多环芳烃衍生物检测分析方法研究进展

Research Progress on Detection and Analysis Methods of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Derivatives

摘要: 多环芳烃(PAHs)衍生物是新兴的环境污染物，分布范围广，浓度低，检测难度大。鉴于此，基于国内外研究成果，针对PAHs衍生物的样品采集、样品预处理和样品分析进行了梳理和总结。样品采集包括气相样品采集、固相样品采集和液相样品采集。样品预处理有索氏萃取法、超声波萃取法和加压溶剂萃取法。样品分析方法主要有气相色谱质谱联用法(GC-MS)、气相色谱串联质谱法(GC-MS/MS)、二维气相色谱串联质谱法(GC × GC-MS/MS)和液相色谱串联质谱法(LC-MS/MS)。GC-MS、GC-MS/MS和GC × GC-MS/MS主要用于非极性或弱极性的小分子PAHs衍生物，LC-MS/MS主要用于高极性的大分子PAHs衍生物。本文旨在为提高PAHs衍生物检测的便捷性、精确性和可靠性提供依据，促进PAHs衍生物的系统研究以及汽车、移动源等排放法规的制定。

Abstract: Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) derivatives are emerging environmental pollutants characterized by a wide distribution, low concentration, and significant difficulty in detection. Therefore, this paper sorted out and summarized the sample collection, sample pre-treatment and sample analysis of PAH derivatives based on the research findings over the worldwide. Sample collection includes gas phase sample collection, solid phase sample collection, and liquid phase sample collection. Sample pre-treatment include soxhlet extraction method, ultrasonic extraction method, and pressurized solvent extraction method. The main methods for sample analysis include gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), gas chromatography tandem mass spectrometry (GC-MS/MS), two-dimensional gas chromatography tandem mass spectrometry (GC × GC-MS/MS), and liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). GC-MS, GC-MS/MS, and GC × GC-MS/MS are mainly used for non-polar or weakly polar small-molecule PAHs derivatives, while LC-MS/MS is mainly used for highly polar large-molecule PAHs derivatives. This paper aims to provide a basis for improving the convenience, accuracy, and reliability of PAHs derivatives detection, thereby facilitating systematic research on PAHs derivatives and formulating emission regulations for automobiles, mobile sources and other sources.

1. 引言

多环芳烃(PAHs)衍生物为母体多环芳烃结构中氢原子被化学官能团(如：硝基、羰基、烷基、卤代基等官能团)取代所形成的有机化合物，具有持久性强、难降解和生物毒性高等特点，是一种新兴的环境污染物，已被国内学者们广泛关注。硝基多环芳烃(NPAHs)和含氧多环芳烃(OPAHs)是环境中PAHs衍生物的两种主要存在形式。NPAHs和OPAHs的一次来源主要是化石燃料的不完全燃烧和热解，如：工业排放、垃圾焚烧、交通排放、生物质燃烧以及自然火灾等[1] [2]。其二次来源主要是环境中母体PAHs与氧化剂(OH、NO₃、N₂O₅等)发生气相或多相反应而形成[3]。环境中典型的NPAHs主要有2-硝基萘(2-Nitronaphthalene)、2-硝基芴(2-Nitrofluorene)、9-硝基蒽(9-Nitroanthracene)和9-硝基菲(9-Nitrophenanthrene)等；典型的OPAHs主要有1-萘甲醛(1-Naphthaldehdye)、9-芴酮(9-Fluorenone)、9,10-蒽醌(9,10-Anthraquinone)和苯并蒽酮(Benzanthrone)等。

PAHs衍生物在环境中的分布范围较广，可分布在大气、水、土壤等多种环境介质中，即使在南极地区的大气颗粒物中仍然可检测出NPAHs等PAHs衍生物[4]。由于硝基和含氧官能团的存在，PAHs衍生物具有较高的氧化性和极性，以及相比于母体PAHs更强的毒性、致癌性和致突变作用[2]。NPAHs的致癌性可达其母体PAHs的10倍，致突变性可达其母体PAHs的10⁵倍[5]。OPAHs有助于活性氧的产生，导致氧化应激反应，破坏细胞氧化还原平衡，引发人体过敏性疾病和细胞凋亡[6]。另外，相关研究还指出，环境中PAHs衍生物的浓度远低于母体PAHs，属于痕量水平。这一现象得到了Wei等[7]在广东清远对大气PM_2.5样品测试结果的证实，其结果显示大气PM_2.5中NPAHs和OPAHs的浓度比其母体PAHs低约2~3个数量级。

