空气废气中苯并芘采样与检测方法

大气中苯并(a)芘的测定方法

苯并〔a〕芘是多环芳香烃类化合物，又名3，4－苯并芘，简称Bap，分子式C20H12；分子量253.23；沸点475℃；熔点179℃；相对密度1.351。3，4－苯并芘纯品为无色或微黄色针状结晶，在水中溶解度较小，易溶于苯、氯仿、乙醚、丙酮、环己烷、二甲苯等有机溶剂。在苯中溶解呈蓝色或紫色荧光，在浓硫酸中呈桔红色并伴有绿色荧光。3，4－苯并芘是环境中普遍存在的对动物致癌性很强的一种物质，主要是含碳燃料及有机物热解过程中的产物。煤炭、石油等在无氧加热裂解过程中产生的烷烃、烯烃，经过脱氢、聚合，常可产生一定数量的3，4－苯并芘。工厂烟气中的悬浮颗粒物上吸附有3，4－苯并芘，散布在大气，一部分降落到水面和陆地上，从而污染水源和土壤。炼焦、化工、染料等工厂排出的工业废水中以及熏制食品、香烟烟雾中均含有3，4－苯并芘。

3，4－苯并芘对动物具有局部和全身的致癌作用，对猴子反复皮下注射可在局部形成肿瘤，从气管反复滴注可形成肺癌，在小鼠身上涂抹可使小鼠诱发皮肤癌。流行病学调查认为人的肺癌与环境中3，4－苯并芘的含量之间有着极为密切关系。虽然目前各国尚无公认3，4－苯并芘的最高容许浓度，但通过动物试验和现场调查提出了一些建议，例如：

车间空气中3，4－苯并芘最高容许浓度为0.14μg/m3；

居民区大气最高容许浓度为10－3μg/m3。

飘尘上有机物的组分异常复杂，仅其中多环芳烃(简称PAH)就有几百种之多。测定3，4－苯并芘的方法很多，主要是将3，4－苯并芘与其他多环芳烃分开，常用的有柱层、纸层、薄层、气相色谱、高压液相色谱、气质联机等一系列分离体系。其中以气相色谱法分离PAH尤为重要。

利用气相色谱法分离迅速、效能高，再与薄层层析结合起来，可以迅速判断提取物中某些PAH的存在。特别是用毛细管色谱与质谱及核磁共振谱联用，从城市悬浮颗粒物、烟草焦油及汽车废气中，可分离出100多种PAH，极大地发挥了气相色谱的分离效能。

用高压液相色谱法分离PAH比气相色谱法具有以下优点：工作温度低(＜80℃)对被分离的各组分可以完整地收集起来，再进一步的用紫外或荧光光谱分析。色谱柱是十八烷基硅烷(ODS)化学键为固定相。被检样品在注入分离柱前，最好先经过薄层作初步分离，除去其中混杂的烷烃、烯烃、杂环等化合物，以减轻分离柱的负担，此种方法可以和薄层层析联用，是一种快速鉴定PAH较好的方法。

柱层、纸层和薄层层析法，所需设备简单、操作容易，易于掌握和推广。但是，柱层析法和纸层析法所需时间长，分离效果较差，无法排除PAH异构体之间的干扰，使之不能精确定量。为了改进分离效果，可以先经过柱层析，再在乙酰化纸上进行分离。乙酰化纤维素薄层分离同分异构体效果较其他薄层为好。采用两种吸附剂(如氧化铝和40%乙酸的乙酰化纤维素)混合制板，进行双向展开，第一向用正烷＋苯

