（分析化学专业论文）辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究.pdf

摘要 摘要 多环芳烃( p a h s ) 和多氯二苯并- p - 二恶英呋喃( p c d d f s ) 是典型的两 大类持久性有机污染物。这些化合物一经产生，可以通过干湿沉降沉积到河 流沉积物中。由于河流沉积物是地球表层生态重要组成部分，它与上覆水体 相互日j 存在频繁的交换作用。被污染的沉积物可能成为潜在的二次污染源。 因此，河流沉积物持久性有机污染物的研究具有重要的理论和实际意义。 本论文参考美国e p a 标准方法，利用液相色谱程序荧光方法和高分辩 气相色谱高分辩质谱方法对辽宁省辽河流域表层沉积物中1 6 种优控多环芳 烃以及二噫英类化合物进行了的测定，并对结果进行了分析，同时讨论了其 在辽河沉积物中的分布特征、毒性当量浓度以及束源。辽河沉积物中总p a h s 含量介于2 7 8 1 4 7 9n g g ，平均值为2 8 5 5 n g g 。大辽河沉积物中总p a h s 含 量介于2 6 7 9 - 9 2 1 2 n g g ，平均值为2 2 3 8 n g g 。总p a h s 含量最高点为$ 2 4 ( 鞍 山市三岔河铁路大桥南) 9 2 1 2 n g g ，最低点为s 4 ( 铁岭市双井子乡关家砣子 $ , - i ) 2 7 8 n g g 。各沉积物检出的多环芳烃中蒽、菲，芴组分含量较高。荧蒽，芘， 茚并 1 ，2 ，3 - c d 芘2 7 6 的比值显示，辽河流域表层沉积物中p a h s 主要为燃烧 来源。 辽河表层沉积物p c d d f s 总含量为1 3 7 5 - - 4 8 5 5n g k g ，总毒性当量浓 度为0 1 7 4 - - 1 4 8 8 8 t a g 嗜。与r 本、欧美水体沉积物相比，大多数采样点沉 积物p c d d f s 属于背景值的水平。沉积物中2 ，3 ，7 ，8 t c d d 、1 , 2 378 p e c d d 、 2 ，3 , 4 ，7 ，8 p e c d f 及1 , 2 ，3 , 4 ，7 ，8 - h x c d f 对毒性当量的贡献较大。主成分分析和 聚类分析的结果表明大多数的辽河采样点沉积物中p c d d f s 主要柬源于大 气沉降，个别污染严重的采样点可能有点污染源。 关键词：辽河流域，表层沉积物，二咏英，多环芳烃，高分辨气相色谱高分 辨质谱，高效液相色谱 a b s t r a c t a b s t r a c t m i ny a n g ( a n a l y t i c a lc h e m i s t r y ) d i r e c t o rb yp r o f j i p i n gc h e na n dy u w e nn i b e c a u s eo ft h eh i g hr a t i oo fh e a v yi n d u s t r ya n dn e g l e c to fp r o t e c t i o n ，l i a or i v e r h a sb e c o m eo n eo ft h em o s tp o l l u t e dr i v e r si nc h i n a h o w e v e r , t od a t e ，n o d e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nt h ep o l l u t i o no fp o p so ft h i sa r e ah a sb e e np e r f o r m e d i n t h i ss t u d y , 3 0s u r f a c es e d i m e n t sw e r es a m p l e df r o mt h eb a s i na l lo v e rt h e l i a o n i n gp r o v i n c e t h r o u 叠hl a b o r a t o r ya n a l y s i s ，r e s u l t s o np o p sr e s i d u e s i n c l u d i n g16e p ap a h s 8 7p c d d f si nc o l l e c t e ds a m p l e sw e r eo b t a i n e d i ti s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e rt or e p o r to nt h es a m p l i n gc a m p a i g n s ，a n a l y t i c a lm e t h o d s ， a sw e l la sa n a l y t i c a lr e s u l t s t h et o t a lc o n c e n t r a t i o n so fp a h sr a n g e df r o m1 2 9n g gt o1 4 8 7n g go fd r y w e i g h ti nt h el i a oh