李懷建,吳 梅,張宏偉,王幫進,占 潔,王楊君,汪 午,

(1.上海大學環(huán)境污染與健康研究所,上海 200444;2.青島大學醫(yī)學院,山東青島 266071; 3.南方醫(yī)科大學,廣東廣州 510515)

大氣中強致癌物3-硝基苯并蒽酮GC/MS檢測方法的建立

李懷建1,吳 梅2,張宏偉3,王幫進1,占 潔1,王楊君1,汪 午1,3

(1.上海大學環(huán)境污染與健康研究所,上海 200444;2.青島大學醫(yī)學院,山東青島 266071; 3.南方醫(yī)科大學,廣東廣州 510515)

持久性有機污染物 (POPs)3-硝基苯并蒽酮(3-NBA)是一種極強的直接致突變和致癌物,多種動物試驗以及人體細胞試驗證明其具有極強的致突變能力。環(huán)境中的3-NBA主要來源于機動車尾氣和大氣光氧化反應,其在大氣中濃度遠低于多環(huán)芳烴。利用高效液相色譜(HPLC)法,分離、富集目標組分,再結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜(GC/MS)技術(shù),可建立大氣中3-硝基苯并蒽酮的檢測方法,儀器檢測限為13.7 pg,方法檢測限為1.9 pg·m-3。方法回收率為88.52%,目標化合物回收率為78.2%。該方法重現(xiàn)性好、測定精度高,可用于實驗室常規(guī)分析。

持久性有機污染物(POPs);3-硝基苯并蒽酮;氣相色譜-質(zhì)譜(GC/MS)

硝基多環(huán)芳烴 (nitro polycyclic aromatic hydrocarbon,NPAH)是一類極強的直接致突變和致癌物,主要來源于化石燃料的燃燒過程,例如柴油機或汽油機機車燃料燃燒[1];也可以由大氣中多環(huán)芳烴 (polycyclic aromatic hydrocarbon,PAH)與 OH或者 NO3自由基反應生成[2-9]。由于NPAH被證明其致突變或致癌能力要比相應的PAH高出很多倍[10],所以分析排放源和大氣環(huán)境中的NPAH極為重要。

3-硝基苯并蒽酮(3-nitrobenzanthrone,3-NBA)于1997年在柴油機尾氣和大氣顆粒物中首次被發(fā)現(xiàn),與1,8-二硝基芘的致突變能力相當,后者是文獻報道致突變性最強的多環(huán)芳烴[11]。由于特殊而穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu),3-NBA難以被生物降解。3-NBA的主要代謝物——3-氨基苯并蒽酮(3-aminobenzanthrone,3-ABA)曾在受柴油機尾氣職業(yè)暴露的鹽礦工人的尿液中被檢出,說明暴露于柴油機尾氣中極有可能給大多數(shù)人帶來健康風險[12]。各種生物試驗研究表明,3-NBA及其代謝產(chǎn)物是突變和癌變過程中DNA加合物形成的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[13-14],這些加合物不僅具有致細胞損傷突變,可參與病變的誘變過程,而且是機體內(nèi)致癌作用的關(guān)鍵因素。

3-硝基苯并蒽酮在大氣環(huán)境中的濃度極低,存在于基質(zhì)復雜的顆粒物中,對大氣中3-硝基苯并蒽酮的測定,由于存在著分析手段和技術(shù)方面的挑戰(zhàn),目前報道的并不多[15-17],國內(nèi)這方面的研究還是空白。本工作利用正相 HPLC法分離、富集目標組分,結(jié)合GC/MS技術(shù),建立大氣中3-硝基苯并蒽酮的檢測方法。

1 試驗部分

1.1 主要儀器與裝置

Waters 2695高效液相色譜儀:美國Waters公司產(chǎn)品,配有2996型二級管陣列檢測器;氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀:美國 Hewlett-Packard公司產(chǎn)品,配有6890氣相色譜儀/5975四極桿質(zhì)譜檢測器和ChemStation工作站。