PAHs衍生物的检测分析过程通常包括样品采集、样品预处理和样品分析三部分，如图1所示。然而，由于PAHs衍生物的分布范围广，储存介质多样，且浓度低，属于痕量水平，均对其检测分析过程提出了严苛的要求。发展准确、高效的检测分析方法已成为研究PAHs衍生物生成和演化过程的关键。鉴于此，本文基于样品采集、样品预处理和样品分析三个方面的研究进展进行梳理和总结，旨在为PAHs衍生物的检测分析提供依据，以便提高检测分析过程的便捷性、精确性和可靠性，促进PAHs衍生物生成机理、环境行为的全面系统研究与评价以及排放法规(汽车排放法规、移动源排放法规等)的制定。

Figure 1. PAHs derivatives detection and analysis process

图1. PAHs衍生物检测分析过程

2. 样品采样

样品采集是污染物排放检测分析过程的重要组成部分，直接影响污染物浓度检测的准确性。在环境中，依据环境介质的差异，PAHs衍生物的样品采集方法主要分为气相样品采集(大气、燃烧废气等)、固相样品采集(土壤、植物等)、液相样品采集(河流、湖泊等)三种方法。

2.1. 气相样品采集方法

气相样品采集方法主要针对环境大气以及汽车、发动机、垃圾焚烧、生物质燃烧等产生的燃烧废气进行PAHs衍生物采样，通常采用主动采样法。图2为大气中PAHs衍生物采样方法。在大气采样中，通常分别采用石英滤膜采集颗粒相PAHs衍生物、聚胺脂泡沫(PUF)采样管采集气相PAHs衍生物。采集过程中，石英滤膜和PUF采样管依次装入采样头中，并依据实验标准通过采样主机设置采样流量等参数，采集时间通常在8~24小时，该时间可根据采集地点PAHs衍生物浓度进行调整。同时，还需实时记录采集过程中的环境温度、大气压力、流量、采集时间等试验数据。利用该方法，国内外学者已针对典型环境大气开展了一系列研究工作。例如：Li等[8]以石英滤膜为采样介质利用TH-150A型悬浮微粒采样器对济南重污染区域大气中颗粒相NPAHs和颗粒相OPAHs进行了采集，并分析了两类污染物浓度的季节变化情况。Marwan等[9]利用大体积空气采样器分别以特氟龙玻璃纤维滤纸和PUF为采样介质，针对道路隧道和城市中心区域大气中的颗粒相NPAHs和气相NPAHs进行了采样和分析。高颖[10]使用TH-150A型悬浮微粒采样器以石英滤膜为介质对大气中颗粒相NPAHs和颗粒相OPAHs进行了采集，并分析了两类污染物在夏季和冬季的浓度、组成、来源以及致癌风险。

Figure 2. Sampling methods for PAHs derivatives in the atmosphere

图2. 大气中PAHs衍生物采样方法

图3为燃烧废气中PAHs衍生物采样方法。采样过程中，首先在稀释器中采用氮气对燃烧废气进行稀释，降低燃烧废气的温度和污染物浓度，以保证采样的可靠性和准确性；然后，稀释废气在真空泵的作用下依次流经颗粒相采集装置和气相采集装置，从而实现对颗粒相PAHs衍生物和气相PAHs衍生物的采样，颗粒相采集装置中通常以石英滤膜为采集介质，气相采集装置中通常以PUF采样管为采集介质。采集过程中流量、温度、压力等参数均可通过流量计进行调节。Cao等[11]以比例采样系统(Proportional Sampling System)作为稀释器，分别采用石英滤膜和PUF采样管对18辆柴油卡车尾气中的颗粒相和气相NPAHs进行了采集和检测，并分析了实际道路测试中的柴油卡车NPAHs排放特性。赵彤等[12]以稀释通道作为稀释器，采用石英滤膜在简易瞬态工况下对54辆在用汽油车尾气颗粒相NPAHs进行了采样与测量，并分析了不同类型在用汽油车颗粒相NPAHs的浓度水平和影响因素。