es e d i m e n t s ，w h i l er a n g e df r o m2 6 7 9n g gt o9 2 12 n g gi nt h e d a l i a oh e t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n so fp a h so c c u r r e da ta ns h a n ( n 4 0 0 0 5 9 2 7 1 ，e 1 2 20 2 4 8 9 0 ) 9 2 1 2 n g g ，a n dt h el o w e s ta tt i el i n g ( n4 2 ”l8 2 4 5 ， e 1 2 3 ”4 7 7 3 l ) 2 7 8 n g g c o m p a r e dw i t ht h et o t a lc o n c e n t r a t i o n so f p a h so f o t h e r r i v e r si ot h ew o r l d t h ed e g r e eo fc o n t a m i n a t i o no fl i a oh er i v e rb yp a h si sl o w w h i l em o d e r a t e h i g hi nd a l i a oh er i v e r s p e c i f i cc o m p o u n d so rg r o u p so fp a h s h a v eb e e nu s e da sm o l e c u l a rm a r k e r st od i f i e r e n t i a t ep e t r o g e n i ca n dp y r o g e n i c o r i g i n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i ns o u r c e so fp a h si nl i a or i v e rb a s i na r e p y r o l y t i ci n p u ts u c ha ss u c ha sc o m b u s t i o no fc o a l ，w o o d a n d p e t r o g e n i c c h e m i c a l s n 比t o t a lc o n c e n t r a t i o n so fp c d d f si nt h ec o l l e c t e ds e d i m e n t sf r o ml i a oh e r i v e rr a n g e df r o m1 3 7 5n g 。k g t o4 8 5 5n g 。k 9 1 ( d r y ) w h o t e qo fp c d d f s i nt h es e d i m e n t sr a n g e df r o m0 1 7 4n g 。k g “t o1 4 8 8 8n g k g 。( d r y ) t h ed e g r e eo f c o n t a m i n a t i o no fl i a ol i eg i v e rb vp c d d f si s1 0 w m o d e r a t e t h ec o n g e n e r p a t t e r n sf o a n di nm o s ts u r f a c es e d i m e n t sa d p e a rt ob et h er e s u l to fa t m o s p h e r i c d e p o s i t i o n i ns o m eh e a v i l yp o l l u t e ds i t e s i ts h o w e di n d u s t r i a i s o u r c e si s r e s p o n s i b l ef o rt h ep r e s e n c eo f t h e s ec o m p o u n d s k e y w o r d s ：p o p s ，p a h s ，p c d d s ，h r g c h r m s ，h p l c p f d ，l i a or i v e r b a s i n ，s u r f a c es e d i m e n t s 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 引言 随着工业化进程的加快和人类文明的进步，人们的生活条件得到了极大 的提高。但是，不能忽视的是随之而来的环境污染问题，特别是危害极大的 持久性有机污染物( p e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s ，p o p s ) 的污染问题 1 2 1 。2 0 世纪后期，人们发现有些鱼类的生殖器官始终不能发育成熟，很多动物同体 率增大，雄性退化；人类女性患乳腺癌、子宫癌数量急剧上升；胎儿，婴儿先 天畸形率增加，发育不全和痴呆等病例，这些现象被证明与环境中的p o p s 有 关。