(9＋1)，第二向用甲醇＋乙醚＋水(4＋4＋1)。这时可以将干扰3，4－苯并芘的几种干扰物分离，进行几种主要PAH的定量测定。

因苯并〔a〕芘是多环芳香烃类化合物，气相色谱-质谱法被广泛采用。执行标准：

1、环境空气苯并[a]芘的测定高效液相色谱法 GB/T 15439-1995 样品采集：崂应2031型智能大流量TSP（PM10）采样器

2、固定污染源排气中苯并（a）芘的测定高效液相色谱法HJ/T 40-1999

样品采集：崂应3012H型自动烟尘（气）测试仪

3、环境空气和废气气相和颗粒物中多环芳烃的测定气相色谱-质谱法 HJ646-2013

空气样品采集：崂应2033B型环境空气挥发性有机物采样仪

废气样品采集：崂应3075型智能烟气有机物采样仪

4、气相和颗粒物中多环芳烃的测定高效液相色谱法 HJ647-2013

备注：“环境空气和废气气相和颗粒物中多环芳烃的测定气相色谱-质谱法 HJ646-2013”此方法被广泛采用。

附录A：高效液相色谱法测定环境空气中苯并芘。

一、高效液相色谱法〔1〕

(一)原理

空气中颗粒物中的多环芳烃被采集在玻璃纤维滤纸上，经索氏提取或真空升华后，用高效液相色谱分离测定，以保留时间定性，峰高或峰面积定量。

(二)仪器

(1)大流量采样器见第十二章第一节总悬浮颗粒物大流量采样称量法。

(2)索氏提取器容量60ml。

(3)升华管见图6－9。

(4)真空升华装置见图6－10。

(5)浓缩器及浓缩瓶见图6-11

(6)微量注射器 10μl、20μl，刻度应校正。

(7)离心机 4000rpm。

(8)离心管 5ml，刻度应校正。

(9)高效液相色谱仪附荧光检测器或紫外检测器。

(三)试剂

(1)玻璃纤维滤纸规格见第十二章第一节总悬浮颗粒物。滤纸需作预处理，方法是将滤纸不重叠地放在高温炉中，经500℃灼烧30min，保存备用。

(2)色谱柱内径4mm，长20cm不锈钢柱，内装YWG－CH型微粒硅胶粒子(10μm)，塔板数为30000/m，柱压不超过5MPa。

(3)苯重蒸馏。

(4)甲醇重蒸馏。

(5)环己烷重蒸馏。

(6)碱性氧化铝 200～300目。

(7)标准溶液取一个10ml棕色容量瓶，准确称量，然后小心加入约10mg苯并〔a〕芘①，再准确称量，两次称量之差即为苯并〔a〕芘质量。加苯溶解并稀释至刻度，计算每毫升溶液中苯并〔a〕芘的含量。然后再用甲醇稀释成1.00ml含100μg苯并〔a〕芘的贮备液。临用时，用甲醇稀释成1.00ml含2μg苯并〔a〕芘的标准溶液。贮于棕色容量瓶中，置冰箱中保存。

(四)采样

采样方法同第十二章第一节中“总悬浮颗粒物大流量采样－重量

法”

(五)分析步骤

1.液相色谱仪测试条件

分析时，应根据液相色谱仪的型号和性能制定能测定苯并〔a〕芘的最佳测试条件。

柱温：室温。

流动相：(3＋1)甲醇＋水。

流动相温度：40℃。

流量：1ml/min。

柱压：4MPa。

检测器：紫外检测器波长254nm。

荧光检测器激发波长 365nm。

荧光检测器发射波长 405nm。

2.绘制标准曲线和测定校正因子

在作样品测定的同时，绘制标准曲线或测定校正因子。

(1)绘制标准曲线将液相色谱仪调至最佳测试条件，如用紫外检测器，可用微量注射器分别吸量1.00ml含100μg苯并〔a〕芘标准溶液5、10、15、20μl注入色谱仪；如用荧光检测器，可用微量注射器分别吸量1.00m1含2μg苯并〔a〕芘标准溶液2、4、6、8、10μl注入色谱仪，得苯并〔a〕芘的色谱峰和保留时间。另取试剂空白溶液作零浓度点的测定，每个浓度重复三次测定，得峰面积或峰高的平均值。以苯并〔a〕芘的含量(ng)为横坐标，峰面积(mm2)或峰高(mm)为纵坐标，绘制标准曲线，并计算回归线的斜率。以斜率倒数作为样品测定的计算因子Bs(ng/mm2或ng/mm)。

(2)测定校正因子在测定的线性范围内，可用单点校正法求校正因子。在样品测定同时，取试剂空白溶液和与样品提取溶液苯并〔a〕芘浓度相接近的标准溶液，按液相色谱的最佳测试条件进行测定，得苯并〔a〕芘的色谱峰和保留时间。重复做三次，得峰面积或峰高的平均值。用下列公式计算校正因子：

式中f——校正因子，ng/mm2或ng/mm；

c s——标准溶液中苯并〔a〕芘含量，ng；

A s——标准溶液平均峰面积或峰高，mm2或mm；

A0——试剂空白溶液平均峰面积或峰高mm2或mm。

3.样品测定

(1)样品提取用索氏提取法或真空升华法。①索氏连续提取法：采样后，取80～100cm2的玻璃纤维滤纸，折叠后放进索氏提取器，加40ml环己烷，于沸水浴中连续提取8h(每小时回流次数不少于10次)。将提取液移至浓缩器中，在70～80℃水浴上减压浓缩至0.5～