Figure 3. Sampling method for PAHs derivatives in combustion exhaust gas

图3. 燃烧废气中PAHs衍生物采样方法

2.2. 固相样品采集方法

固相样品采集主要是针对土壤、植物等进行PAHs衍生物采样。图4为固相样品中PAHs衍生物采集方法示意图。对于土壤样品，通常利用铁锹、土钻等工具在采样点表层0~5 cm深度进行采样收集；对于草本植物，采用剪刀、小刀等在植株基部剪断，收集整株植物，且需避免土壤等杂物混入；对于苔藓、地衣等，采用镊子轻取进行采集。然后，采集到的固相样品再经过冷冻干燥、压碎研磨和大小筛选处理过程，制成可用于化学仪器分析的测试样品。另外，在样品采集过程中，每个采样点均需进行多次重复采集，以提高评价结果的准确性和稳定性。Wei等[13]利用不锈钢铲对南极、北极和青藏高原地区表层深度0~5 cm的土壤和植被进行了样品采集，并分析了PAHs衍生物的浓度、组分特征和潜在来源。Qi [14]等使用不锈钢铲对山东半岛城区、郊区、野外等区域土壤(深度0~5 cm)进行采样，研究了土壤中PAHs衍生物的时空变化和传输过程。

Figure 4. Schematic diagram of the collection method of PAHs derivatives in solid phase samples

图4. 固相样品中PAHs衍生物采集方法示意图

2.3. 液相样品采样方法

液相样品采集过程如图5所示。采样点的设置需考虑水体区域、深度等因素，确保采集的水样具有代表性和准确性。通常，采样点位于水面0.5 m深度以下，且河流一般选择线性均匀布置，大面积水域选择区域性均匀布置。布置好采样点后，将采水器(如：XY-QCC10型采水器等)取样管置于预定深度的采样点进行水样采集。采集过程中，需避免搅动水底沉积物，防止水样被污染。采集完成后，将水样转移至棕色玻璃瓶中，并在4℃以下密封保存备用。Kong等[15]通过对太滆运河水体进行采样，检测分析发现运河水中NPAHs浓度可高达235 ng/L。Zhang等[16]在黄河三角洲水域对16种NPAHs和7种OPAHs进行了采样测试，发现总NPAHs和OPAHs浓度分别为0.64~9.0 ng/L和7.2~81 ng/L。

Figure 5. Schematic diagram of liquid sample collection method

图5. 液体样品采集方法示意图

3. 样品预处理

样品预处理的目的主要是富集浓缩目标组分并降低基质干扰，同时将其转移至合适的检测介质中。合理的预处理方法能够显著提升分析结果的灵敏度、准确度和可靠度[17]。如表1所示，目前主要的PAHs衍生物样品预处理方法有索氏萃取法[18]、超声波萃取法[19]、加压溶剂萃取法[20]等。另外，SPME (固相微萃取)和SBSE (搅拌棒吸附萃取)技术在PAHs衍生物样品预处理中有着强大潜力，但目前应用较少，研究尚不充分。

Table 1. Sample pretreatment methods

表1. 样品预处理方法

\	索氏萃取法	超声波萃取法	加压溶剂萃取法
萃取温度	60℃	25℃~40℃	100℃~150℃
萃取压力	常压	常压	高压
萃取时间	8~12 h	15~30 min	5~10 min
溶剂消耗	多	少	少

3.1. 索氏萃取法

索氏萃取是一种常见的环境污染物分离提取方法，如图6所示。首先，含有PAHs衍生物的检测样品置于提取管中。然后，利用电热恒温水浴锅(~60℃)对烧瓶中的低沸点有机溶剂(如：CH₂Cl₂)进行加热蒸发，蒸汽经蒸汽导管接触冷凝管后冷凝为液体滴入提取管中，液体溶剂浸入样品进行萃取目标组分。当提取管中溶剂液面达到一定高度时，含有目标组分的溶剂由虹吸管虹吸回流至烧瓶。得到的萃取液可进一步利用旋转蒸发浓缩器进行浓缩定容，以备后续检测分析。已有多位学者[8] [10] [21] [22]利用索氏萃取法对PAHs衍生物进行了分离提取和检测分析。该方法操作简便、分离效率高(>90%)，但萃取时间长(8~12 h)、有机溶剂消耗大[23]。

Figure 6. Soxhlet extraction

图6. 索式萃取法

3.2. 超声波萃取法

超声波提取是一种利用超声波的空化作用、机械振动、热效应等多级效应实现PAHs衍生物快速进入溶剂的提取方法。首先，将适量含有PAHs衍生物的样品放入离心管中，并加入适量溶剂密封后置于超声波萃取机中。通常，溶剂与样品的液固比介于10:1~20:1 (mL/g)之间。然后，在25℃~40℃水温下超声萃取15~30 min。超声萃取结束后，萃取液需经脱水、过滤、浓缩和定量处理，以备后续检测分析。Cao等[11]利用超声波萃取法对柴油车排放的NPAHs进行了分离提取和测试分析，并发现柴油车行驶工况对NPAHs排放具有显著影响。丘秀珍等[24]利用超声波萃取法分析比较了CHOH₂与CH₂Cl₂作为溶剂对大气悬浮颗粒物中NPAHs提取率的影响，结果发现，以CHOH₂为溶剂的提取率明显好于CH₂Cl₂。