除了生贿损害外，p o p s 还是致癌物或可疑致癌物。其中多环芳烃( p a h s ) 和多氯二苯并p 二嗯英呋喃( p c d d f s ) 是最明显的例证。这类化学物质在 环境中降解缓慢，通过水和空气在环境中发生迁移，并通过食物链在生物体 内富集，对全球尘念环境和人体健康构成了严重的威胁，己被认为是继臭氧 层、地球气候变暖之后的第三大地球环境问题p j 。 1 2 多环芳烃( p a h s ) 化合物简介 多环芳烃指分子中有两个或两个以上苯环以线性、角状或簇状排列的稠 环化合物，它们广泛存在于环境中，也是最早被发现和研究的化学致癌物1 4 i 。 本世纪仞，美国环境保护署( e p a ) 所公布的优先污染物中，多环芳烃有1 6 种， 包括萘、二氢苊、苊、芴、菲、蒽、荧葸、芘、苯并【b 】荧蒽、苯并 k 】荧葸， 苯并【a 】芘、茚并【l ，2 ，3 c d 】芘、二苯并 a ，h i 蒽、苯并 g h i 】花，屈。其中，苯并 【a 】芘、荧蒽、苯并【b 】荧葸、苯并【k 】荧葸、茚并【l ，2 ，3 一c d 】芘、苯并【曲i 】花6 种 被世界卫生组织癌预防委员会定为环境总多环芳烃的代表物【5 l 。在我国国家 环保局第一批公缸的6 8 种优先污染物中，多环芳烃有7 种1 6 j 。 2 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 1 2 1 结构和物理化学性质 根据苯环的连接方式，多环芳烃可分为联苯类、多苯代脂肪烃和稠环芳 香烃三类。大部分的多环芳烃不溶于水，辛醇一水分配系数比较高，易溶于苯 类芳香性溶i f 中。随着苯环数量的增力玎，其脂溶性增强，水溶性减弱。矗环 以上的多环芳烃大都是无色或淡黄色的结晶，个别具有深色，熔点及沸点较 高，蒸气压低。它们大多具有大的共轭体系，化学性质稳定，当发生反应时， 趋向保留其共扼体系，通过亲电子取代反应形成衍生物l 。 1 2 2 形成机理及来源 多环芳烃的形成机理很复杂，一般认为主要是石油、煤炭和木材等含碳 氢化合物的不完全燃烧以及在还原气氛中热分解而产生1 8 l 。有机物在高温缺 氧条件下，热裂解产生碳氢自出基或碎片，这些极为活泼的微粒，在高温下 又立即热合成热力学稳定的非取代的多坏芳烃。多环芳烃的来源在很多文献 综述中性i o 】有广泛的讨论。陆尘和水生植物、微生物的生物合成、森林和草 原的天然火灾以及火山活动所形成的多环芳烃构成了多坏芳烃的天然本底 值。如由细菌活动和植物腐烂所形成的土壤多环芳烃本底值为1 0 0 + 1 0 0 0 i + 1 g m g ，淡水湖泊中的本底值为0 o l o 2 5ug ，l 而人类的生产活动产生的多 环芳烃在环境中占主要的地位如碳氢化合物的不完全燃烧，石油炼制中废 物的排放，海上石油的丌发，运输的泄漏，垃圾焚烧，熏制食品等i 川。 1 2 3 积累，迁移及降解 由于多环芳烃不易溶于水，极易附着在固体颗粒上，所以般来说，大 气、水及壤中的大多数多环芳烃处于吸附念，在环境中是不断积累的。它 第一章文献综述 3 们的半衰期少则2 个月，多则几年( 1 ”。大气中的多环芳烃一部分由于发生光 解被降解或者形成另一种形态的多环芳烃；一部分由大气条件和气象条件支 配沉降到水体和土壤中：剩余的多环芳烃被植物和动物所吸收“。在光诱导、 生物积累及生物代谢的变迁过程中，多环芳烃一般转化为酚类、醌类及芳香 族羧酸类物质i i4 1 。微生物的分解代谢是多环芳烃降解的重要途径。一般况， 随着多环芳烃苯环数和辛醇一水分配系数的增大，其降解速率越来越低。光 化学氧化是多环芳烃降解的另一重要途径，不同的多环芳烃对光氧化的灵敏 度是不同的。多环芳烃光解速度常数随光强、温度和湿度的升高而增大【1 5 i 。 1 2 4 多环芳烃的毒性 多环芳烃在其生成、迁移、转化和降解过程中，通过呼吸道、皮肤、消 化道进入人体，极大地威胁着人类的健康。多环芳烃的毒性随1 9 l 表现在 三方面，其一，强的致癌，致突变及致畸效应。其二，对微生物生长的强抑 制作用。其三，多环芳烃经过紫外光照后形成单线态和三线态分子，被激发 的分子将能量传给单线念氧，它能损坏生物膜。 1 3 沉积物中多环芳烃的监测 由于多环芳烃在环境当中存在的浓度一般很低( 痕量、超痕量缴) ，而沉 积物基体复杂，干扰物多，难以直接测定，所以通常必须经过预处理后才可 以进行分析。因此，多环芳烃的监测主要包括以下几个步骤：样品采集、多 环芳烃的提取、净化和浓缩、样品分析。 1 3 1 采样 4 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 水体沉积物采集的办法锄1 主要有两种：一种是直接挖掘的办法，这种方 法适用于大量样品的采集，或者是一般需求样品的采集。另一种是用类似岩 心提取器的采集装置采集，适用于采样量较大而又不相互混淆的样品，用这 种装置采集的样品，还可以反映不同深度层面沉积物的情况。使用会属采样 装置，需要内衬塑料套，以防止会属沾污。对于深水采样，需要有能在船上 操作的机动提取装置，倒出来的沉积物可以分层装入聚乙烯瓶中贮存。采 样时尽量避免使用塑料容器和工具，保证所使用的玻璃仪器经过蒸馏水洗涤， 丙酮或二氯甲烷淋洗干燥。