1.2 主要材料與試劑

3-硝基苯并蒽酮(純度99%):德國環(huán)境致癌物生物化學研究所產(chǎn)品;1-硝基芘-d9:美國Chiron公司產(chǎn)品;二氯甲烷(色譜純):德國CNW公司產(chǎn)品;正己烷(色譜純):德國Merck公司產(chǎn)品;N,N-二甲基甲酰胺:美國 Tedia公司產(chǎn)品。

1.3 試驗條件

1.3.1 樣品采集及前處理 使用PM2.5Anderson大流量采樣器(美國),流量1.0 m3·min-1,石英纖維濾膜(Whatman,20.3 cm×25.4 cm),采集時間24 h。取1/2濾膜,先用二氯甲烷提取,再用 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)-H2O系統(tǒng)提取其中的芳烴類和極性化合物,最后用環(huán)己烷萃取,得到弱極性的芳烴類化合物。

1.3.2 儀器分析 使用正相 HPLC法,分離、富集目標組分前,先采用環(huán)己烷-N,N-二甲基甲酰胺-H2O系統(tǒng)萃取PAH類化合物,根據(jù)質(zhì)譜特征離子及保留時間進行定性,外標法定量。

1.3.2.1 HPLC條件 分離柱:Kromasil 60-5SIL(250 mm×4.6 mm×5μm,60 A);流動相:正己烷/二氯甲烷;梯度淋洗程序:100%正己烷保持10 min,5 min內(nèi)等梯度變換為95%正己烷:5%二氯甲烷,35 min內(nèi)等梯度變換為100%二氯甲烷,保持10 min。收集40～50 min之間的組分,其中包含3-NBA組分。

1.3.2.2 氣相色譜條件 色譜柱:Rtx-5MS石英毛細柱(30 m×0.25 mm×0.25μm);升溫程序:70℃保持1 min,以8℃·min-1升至200℃,保持1 min,以5℃·min-1升至260℃,保持4 min,以1℃·min-1升至280℃,保持1 min,以20℃·min-1升至300℃,保持2 min;載氣(He):流速1.5 mL·min-1;進樣量1μL,不分流進樣。

1.3.2.3 質(zhì)譜條件 電離方式為電子轟擊(EI),電子能量70 eV,接口溫度275℃,離子源溫度230℃,選擇離子模式,質(zhì)量掃描范圍 m/z 50～550。

1.4 樣品分析全流程的質(zhì)量控制與質(zhì)量保證(QA/QC)措施

對每個分析樣品(包括樣品、方法空白、基質(zhì)加標、加標空白)都要添加回收率指示物標樣,以控制整個分析流程的回收率。

1.5 儀器分析的QA/QC措施

連續(xù)分析6個濃度約為5倍噪音的標樣,得標準偏差,儀器檢測限(IDL)=3.36 S。在空白濾膜上加標,加標濃度為5倍IDL,重復分析6個基質(zhì)加標樣,取得其標準偏差(S),方法檢測限(MDL)=3.36 S。方法檢測限以實際樣品采樣體積計算。

取5種濃度為0.5～8 mg·L-1的標樣,用外標法建立工作曲線,檢測器的響應值與每個濃度的相關(guān)系數(shù)均大于0.97。使用已建立的工作曲線測定新配制的已知濃度的標準溶液,測定值與標準值之差在20%以內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

化合物的GC/MS譜圖示于圖1,其中相關(guān)的有化合物1和5。

圖1 標準溶液中目標化合物和內(nèi)標的GC/MS圖a.色譜圖;b.1-硝基芘-d9的EI質(zhì)譜圖;c.3-NBA的EI質(zhì)譜圖Fig.1 G as chromatograms and mass spectra for the target compound and surrogate a.chromatograms;b.electron ionization spectra for 1-nitropyrene-d9;c.spectrum for 3-NBA