3.3. 加压溶剂萃取法

加压溶剂萃取法能够利用溶剂在高温和高压下的低粘度、高渗透性、强溶解能力等性质对固体、半固体样品中的有机物进行快速提取[25]。该方法溶剂消耗量少，提取速度快。

加压溶剂萃取过程主要包括样品制备、加标与装池、萃取参数设置、收集与浓缩等四部分。样品制备：样品经冷冻干燥、研磨后，与硅藻土或无水硫酸钠均匀混合，以去除水分并分散样品。加标与装池：定量称取所需的已制备样品，并加入定量的菲-d10、屈-d12等替代物，并转移至萃取池中，填充均匀并密封。萃取参数设置：将萃取池装入加压溶剂萃取仪，并设置仪器参数。通常，温度为100℃~150℃、压力为10~15 MPa，溶剂为C₆H₁₄-CH₃COCH₃ (1:1)或CH₂Cl₂-CH₃COCH₃ (1:1)，静态萃取时间5~10 min，冲洗体积60%~100%的萃取池体积，氮气吹扫60~120 s。收集与浓缩：采用旋转蒸发仪对收集到的萃取液进行浓缩，并采用正己烷等溶剂进行定容。Ringuet等[26]以二氯甲烷为溶剂，利用加压溶剂萃取法提取了巴黎交通枢纽区域和郊区的颗粒相PAHs衍生物，并分析了它们的昼夜变化以及来源。

4. PAHs衍生物分析方法

环境样品中的PAHs衍生物浓度低，基质干扰大，对分析仪器灵敏度要求高。因此，PAHs衍生物的检测分析主要采用色谱与质谱联用技术[17]。如表2所示，目前常用的PAHs衍生物分析方法主要有气相色谱质谱联用法(GC-MS)、气相色谱串联质谱法(GC-MS/MS)、二维气相色谱串联质谱法(GC × GC-MS/MS)和液相色谱串联质谱法(LC-MS/MS)。其中，GC-MS、GC-MS/MS、GC × GC-MS/MS主要用于易挥发、分子量小、热稳定、非极性或弱极性的PAHs衍生物的检测分析，LC-MS/MS主要用于极性高、分子量大、热不稳定和难挥发的PAHs衍生物的检测分析。除此之外，高分辨质谱(HRMS)是推动非目标筛查与未知物鉴定发展的核心驱动力，但目前在PAHs衍生物检测分析中应用较少，研究尚不充分。

Table 2. PAHs derivative analysis methods

表2. PAHs衍生物分析方法

\	GC-MS	GC-MS/MS	GC × GC-MS/MS	LC-MS/MS
灵敏度	中等	高	极高	高
选择性	中等	高	极高	高
定性能力	一般	好	极好	好
应用范围	一般基质，较高含量	复杂基质，痕量	极度复杂基质，超痕量	复杂基质，痕量

4.1. 气相色谱质谱联用法(GC-MS)

GC-MS主要由气相色谱仪(GC)和质谱仪(MS)组成，综合了气相色谱的高效分离能力和质谱的高灵敏度定性分析能力。检测分析过程中，一般采用脉冲不分流进样；由于PAHs衍生物含有高电负性原子(O, N)，通常采用负化学电离源(NCI)，离子源温度设定为150℃，电离能量为160 eV；溶剂延迟时间一般为4 min；色谱升温程序采用多阶缓慢升温，以确保不同沸点的PAHs衍生物均能得到良好分离。定性分析采用对比待测物与标准品的保留时间进行判断，并可进一步结合质谱图库检索，实现双重确认，保证定性结果的准确性。定量分析可采用内标法或外标法。

Zhang等[27]采用GC-MS对济南郊区、砣矶岛、泰山大气环境样品中的16种NPAHs和7种OPAHs进行了定量检测，并分析了它们的浓度、来源以及气粒分配特性。Bandowe等[28]利用GC-MS对土壤样品中的4种NPAHs和15种OPAHs进行了定量检测，并分析了热带城市(曼谷市)与温带城市(布拉迪斯拉发市、哥德堡市)土壤中PAHs衍生物的差异。赵彤[21]使用GC-MS对在用车尾气排放的PAHs衍生物进行了检测，并计算了NPAHs和OPAHs的排放因子。上述研究均证实了GC-MS能够较好地对PAHs衍生物进行定性和定量检测。

4.2. 气相色谱串联质谱法(GC-MS/MS)