由于几种待测环境有机物在环境中含量只在u g k g 级甚至n g k g 缴，在处理中的任何一点失误都可能造成被测组分的损失 和污染。 采集好的泥样在提取之静，需在室温下自然风干，或通过冷冻干燥器冻 千。分子量较大的多环芳烃沸点一般比较高，采用自然风干法是可行的。但 疋对于小分子多环芳烃柬院，如果采用自然风干法。应该做回收率试验【2 ” 样品在进行提取前，应研磨至1 0 0 目并去除底泥中的植物根系，底栖生物残余 物及其它杂质，并且应在于燥和研磨后尽快进行多环芳烃的提取，以减少损 失。 1 3 2 提取纯化 由于多环芳烃在土壤和河流沉积物中存在的形，奁多种多样土壤和河流 沉积物成分复杂，因此在分析监测土壤和河流沉积物中多环芳烃的含量和分 靠之静样品前处理步骤是关键。发展快速、高效的样品提取纯化方法是分 析化学家们一直追求的目标。 1 3 2 1 提取技术 第章文献综述 5 目前用于土壤和河流沉积物中多环芳烃的前处理方法有索氏提取、超声 波提取、超临界流体萃取、液固搅拌提取、加速溶剂萃取和超声辅助提取1 2 2 1 等 ( 1 ) 索氏提取法( s o x h l e te x t r a c t i o n ) ：是最经典的提取方法。对于固体样品 来晚，采用索氏提取，回收率较高，但是提取时| 日j 较长，操作也相对繁琐 而且溶剂的使用量较大【2 3 1 。几十年末，索式提取技术一直广泛应用于各种样 品基体的提取。其问，也经过几次小的改革：如索式玻璃仪器与 k u d e m a d a n i s h ( k d ) 玻璃仪器结合，或通过与g o l d f i s h 提取器平行处理实 现半自动化。目前一些仪器公司己实现了所有形式索式提取器的自动化，如 s o x t h e r m 型全自动索式提取器可编程并能同时处理六个样品。普通的手工操 作，每个样品需要6 8 d 时，而采用自动索式提取器后，将样品时间缩短为2 小时，蒸馏时间由原来的6 7 分钟缩短为1 分钟左右，大大提高了工作效率。 经美国环保局固体废料办公室( o s w ) 推荐，自动索式提取( s w - - 8 4 6 方法3 5 4 1 ) 已用于土壤、沉积物、污泥和固体废物中有机物提取。 ( 2 ) 超声辅助提取法( u l t r a s o n i ce x t r a c t i o n ，u e ) ：也是一种常用的方法。 超声波提取土壤和河流沉积物中的多环芳烃是美国e p a 推荐的方法之一 ( e p a s w 8 4 6 3 5 5 0 ) ，该方法简单、速度快，有较好的提取回收率f 2 4 l 。 ( 3 ) 固液搅拌：是提取土壤和河流沉积物中的多环芳烃最为简单的方法， 对设备的要求也较低，但回收率与其它方法相比也较低，利用磁力搅拌装罱， 以二氯甲烷或n 。n - - - 甲酰胺( d m f ) 等有机溶剂为萃取剂，在常温下连续搅拌 1 0 h ，就可以完成萃取过程1 2 5 】。 ( 4 ) 微波辅助萃取法( m i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t i o n ，m a e ) ：是指利用微 波加热来加速溶剂对固体样品中目标物的萃取过程。十几年柬，因其具有加 热均匀、选择性和萃取效率高、不破坏被测物质、消耗容积少及无污染等特 6 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 点，在固体样品的预处理中得到广泛的应用。此法可同时处理多个样品，萃 取效率高于索氏提取法而低于超临界流体萃取( s f e ) 。与新技术s f e 和加速溶 剂萃取技术( a s e ) 相比，m a e 的仪器及操作成本低，适用面广【2 ”。 p i n o 等1 2 6 i 通过= 水平因素设计实验对海洋沉积物中多环芳烃的m a e 萃 取条件进行了优化对于3 环以上的多环芳烃其平均回收率为8 5 7 1 0 0 7 3 。b u d z i n s k i 等【2 8 i 研究了土壤和沉积物中水分含量对m a e 萃取效率的 影响，指出适当增加样品中水分含量可以提高萃取效率，在水的质量分数为 2 0 3 0 时萃取效率最高，该方法不需样品干燥步骤，可用于现场湿样分 析。l e t e l l i t e r 等【2 9 】研究了土壤中水分质量分数和颗粒的大小对萃取效率的影 响，发现水分质量分数对细颗粒( “opm ) 和含碳量高的壤颗粒萃取效果影 响不大。而粗颗粒( 4 0 3 0 0pm ) 和含碳量低的颗粒萃取效果影响较大。 ( 5 ) 加速溶剂萃取技术：( a c c e l e r a t e ds o l v e n te x t r a c t i o n ，a s e ) ：是在较高 的温度( 5 0 2 0 0 c ) 和压力( 7 2 lmp a ) 下用溶剂萃耿固体或半固体样品的 新颖的预处理方法。在高温高压下。溶剂的溶解能力增强，大大缩短了提取时 间( 一次萃取一般仅需1 5r a i n ) 。该法还同时具有有机溶剂用量少、萃取效率 高、选择性好、自动化程度高的优点，并且避免了使用超声波萃取所带来的 多次清洗的闯题1 3 0 l 。h u b e a 等1 3 。