2.1 儀器檢測限和方法檢測限

根據(jù)分析結(jié)果計算,3-硝基苯并蒽酮的儀器檢測限值為13.7 pg,按實際采樣體積700 m3計算,方法檢測限為1.9 pg·m-3,分別列于表1和表2。

表1 儀器檢測限(IDL)Table 1 Instrument detect limit(IDL)

表2 方法檢測限(MDL)Table 2 Method detect limit(MDL)

2.2 方法空白

方法空白的數(shù)據(jù)用來評估和控制整個試驗流程可能發(fā)生的人為污染,以及操作過程的準確性,在方法空白中未檢出目標化合物,可見整個試驗流程對目標化合物沒有人為的實驗室背景因素影響。

2.3 基質(zhì)加標

基質(zhì)加標在控制試驗流程的基礎上還需要考慮基質(zhì)對試驗數(shù)據(jù)的影響,基質(zhì)加標回收率列于表3。計算結(jié)果表明,3-硝基苯并蒽酮的基質(zhì)加標平均回收率為78.2%,指示物的平均回收率為76.3%。

表3 基質(zhì)加標回收率Table 3 Recovery of matrix spike

2.4 平行樣品

對同一真實樣品進行重復測試,3次測試得到的指示物回收率平均值為88.5%,相對標準偏差均小于15%,列于表4。

表4 平行樣品測試結(jié)果Table 4 Results of sample duplicate

3 結(jié) 論

本工作建立了大氣中3-硝基苯并蒽酮的檢測方法,利用 HPLC對含3-硝基苯并蒽酮組分進行分離、富集,再用 GC/MS法對其進行定量分析。該法具有較好的選擇性、重現(xiàn)性和靈敏度,可用于大氣中3-硝基苯并蒽酮的常規(guī)檢測。

[1]PAPUTA-PECK M,MARANO R,SCHUETZLE D,et al.Determination of nitrated polynuclear aromatic hydrocarbons in particulate extracts by capillary column gas chromatography with nitrogen selectivedetection[J]. AnalyticalChemistry, 1983,55:1 946-1 954.

[2]AREYJ,ZIELINSKA B,ATKINSON R,et al. The formation of nitro-PAH from the gas-phase reactions of fluoranthene and pyrene with the OH radical in the presence of NOx[J].Atmospheric Environment,1986,20(12):2 39-2 345.

[3]AREYJ,ZIELINSKA B,ATKINSON R,et al. Nitroarene products from the gas-phase reactions of volatile polycyclic aromatic hydrocarbons with the OH radical and N2O5[J].International Journal of Chemical Kinetics,1989,21(9):775-799.

[4]ATKINSON R,AREYJ,ZIELINSKA B,et al. Kinetics and nitro-products of the gas-phase OH and NO3radical-initiated reactions for naphthalene-d8,fuoranthene-d10,and pyrene[J].International Journal of Chemical Kinetics,1990,22 (9):999-1 014.

[5]ATKINSON R,AREYJ.Atmospheric chemistry ofgas-phase polycyclic aromatic hydrocarbons: formation of atmospheric mutagens[J].Environmental Health Perspectives,1994,102(Suppl4): 117-126.

[6]AREYJ.The handbook of environmental chemistry[M].Berlin:Springer,1998:347-385.

[7]ZIELINSKA B,AREYJ,A TKINSON R.et al. Reaction of dinitrogen pentoxide with fluoranthene [J].Journal of American Chemical Society,1986, 108:4 126-4 132.

[8]ZIELINSKA B,AREYJ,A TKINSON R.et al. Formation ofmethylnitronaphthalenes from the gas-phase reactions of 1-and 2-methylnaphthalene with OH radicals and N2O5and their occurrence in ambient air[J].Environmental Science and Technology,1989,23(6):723-729.

[9]ZIELINSKA B,AREY J,ATKINSON R.Nitroarenes-occurrence,metabolism,and biologicalimpact[M].New York:Plenum,1990:73.

