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(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(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準,在食品、藥品、環(huán)境分析等領域應用廣泛[4]。以下對HPLC測定大氣PM2.5中多環(huán)芳烴的不確定度進行分析。
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)芳烴混合溶液標準物(16種)、色譜純乙腈、超純水等。
(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,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)中間儲備溶液的配制:取500μL多環(huán)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。
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(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。
大氣PM2.5中多環(huán)芳烴的質量濃度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(tài)下的采樣總體積(m3)。
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。
3.1.1 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
3.2.1 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。
3.3.1 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
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(huán)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
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
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(huán)芳烴的不確定度計算結果
按照95%的置信區(qū)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。
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(huán)節(jié)。分析認為,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,應從環(huán)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。