i 系统地研究y a s e 的各种操作条件对多环芳 烃萃取效率的影响，指出最佳条件是：使用甲苯作为萃取剂，通过3 个静态循 环，萃取时日j 3 1 0m i n ，压力1 5m p a ，在8 0 0 c 和1 4 0o c 条件下两步萃驭。a s e 萃取效率与土壤参数、样品的污染程度以及多环芳烃的物理化学性质有关。 b a r r a l 3 2 等人采用a s e 提取土壤中多环芳烃，以丙酮环已胺( 1 ：1 ) 为萃取剂， 在1 5 0 c ，1 4 m p a 的条件下萃取3 5m i n 萃取液浓缩至5m l 后用h p l c 分析 测定。l i 等1 3 3 i 在超临界流反应器中，以( 正) 己烷为溶剂对土壤中的多环芳 烃进行a s e 提取，经过1 5m i n 的静态萃取，回收率达到7 5 以上。 第一章文献综述 7 ( 6 ) 超临界流体萃取法( s u p e r c r i t i c a lf l u i de x t r a c t i o n ，s f e ) ：上述方法在 萃取多坏芳烃的过程中，大量的杂质也被一同萃取出来，所以通常还需采用 柱色谱等方法进行进一步的纯化才能进行最后的测定这些步骤既费时问又 消耗有机溶剂。s f e 通常采用惰性、高纯、无毒的c 0 2 进行萃取，无溶剂残留， 无需浓缩，从而也不会造成多环芳烃的损失，因此多环芳烃回收率可高达 9 4 9 6 p “。其另一优点是易于控制溶剂强度，易于自动化。其主要缺点 是需要有耐高压的超临界流体萃取设备播3 1 1 。 1 3 2 2 提取技术比较 张玲会掣3 8 】采用g c - m s 检测技术比较了索氏提取法、ue 、m a e 、s f e 等4 种样品预处理技术对固体模拟样品中多环芳烃的提取效果。结果表明， s f e 对1 6 种多环芳烃的总的提取效果比较好，u e 对低沸点的多环芳烃回收率 较低，s f e 对低沸点的多环芳烃萃取效率最高，而m a e 对高沸点的多环芳烃 最有优势。d i e t m a r k n o p p l 3 9 1 等比较了索氏提取法、超声波提取法和液固搅拌 法在土壤样品多环芳烃提取中的回收率，发现4 种提取方法对不同多环芳烃的 提取效率有所不同，以4 种提取方法的平均回收率计，回收率在6 0 到1 0 2 ( 萘和芘) 。b e r s e t t 4 0 】等比较了不同的干燥( 加热、冷冻、化学干燥) 和提 取( 索式、超声、超临界、机械振摇、加速溶剂萃取) 方法以及分离分析( h r g c m s ，l c f d ) 技术在检测泥土样品中1 6 e p a 多环芳烃的效率。他们发现 加热和化学干燥法的效果相当，而使用冷冻干燥时部分萘有损失。s f e 和a s e 与传统的索式、机械振摇提取方法的提取效率相当，但索式提取的结果偏差 较小。经k o h 皂化后多环芳烃的提取效率会大大提高，但是对于小分子化合 物提取率的偏差较高。超声提取的效率相对较低【4 “。目前，有关土壤和河流 沉积物中多环芳烃的前处理方法有大量的报道，文献中1 2 2 4 m l 归纳t 2 0 0 0 年 8 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 以来提取土壤和河流沉积物中多环芳烃的样品前处理方法的部分应用实例。 分析前处理技术的发展可以采用两条途径，一是老方法的自动化和商品化， 二是采用新原理的新方法。以上介绍的新技术，其原理不难理解，但都需要 特殊装置或材料，实现起来有一定的技术难度。尽管如此。这一领域的研究 仍大有可为，可发展的方向有：发展很少乃至不用有毒有机溶剂的方法：发 展简单快速便宜的方法，尽量能集采样、萃取、净化、浓缩，预分离、进样 于一身，适合野外和原位等特殊需求的方法；发展能处理特殊性质( 如高极 性、热不稳定性、难挥发性等) 成分的方法；发展方法的联用与自动化等等。 1 3 2 3 纯化技术 由于提取剂通常是非选择性的，因此除了目标多环芳烃外，其它有机污 染物也被提取出来。为了提高底泥样品的色谱分析准确度，防止多环芳烃峰 和杂峰重叠而导致误差，在进样前需对提取物进行纯化。常用的纯化方法有 凝胶渗透色谱法和柱层析法。通用的纯化方法是柱层析法1 4 3 1 1 3 2 3 1 柱层析法常用吸附剂 ( 1 ) 中性氧化铝：一般不单纯使用氧化铝作层析，而是用硅胶和氧化铝以 一定比例做成混合硅胶柱。然而，中性氧化铝对烷烃的去除并不十分有效。 因此一般不建议单独使用中性氧化铝来纯化多环芳烃。 ( 2 ) 弗罗罩土柱层析：萃取后的提取液经脱水( 一般用无水硫酸钠) 处理 后直接通过弗罗罩土柱，提取液中的多环芳烃及其他干扰组分都将吸附于弗 罗罩土然后用l ：l 的二氯甲烷和丙酮( v ：v ) 浸泡再沈脱。弗罗晕土柱层折 法操作简单，重复性较高较适合于分析多苯环的多环芳烃，但小环数的多 第一章文献综述 9 环芳烃有可能会丢失。 ( 3 ) 硅胶柱层析：该方法在多坏芳烃的纯化、分离中的应用最为广泛【“。 硅胶需先在4 0 0 。c 下活化2 h 1 4 5 1 ，也可以采用在1 3 0 c 下活化1 6h i 4 6 1 的方法。进 行层析的溶液需以环己烷或正戊烷等低极性有机物为溶剂。将提取物完全转 移至层析柱，先用币戊烷或石油醚沈脱饱和烃类化合物，然后用环己烷或苯 沈脱多环芳烃，剩下的物质以中极性和极性有机物占多数，用二氯甲烷和甲 醇沈脱m4 8 1 。 