1.0ml(不可蒸干)。将浓缩液转移至5ml离心管内，用少量环已烷洗涤浓缩瓶，合并于离心管内，使总体积控制在1.0ml。加入0.5g碱性氧化铝，摇匀，离心5min，取上清液待测。

②真空升华提取法：采样后，取80～100cm2的玻璃纤维滤纸，卷成筒状，放入升华管内。勿使滤纸折叠或堵塞管口，旋紧磨口。接口处用少量石膏浆密封，石膏固化后，将升华管放在管状电炉内，连接气路和真空泵，将管内抽成真空，3～5min后，转动三通活塞4，向管内充氮气，再抽真空、再充氮气，如此重复三次，以除去管内残留的空气。同时，将管状炉升温至300℃，升华40min。此时，可看到黄色的油状物凝集在升华管的毛细管内壁上，为防止升华物被抽走，可在毛细管一端外壁放一小块纱布，裹以冰块冷却。待管状电炉温度下降至室温后，转动三通活塞，使内外气压平衡，关闭真空泵(避免真空泵的油进入管道和真空规中)。取下升华管，旋开磨口，将毛细管的大口朝上，垂直地固定在铁架上。用100μl注射器吸取甲醇，注入毛细管内壁，必要时可用金属丝摩擦管壁，帮助溶解，如此重复多次

冲洗内壁，冲洗液收集于浓缩管中，将洗脱液浓缩至0.1～0.5ml，即为待测样品。

(2)样品分析在液相色谱仪的最佳测试条件下，取1～20μl样品提取液(根据浓度大小决定进样量)注入色谱仪，得色谱峰，以保留时间确认苯并〔a〕芘峰，测定峰面积(mm2)或峰高(mm)，重复做三次，得峰面积或峰高的平均值。

在样品测定的同时，取同样规格及大小的未采样滤纸，按相同的操作步骤作试剂空白测定。

(六)计算

1.用绘制标准曲线法

式中c——空气中苯并〔a〕芘浓度，μg/100m3；

A样品溶液峰面积或峰高，mm2或mm；

A0——试剂空白溶液峰面积或峰高，mm2或mm；

B s——用标准溶液绘制标准曲线得到的计算因子，ng/mm2或ng/mm；V1样品提取溶液的总体积，ml；

V2——注入色谱仪中样品溶液的体积，ml；

S1——滤纸总过滤面积，cm2；

S2——分析时所取滤纸的过滤面积，cm2；

E s——由实验室确定的苯并〔a〕芘平均提取效率；

V0——换算成标准状况下的采样体积，m3。

2.用单点校正法

式中f——用单点校正法得到的校正因子，ng/mm2或ng/mm；

其他符号与上式相同。

(七)说明

(1)检出限和测定范围本法检出限0.1ng(荧光检测器)、10ng(紫外检测器)。用荧光检测器测定范围为0.2～20ng苯并〔a〕芘。如采样体积为1440m3，取1/5滤纸样品，制成溶液总体积为1ml，进样量为10μl，则可测浓度范围为0.007～0.7μg/100m3。

(2)精密度对浓度为0.17～17mg/L的溶液重复测定的相对标准差为9.5%～3.1%。

(3)干扰与排除样品经过预处理以及色谱柱分离，消除了大部分有机物的干扰。

(4)真空升华法和连续提取法各具优缺点。前法操作简单、快速、节省溶剂，可同时提取一组样品，但需要有一定的设备和条件，后法不需要特殊仪器设备，方法简单，提取效率高，易推广；缺点是使用溶剂多，需要增加浓缩这一步骤，提取时间太长。试验证明，这两种方法提取颗粒物中苯并〔a〕芘的回收率都很高，加入5μg苯并〔a〕芘，真空升华法回收率为95%～100%，索氏提取法为96%～108%。(5)3，4－苯并芘是致癌性物质，操作人员要特别注意防护，防止污染。接触3，4－苯并芘溶液时，要带医用橡胶手套，并在专用实验

台上操作，标准溶液要注意保管。测定后的3，4－苯并芘废液应集中起来，统一处理。所用过的玻璃仪器，必须用铬酸钾－硫酸洗液浸泡4h以上，最好浸泡过夜后用水洗净。

(6)色谱条件的选择

①流动相：用甲醇和水调节其不同比例，在每种比例下，变化流量，固定柱温，用萘、联苯、菲、蒽混合样品测量在各种条件下的保留值、柱效和蒽菲的分离度，结果见表6－10。

表6－10 流动相极性、流量变化对多环芳烃保留值、柱效和分离度(菲、蒽)的影响

续表

流动相甲醇和水的比例影响分离组分的保留值、柱效和分离度。如增加甲醇，保留时间减少，柱效和分离度发生变化，这主要是由流动相极性变化所引起的。另外，流量对保留时间、柱效和分离度也有影响，如流量变大，则保留时间减小，柱效降低，分离度下降。因此，对于甲醇和水的比例以及流量均须严格控制恒定。