相比于GC-MS，GC-MS/MS在PAHs衍生物检测分析方面具有更高的灵敏度、分辨率、选择性和定量能力。其基本原理与GC-MS类似，主要区别在于质谱部分。GC-MS/MS的质谱部分为二级质谱(MS/MS)。检测过程中，首先，通过第一级质谱从电离后的目标物碎片粒子中筛选出特定的碎片离子作为母离子；然后，在碰撞室中将母离子与惰性气体(He、Ar等)进行碰撞诱导裂解产生子离子，并利用第二级质谱对子离子进行收集与分析，获得目标物的二级质谱谱图[29]。Li等[8]采用GC-MS/MS检测了大气悬浮颗粒物中的16种NPAHs和5种OPAHs，结果表明该方法能够较好地分离多种PAHs衍生物，并具有较好的回收率和检测精度。

4.3. 二维气相色谱串联质谱法(GC × GC-MS/MS)

为了进一步解决复杂样品中痕量PAHs衍生物难于分离的问题，在GC-MS/MS的基础上提出了灵敏度更高、选择性更强、定性和定量更加准确的GC × GC-MS/MS。该方法是将分离机理不同而又相互独立的两根色谱柱(通常，一根为非极性或弱极性色谱柱，一根为极性色谱柱)通过调制器进行串联。待测样品经第一根色谱流出的所有物质由调制器进行富集，并再次进样至第二根色谱柱进行二次分离，从而实现更完全的分离，并提高气相色谱的分辨率和峰容量。然后，再利用二级质谱得到待测样品质谱谱图，并进行定性和定量分析。Fushimi等[30]针对柴油机排气颗粒物样品开发了PAHs衍生物的GC × GC-MS/MS检测方法，该方法的OPAHs和NPAHs检测限分别低至0.04~0.2 pg和0.03~0.1 pg，且灵敏度高于其他检测方法1~2个数量级，完全满足柴油机排气颗粒物等样品中痕量PAHs衍生物的定性与定量检测分析。

4.4. 液相色谱串联质谱法(LC-MS/MS)

LC-MS/MS是通过将液相色谱(LC)的高效分离能力与二级质谱(MS/MS)的高灵敏度和高特异性检测能力相结合的分析技术。检测分析过程中，首先，液相色谱利用不同PAHs衍生物组分在固定相和流动相之间分配平衡的差异，从而实现高效分离。通常，极性强的PAHs衍生物组分先流出，极性弱的PAHs衍生物组分后流出。然后，分离流出后的组分进入串联的二级质谱，得到待测PAHs衍生物的质谱谱图。利用该方法能够有效地针对高极性、大分子、难挥发的PAHs衍生物进行定性与定量检测。Nyiri等[19]通过对LC-MS/MS检测方法进行优化和调整，在大气颗粒相NPAHs检测中达到了相比其他研究更低的检测限(10~83 pg/m³)和定量限(83~167 pg/m³)，进一步证明了LC-MS/MS在大分子PAHs衍生物检测分析中的优势。

5. 结论

PAHs衍生物在环境中分布十分广泛，并具有持久性强、毒性高、难降解等特征，已成为国内外学者关注的热点研究领域。鉴于此，本文针对PAHs衍生物的样品采集、样品预处理和样品分析方法进行了梳理和总结，以便为检测流程简化、检测精度提升、标准化检测流程制定等提供依据，促进该类污染物生成机理、环境行为的系统性研究以及排放法规(汽车排放法规、移动源排放法规等)的制定。

1) 依据PAHs衍生物样品的赋存形式，其采集方法主要分为气相样品采集、固相样品采集和液相样品采集。气相样品采集主要针对环境大气以及汽车、发动机、生物质燃烧等产生的燃烧废气；固相样品采集主要针对土壤、植物等固态介质；液相样品采集主要针对河流、湖泊等液态水样。

2) PAHs样品预处理主要有索氏萃取法、超声波萃取法和加压溶剂萃取法。索氏萃取法操作简便、分离效率高，但萃取时间长、溶剂消耗大。超声波萃取法和加压溶剂萃取法溶剂消耗量少，提取速度快，但操作过程复杂、工作条件要求高、易受干扰。

3) PAHs衍生物分析方法主要有GC-MS法、GC-MS/MS法、GC × GC-MS/MS法和LC-MS/MS法。GC-MS、GC-MS/MS和GC × GC-MS/MS主要适用于易挥发、热稳定、非极性或弱极性的小分子PAHs衍生物，LC-MS/MS主要适用于极性高、热不稳定和难挥发的大分子PAHs衍生物。

NOTES

^*通讯作者。