1 3 2 3 2 凝胶渗透色谱法 凝胶渗透色谱又称体积排阻色谱，主要是根据分析物的分子体积大小进 行洗脱的一种色谱过程。它能将高质量干扰分子除去，而将分析物和与其分 子量相近的物质留下。这对于含有大量高分子物质的环境介质的分析尤为重 要，所以它也是测定多环芳烃时u s e p a 推荐的一种净化方法。环境分析中常 用的为聚苯乙烯填料，o l b i o b e a d s s x 3 、s x 8 、s x 1 2 等常用的洗脱剂有环 己烷、乙酸乙酯一甲苯、环己烷一d c m 等1 4 引。 1 3 2 3 3 酸碱分配净化法 酸碱分配净化：是在液液分配的基础上调节p h 值将酸性物质如有机酸、 酚类从碱性和中性物质中分离的方法。将提取的溶液中加入强碱液激烈摇动， 从而使酸性的物质分配到水相中。而碱性和中性物质则保留在有机相中，余 下的含有多环芳烃的组分就可以浓缩进样了，u s e p a 3 6 4 0 采用的就是这种方 法。 l o 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 1 3 3 分离分析 随着科学技术的不断进步，多环芳烃的分离分析方法也在不断地发展变 化【5 0 l ，从最早的柱吸附色谱、纸色谱、薄层色谱( t l c ) 和凝胶渗透色i , 普( g p c ) 发展到现在的气相色谱( o c ) 、反相高效液相色谱( r p h p l c ) 、紫外吸收光谱 ( u v ) 、发射光谱( 包括荧光、磷光和低温发光等) 、质谱分析，核磁共振和 红外光谱技术等。 1 3 3 1 色谱技术 色谱技术已经成为最常用的分离分析多环芳烃的技术。一般的说g c 适 用于小分子多环芳烃( 小于2 4 个碳) 而液相色谱适用于大分子不挥发性物质 ( 不高于3 8 个碳，1 3 个苯环) 的分析。很多研究者【51 , 5 2 1 比较t g c 并d h p l c 的 优缺点。这些优缺点主要集中于分离效果、分析时间、设备的费用等方面。 总的来说，毛细管气相色谱拥有较好的分离效能，对复杂基体的分析有优势。 但c - c m s 仪器设备复杂昂贵，而且只能分析具有挥发性和热稳定性的物质。 有些多环芳烃有较高的沸点，而且一些重多环芳烃在高温下会分解，不适合 用g c 分析。h p l c 对同分异构体有很好的分离度，选择性好，同时可在室温 下进行分析，分析物不会热分解，能测定一些重多环芳烃。采用h p l c 分离， 组分的保留时问要比c , c 短，分析速度较快。此外，h p l c f l d 灵敏度高于 c , c m s 。两种方法对多环芳烃的分析可形成互补，对精确、可靠的分析十分 重要。 1 3 3 1 1 气相色谱 高效快速使得g c 广泛用于多环芳烃的分析测定。一般来讲，填充桂气帽 色谱可用于分离轻多环芳烃，在分离重多环芳烃时，需要用较高分辨率的色 第一章文献综述 谱柱，毛细管柱气相色谱成功地解决了这一问题。此外，为了分离一些化学 性质非常接近的物质及同分异构体( 如苯并fb 】荧蒽、苯并fj 】荧蒽和苯并 k 】 荧蒽同分异构体) ，使用理论板数达n 5 00 0 0 7 00 0 0 m 的毛细管柱( 5 0m 0 3 o 5l - t i mi d ) 是十分有效的，但有时即使是使用毛细管柱分离同分异构 体也很困难i ”1 。对于多种多环芳烃的分离，由于沸程较宽，采用程序升温能 加快分析速度，使各组分在最佳的温度下被洗脱。 1 3 3 1 1 1 固定相 最初的气楣色谱固定相是静念的涂覆在柱壁上，它们不耐高温。随着交 联多聚物和化学键合技术的发展，固定相热稳定性大大提高且更易涂覆均匀。 然而很多时候由于多环芳烃同分异构体的结构相似，沸点相近，不易分离， 如果固定相可以识别分子的形状及三维结构，多环芳烃就能很好的分离。液 晶固定相( l i q u i d - c r y s t a l l i n es t a t i o n a r yp h a s e s ，l c s p s ) 恰好具有此能力。1 9 6 3 年，k e l k e r t 1 提出用对二甲氧基氧化偶氮苯液晶作为气相色谱固定相用于 填充柱，有效地分离了苯的问位和对位取代物。此后，气相色谱液晶固定相 方面的研究迅速发展，在分离位置异构体方面获得了很大成功，特别是多环 芳烃异构体的分离有很好的效果。应用实践证明，以液晶固定相的气相色谱 柱，对溶质分子的几何异构体具有良好的选择性，能分离其他固定液难或不 能分离的分子，并且没有拖尾峰且分析时问短【5 4 1 。与常规固定液相比，液晶 固定相对于不同形状的芳香族位置异构体具有高柱效、高选择性的特点1 5 5 5 6 1 。 唐新德1 5 7 i 将合成的席夫( s c h i f 0 碱侧链聚硅氧烷高分子液晶化合物用作毛细 管柱气相色谱固定相，具有较高的柱效，热稳定性较好，最高杜温可达2 8 0 ；对葸、菲、芴、苊多环芳烃有良好的选择性，尤其对位置异构体有独特 的分离效果。g r i t t i1 5 8 5 9 1 对液晶固定相分离多环芳烃机理进行了研究，认为液 1 2 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 晶具备分子识别的特殊性能的原因可能主要在于分子之l 日j 的吸附作用而非分 配作用。 