[10]DURANT J L,BUSBY W F,LAflEUR A L,et al.Human cell mutagenicity of oxygenated,nitrated and unsubstituted polycyclic aromatic hydrocarbons associated with urban aerosols[J]. Mutation Research-Genetic Toxicology,1996, 371(3/4):123-157.

[11]ENYA T,SUZU KI H,WATANABE T,et al. 3-Nitrobenzanthrone,a powerful bacterial mutagen and suspected human carcinogen found in diesel exhaust and airborne particulates[J].Environmental Science and Technology,1997,31 (10):2 772-2 776.

[12]SEIDEL A,DAHMANN D,KREKEL ER H,et al.Biomonitoring of polycyclic aromatic compounds in the urine of mining workers occupationally exposed to diesel exhaust[J].International Journal of Hygiene and Environmental Health,2002,204(5/6),333-338.

[13]POIRIER M C,SANTELLA R M,WESTON A,et al.Carcinogen macromolecular adducts and theirmeasurement[J]. Carcinogenesis, 2000,21(3),353-359.

[14]ARL T V M,ZHAN L,SCHMEISER H H,et al.DNA adducts and mutagenic specificity of the ubiquitous environmental pollutant 3-nitrobenzanthrone in Muta Mouse[J].Environmental and Molecular Mutagenesis,2004,43(3):186-195.

[15]李懷建,李 強,汪 午,等.環(huán)境中3-硝基苯并蒽酮的研究[J].化學進展,2010,22(1): 220-224.

[16]郭 麗,惠亞梅,鄭明輝,等.氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用測定土壤及底泥樣品中的多環(huán)芳烴和硝基多環(huán)芳烴[J].環(huán)境化學,2007,26(2),192-196.

[17]林 剛,孫貴范,田村憲治,等.撫順大氣懸浮顆粒物、PAHs和NPAH污染調(diào)查[J].中國公共衛(wèi)生,2005,21(5):604-606.

Development of Analytical Method for 3-Nitrobenzanthrone, A Potential Carcinogen in Atmosphere by GC/MS

LI Huai-jian1,WU Mei2,ZHAN G Hong-wei3,WANGBang-jin1, ZHAN Jie1,WANG Yang-jun1,WANG Wu1,3
(1.Institute ofEnvironmental Pollution and Health,Shanghai University,S hanghai200444,China; 2.Qingdao University Medical College,Qingdao266071,China; 3.Southern Medical University,Guangzhou510515,China)

3-Nitrobenzanthrone,a persistent organic pollutants(POPs),is an extremely potential mutagen and susceptible carcinogen as proved by the tests using both animal and human cells.The major sources of 3-nitrobenzanthrone are believed to be vehicle exhaust from diesel engines,as well as photooxidation reaction in the atmosphere.Its atmospheric concentration is far below polycyclic aromatic hydrocarbons.This paper reported an analytical method that was established by using high pressure liquid chromatography(HPLC)to separate and enrich the target fraction and consequently measured with gas chromatographymass spectrometry(GC/MS).The instrument detection limit(IDL)is 13.7 pg,and themethod detection limit(MDL)is 1.86 pg·m-3.The method recoveries for the deuterated surrogate,1-nitropyrene-d9,and 3-nitrobenzanthrone are 88.5%and 78.2%,respectively. The method features good accuracy,precision and reproducibility,and could be used for regular measurements of 3-nitrobenzanthrone.

persistent organic pollutants(POPs);3-nitrobenzanthrone;gas chromatography-mass spectrometry(GC/MS)

O 657.63

A

1004-2997(2010)03-0187-05

2009-12-30;

2010-03-18

國家自然科學基金(20677036,20877051),上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(10YZ08),上海市重點學科(S30109)資助

李懷建(1985～),男(漢族),貴州人,碩士研究生,環(huán)境科學專業(yè)。E-mail:lihuaijian@shu.edu.cn

汪 午(1968～),女(漢族),安徽人,博士,從事大氣化學研究。E-mail:wangwu@shu.edu.cn