②柱温：提高柱温能缩短保留时间、增加塔板数(见表6－11)，这是由于温度增高，溶剂粘度减少，增加了溶剂在固定相中的渗透性，所以加快了分离；但温度过高，对低沸点溶剂(如甲醇)易形成气泡析出，影响结果。

表6－11 柱温对保留值、柱效和分离度影响

(7)标准和空气样品的色谱图

标准和空气样品的色谱图示于图6－12、图6－13、图6－14，空气样品测量结果列于表6－12。

表6－12 大气飘尘中多环芳烃含量(ng/m3)

从色谱图上看到，二个环的仅知道萘和联苯，三个环的有蒽、菲二个峰，这在气相谱不易分开，而用液体色谱是可以分开的。四个环的芘和荧蒽基本能分开，和苯并〔a〕蒽是难分离的异构体，此法虽能分开，但不理想。五个环的有苯并〔e〕芘、苯并〔a〕芘和苝是能分开的。

仪器型号用北京分析仪器厂生产的SY01型高压液体色谱仪UV－254检测器得到多环芳烃标准曲线如图6－15。

二、纸层析－荧光分光光度法〔1〕

(一)原理

采集在玻璃纤维滤纸上颗粒物中的多环芳烃，经索氏提取或真空升华后，用苯洗脱浓缩，经乙酰化滤纸层析分离，分离出的苯并〔a〕芘在紫外光照射下呈蓝紫色荧光斑点，用苯洗脱或斑点直接扫描，用荧光分光光度法定量。

(二)仪器

(1)层析缸 5L。

(2)紫外灯附365或254nm滤光片。

(3)具塞比色管 10ml，刻度需校正。

(4)荧光分光光度计用10mm石英比色皿，在激发波长385nm和发射波长400～410nm下测定荧光强度或附薄层扫描装置，用于荧光斑点直接扫描测定荧光强度。

其他仪器同一法(415页)。

(三)试剂

(1)玻璃纤维滤纸同一法(415页)。

(2)苯重蒸馏。

(3)环己烷重蒸馏。

(4)二氯甲烷重蒸馏。

(5)无水乙醇重蒸馏。

(6)乙酰化溶液按150ml苯、50ml乙酸酐和0.1ml硫酸的比例混合配制。

(7)层析滤纸新华牌中速层析滤纸。

(8)展开剂无水乙醇十二氯乙烷，按(2＋1)比例(体积比)配制。

(9)乙酰化滤纸将层析滤纸裁成长27cm、宽15cm。取20张卷成圆筒形，逐张浸入到盛有2000ml乙酰化溶液的烧杯中，滤纸圆筒状中空部分放入一个高10cm，内径6cm玻璃管(防止滤纸在搅拌时被搅破)。将电动搅拌棒置于玻璃柱中心，在(50～55)℃下缓慢搅拌6h，在搅拌浸泡过程中，溶液液面始终保持超出滤纸1cm，并在通风橱中进行。然后，静置浸泡过夜。取出滤纸在通风橱内晾干，再将滤纸逐张放入无水乙醇中浸泡4h以上，取出晾至微干，夹入粗滤纸之间，用玻璃板压平至干备用。经乙酰化处理过的滤纸，对着光线观察，质地应均匀，透明度一致。如质地不均匀，透明度明、暗不一，则不能用于分析。

乙酰化滤纸检验方法：在乙酰化滤纸上分别点3，4－苯并芘、芘、1，2－苯并芘溶液和三种物质的混合液，用乙醇和二氯甲烷(2＋1)为展开剂，展开上升20cm后，在荧光灯下观察，三种物质均分开，3，4

－苯并芘的斑点R f值小于0.10，此滤纸即可供分析使用。

(10)标准溶液贮备液的配制方法同一法，临用时，用苯稀释成1.00ml 含2μg苯并〔α〕芘的标准溶液，贮于棕色容量瓶中，并置冰箱中保存。

(四)采样

采样方法同第十二章第一节中总悬浮颗粒物大流量采样－重量法。

(五)分析步骤

1.样品提取

同一法(415页)。

2.纸层析分离

将空气总悬浮颗粒物样品的提取液定容后，作为纸层析点样待测液。

(1)点样在乙酰化滤纸一端距底边5cm处，用铅笔轻轻划一横线，在横线上点6个样：二个点样品、二个点标准(取10μl标准溶液含0.02μg苯并〔α〕芘)、二个点试剂空白(均为平行双样)。各点间隔2cm。用微量注射器吸量样品提取液，根据苯并〔α〕芘浓度点样10～50μl。在点样过程中用吹风机缓缓送风，促使溶剂挥发，点样斑点直径不应超过5mm，点样速度应缓慢。如需将全部样品点样时，可用玻璃毛细管点样。溶液点完后，可用少量苯洗涤浓缩瓶，并将洗涤液全部点在斑点上。按相同操作步骤点标准溶液和试剂空白溶液。