1 3 3 1 1 2 气相色谱检测 多环芳烃的气相色谱检测常用的是质谱。质谱具有高灵敏度、良好选择 性可提供分析物的分子量及结构的信息是最常用的检测技术。g c m s 联 用可简化耗时的净化步骤，对定量分析尤其适用i l 。应用选择离子检测模式 ( s i m ) 定量。g c m s 可分析低浓度的多环芳烃。文献报道用全扫描模式时检 测限为2 o 1 0 一( 2 0 p p b ) ，而用s i m 定量捡测限为o 5 1 0 9 ( 0 5 p p b ) 【鲫。 f t i r 技术和g c 联用对多环芳烃的检测也具有很高的灵敏度，曾成助的测 定了柴油中的含氮多环芳烃1 6 2 l 。但是，其应用并不普遍，原因有二：一方面 是很难总是保持分析物为气念。另一方面是标准气相红外谱图较少。 氢火焰离子化检测器( f i d ) 对所有的有机化合物均有响应。而且在很大的 浓度范围内响应值与浓度呈线性关系然而，g c - f 1 d 选择性较差。因此必须 注意预处理步骤所用的化学试剂本身的质量，同时样品也要彻底净化。这些 因素限$ i j t f i d 的使用【6 3 卅。 1 3 3 1 ，2h p l c h p l c 法测定多环芳烃。不需高温。对某些多环芳烃的测定具有较高的 分辨率和灵敏度柱后馏分便于收集进行光谱鉴定等优点6 5 1 。液相色谱有两 种模式：币相和反相。正相色谱分离多环芳烃时，主要是依据分析物极性及 诱导效应( 或更确切是电子的数目) 分离，多环芳烃的丌电子与极性固定 相的作用越强，保留时问就越长。同样的道理，对于共平面与非共平面的分 第一章文献综述 1 3 子，共平面的分子保留时| 日j 更长。除此之外，影响多环芳烃在正相色谱上洗 脱的还有化合物的结构特征与取代烷基的屏蔽效应。一般，有较长分子轴的 ( 大的分子长宽比) 以及取代基团为环烷烃的多环芳烃会后保留时问较长 1 6 6 l 。 目f i 更常采用的是反相色谱。分离多环芳烃时，常用的固定相有单体和 聚合物键合固定相。单聚的固定相有烷基取代的硅氧烷构成，是根据多坏芳 烃碳原子的数目进行分离。聚合物键合固定相由烷基取代的聚硅氧烷构成， 是根据多环芳烃的三维立体结构分离。与乖相色谱一样，分子长宽比也会影 响多环芳烃在反相色谱的保留时l b j 【6 7 1 。依掘分子三维立体结构进行分离的固 定相也有报道，c h e n l 6 8 1 等将会属卟啉共价键合到硅胶表面，进行多环芳烃的 反相色谱分离。结果表明这种固定相对于共平面的多环芳烃的选择性较强， 其主要是因为共平面化合物与固定相有直接的作用。有研究报道【6 9 】共平 面多环芳烃进行反相色谱分离时在吖啶衍生液相柱上的保留时日j 比十八烷基 硅烷柱在上的时间短，这说明多环芳烃和吖啶环的作用是最主要的 6 8 1 。 近年来，多环芳烃的快速分离技术也有一定的进展，d a d o o 等【7 0 1 在1 5 微 米的十八烷基硅烷柱上实现了1 6 种多环芳烃在1 0 m i n l 匈的分离。f e r r e t l 7 ”等建 立了一个快速测定多环芳烃的突破体积的数学模型，并使用这一模型计算了 在c 1 8 预柱上1 5 种多环芳烃的突破体积，这一方法对于估算突破体积高的低 极性化合物特别有效。 多环芳烃在紫外光区有很强的吸收，因而h p l c 可采用紫外检测器( 于 2 5 4 n m 波长下) 检测。多数多环芳烃具有强的荧光性，而荧光检测器( f l d ) 能 有很高的选择性和灵敏度，所以也是常用的h p l c 检测器【7 2 】。近几年，多通 道检测技术和电荷耦合技术大大改善了多环芳烃的分离检测。有人1 7 3 1 成功地 将时间分辨的激光诱导荧光技术和液相色谱联用检测了多环芳烃同分异构化 1 4 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 合物。但多环芳烃荧光光谱与所用的溶剂有关，进行未知峰的定性需有合适 的标准物。随着m s 的发展，h p l c m s 也应用到了一些多环芳烃化合物的测 定，但由于h p l c ，m s 接口问题，这一技术尚不适用于快速的监测环境中的多 环芳烃【7 4 l 。 毛细管电泳也成功的应用到了多环芳烃的分离。由于多环芳烃没有带电 荷。在电色谱分离技术上发展了一系列让多环芳烃和带电荷的添加剂选择性 作用的技术最常用的就是胶束电动力色谱，但多环芳烃与胶束的作用较弱， 选择性不强并且胶束不稳定b r o w n 等【7 5 i 利用带电荷环糊精检测了污染土壤 中的多环芳烃。由于多环芳烃能更好的溶于有机溶剂，并且可以加上更高的 电场具有更高的离子强度。非水相的电色谱将成为水相电色谱的替代物应用 到多环芳烃的检测。 1 3 3 2 光谱技术 分光光度法有紫外分光光度法、荧光光谱法、磷光法、低温发光光谱法 等等。用发光技术分析多环芳烃比吸收分光光度法具有灵敏度高、专属性强 等优点。发光法的灵敏度比吸收法高1 0 1 0 0 0 倍，其检出量约在l o g 1 0 “g 范围。紫外可见光谱方面，低温和导数光谱的应用可获得复杂环境样品中的 多环芳烃紫外光谱，但总的来说吸收光谱的灵敏度较低。 