標準曲線擬合兩個環節。分析認為，空氣中的多環芳烴含量小，HPLC檢測時的色譜峰面積小，造成的誤差較大。對此，應從環境、設備、技術等方面加強管理，延長色譜柱的平衡時間，盡量增大色譜峰面積，增加標準工作曲線的點數，對量具進行檢定。通過減少誤差進一步提高測定結果的準確性。