(2)层析在层析缸中加入适量展开剂，将点完样的层析滤纸悬挂在层析缸中，下端浸入展开剂约5mm，将层析缸用透明胶纸密封并避光，

待溶剂前沿上升至离原点20cm处，取出滤纸，在通风橱中使展开剂自然晾干。然后在暗室内，于365nm紫外光下观察层析纸上苯并〔α〕芘的亮紫色荧光斑点，并用铅笔圈出苯并〔α〕芘标准斑点及与其位置相对应的样品斑点和空白斑点。

(3)洗脱用光亮无锈的剪刀分别剪下层析滤纸上苯并〔α〕芘标准、样品和空白斑点，各放入5ml比色管中，各管准确加入5.00ml苯，加盖，于60～70℃水浴中，不断振摇，浸泡15min，使苯并〔α〕芘转移至苯液中。

3.测定

(1)洗脱液的荧光分光光度测定将标准、样品和空白斑点的苯洗脱上清液分别倒入10mm石英比色皿中，在激发狭缝10nm，激发波长385nm 和发射狭缝5nm，发射波长400，405和410nm的条件下，分别测定荧光强度(mm)。

(2)苯并〔α〕芘荧光斑点直接扫描定量用荧光分光光度计的薄层扫描仪时，将层析纸展开的一面朝下，用透明胶纸将其固定于玻璃板上，放入薄层层析扫描板框座架上，设定激发波长为385nm、入射狭缝

10nm、入射狭缝5nm，发射波长为405nm，以标准斑点调节仪器的负高压和记录器灵敏度，使记录笔的响应值在1/2满量程处。然后在发射波长400、405和410nm处，对标准，空白和样品斑点逐一进行直线或曲线移动扫描，测得每个斑点峰高或峰面积的积分值之和，即为该斑点的荧光强度(mm或mm2)。

(六)计算

1.荧光光度法测定洗脱液或斑点直接扫描标准、空白和样品的相对荧光强度：

式中A——相对荧光强度；

A405——于405nm发射波长处测定的荧光强度；

A400——于400nm发射波长处测定的荧光强度；

A410——于410nm发射波长处测定的荧光强度。

2.空气中苯并〔α〕芘浓度

式中c——空气中苯并〔α〕芘浓度，μg/100m3；

A——样品斑点相对荧光强度，mm2或mm；

A0——试剂空白样品相对荧光强度，mm2或mm；

A s——标准样品相对荧光强度，mm2或mm；

W——标准斑点苯并〔α〕芘含量，μg；

B——样品洗脱定容体积，μl；

D——点样时所取洗脱液体积，μl；

S1——样品滤纸的总面积，cm2；

S2——分析时所取样品滤纸的面积，cm2；

E s——由实验确定的苯并〔α〕芘的平均提取效率；

V0——换算成标准状况下的采样体积，m3。

(七)说明

(1)纸层析法分离－荧光光度法测定苯并〔α〕芘，具有灵敏度高，操作简便，样品便于保存等优点，是目前测定苯并〔α〕芘普遍采用的方法之一，检出限为2ng/5ml。

(2)精密度和准确度对0.58μg苯并〔α〕芘重复测定的相对标准差小于6%；对5μg苯并〔α〕芘的加标回收率为95%～108%。

(3)精确量取10μl混合样品提取物各5份进行纸层析法和薄层层析法比较，测定结果见表6－13，从表中结果可以看出两种方法测定结果基本上是一致的。目视观测纸层分离荧光点分界不清晰，不如薄层法。但制备乙酰化滤纸比较容易。

表6－13 两种分离方法测定飘尘中3，4－苯并芘的比较

三、薄层层析－荧光或紫外分光光度法

(一)原理

采集在玻璃纤维滤纸上颗粒物中的3，4－苯并芘(Bap)，用充氮升华法或连续提取法提取，再经醋酸纤维素薄层层析法分离，分离出的Bap斑点，用苯洗脱，以荧光分光光度法或紫外分光光度法定量。

(二)仪器

(1)薄层涂布器。

(2)薄层层析仪。