测量多环芳烃最常用的是荧光光谱法。包括荧光激发光谱和荧光发射光 谱。荧光分析法具有灵敏度高、选择性强、试样量少和方法简单等特点。随 着荧光光谱的发展，荧光技术与离效液相色谱( h p l c ) 联用技术得到广泛应 用这种方法的最大优点可使荧光测定中难于消除的同分异构体干扰问题得 到很好的解决。国外许多学者用这种技术对环境中的许多物质，尤其是多环 芳烃进行测定 7 4 - 7 6 i 。但是有一些多环芳烃化合物的荧光光谱是重叠的，给其 第一章文献综述 1 5 定性定量造成了困难。近年束发展了很多减少光谱重叠和提高光谱质量的方 法，如同步荧光光谱，全激发发射荧光光谱，s h p o l s k i i 荧光光谱，激光诱 导荧光光谱，时间分辨激光诱导荧光光谱等。 1 ) 同步荧光光谱是在常用的荧光光谱的基础上发展的一种荧光分析技 术。它是用同时扫描激发和发射波长的一种光谱图。近几年来利用同步荧光 测定多环芳烃的工作也取得了很大进展1 7 6 7 7 。新近有人【7 7 l 以恒定能量差的同 步荧光光谱对b e p 、b a p 、a n 、p e 、和p y5 种组分的多环芳烃混合物进行 研究分析，在au = 14 0 0c m “时，呈现a n 、b a p 、p e 特征蜂，u = 48 0 0 e m “时。出现b e p 特征蜂。结果表明，选择适合的能量差，能同时定量分析其中 的4 种物质。 2 ) s h p o l s k i i 荧光光谱：多环芳烃的荧光光谱分析通常是在常温下进 行，其谱带较宽，光谱往往重叠，不易分辨，特别是对复杂体系而言。而s h p o l s k i i 光谱是在足够低的温度下，多环芳烃被急速冷冻在诈烷烃溶剂中时获得 的，此时，分子之间的相互作用、分子的转动能以及热变宽( 多普勒) 效应大 大减少，因此能够产生精细的准线性振动结构光谱，得到各种多环芳烃的指纹 信息，提高了光谱分辨能力【7 引。常温下，多环芳烃光谱的谱带半宽度为几个 纳米，而低温下，其谱带半宽度为i 2n l n 左右，如果用激光激发，灵敏度和 选择性还会增加，光谱可分裂为更加尖锐的谱带。於立军等利用光纤传导 低温装置和荧光分光光度计偶联，对多环芳烃进行低温激发、发射光谱扫描， 获得了多环芳烃的s h p o l s k i i 低温荧光光谱，呈现出很明显的精细结构，对多 环芳烃有很好的鉴别能力。 1 3 3 3 免疫检测 免疫分析主要是利用抗体( a m i b o d y ，a b ) 能够与相应抗原( a n t i g e n ， 1 6 辽河流域沉积物中持久性有机污染物的研究 a g ) 及半抗原发生自发的、高选择性的特异性结合这一性质，通过将特定抗 体( 或抗原) 作为选择性试剂来对相应待测抗原( 或抗体) 进行分析测定的 方法。它的提出及发展是2 0 世纪以来在生物分析化学领域所取得的最伟大的 成就之一。同时，由于m i l s t e i n 和k o h l e r 于1 9 7 5 年首次在体外合成单克隆 抗体，极大地促进了免疫分析方法的发展和应用。免疫分析在测定多环芳烃 时也具有很高的灵敏度检测下限可达到ft o o l 水平。由于多环芳烃的分子 形状相似，疏水性，缺少成氢键原子。使得制备多环芳烃的选择性抗体比较 困难，因此在测定环境中的多坏芳烃时需采用交联反应1 8 0 - 8 l l 。对于多环芳 烃的检测，主要有放射性免疫和酶联免疫分析。 2 0 世纪6 0 年代初，y a l l o w 和b c r s o n 将放射性示踪物的高度可检测性和 免疫反应结合，创立了放射性免疫分析法( 刚a ) 【8 2 1 。这种具有极好微量分析 效果的分析方法被广泛应用于疾病诊断、疗效观察和医学科学研究等。放射 免疫分析是通过放射活性分子共价交联至抗体或抗原上，免疫反应后测定放 射活性分子的放射信号来定量检测相应抗体或抗原等j 虽然放射免疫分析不 是常规的分析技术，h c r i k s t a d 等脚i 已用它测定了一些生物活性的多环芳烃化 合物。 酶联免疫吸附分析法( e l i s a ) 是7 0 年代在放射免疫分析法的基础上发 展起来的一种新的免疫分析法，它将酶催化反应的放大作用和抗原抗体亲和 反应的高专一性、特异性相结合，以酶标记的抗原或抗体作为主要试剂的免 疫测试方法。它比r i a 技术灵敏度高是测定多环芳烃最常用的免疫分析方法 r o d a 等【b 4 1 入用e l i s a 测定了空气悬浮物中的苯并芘，z u h l k c 等8 5 1 用此方法 测定了柴油中的1 - n i t r o p y r c n e ，虽然没有和常规的检测方法进行比较，研究 发现此方法可以快速的测定多个样品。为了建立一种快速同时测定多种多环 芳烃的e l i s a 方法，l i 等l 吲系统的研究了各种结构的p a h 半抗原与单科隆 第一章文献综述 1 7 抗体的交联反应。目f i i 成套的测定多环芳烃e l i s a 试剂盒己上市， u s e p a 4 0 3 5 1 8 7 】也推荐了这一方法。 1 4 二嗯英类化合物简介 1 4 1 结构和物理化学性质 p c d d f s 是目前已知的毒性最大的一类化合物，是典型的“三致”( 致 癌、致畸形、致基因突变) 毒物。二嗯英类化合物均为