大气颗粒物表面有机活性物质的检测方法【技术领域】
本发明涉及环保监测实验方法，尤其是大气颗粒物表面有机活性物质的检测方法。
【背景技术】
空气质量的好坏反映了空气污染程度，它是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。空气污染是一个复杂的现象，在特定时间和地点空气污染物浓度受到许多因素影响。来自固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一，其中包括车辆、船舶、飞机的尾气、工业污染、居民生活和取暖、垃圾焚烧等。城市的发展密度、地形地貌和气象等也是影响空气质量的重要因素。
空气污染的污染物有：烟尘、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、挥发性有机化合物等等。可吸入颗粒物被人吸入后，会累积在呼吸系统中，引发许多疾病。对粗颗粒物的暴露可侵害呼吸系统，诱发哮喘病。细颗粒物可能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病，降低肺功能等。因此，对于老人、儿童和已患心肺病者等敏感人群，风险是较大的。另外，环境空气中的颗粒物还是降低能见度的主要原因，并会损坏建筑物表面。颗粒物还会沉积在绿色植物叶面，干扰植物吸收阳光和二氧化碳和放出氧气和水分的过程，从而影响植物的健康和生长。因此，空气质量的监测是目前社会关注的焦点，但现有技术中缺乏对大气颗粒物表面有机活性物质的检测方法。
【发明内容】
本发明提供了大气颗粒物表面有机活性物质的检测方法，用以弥补现有技术的不足。
本发明的大气颗粒物表面有机活性物质的检测方法，包括下列步骤：S1、将样品与碱性亚甲基蓝溶液络合；S2、采用氯仿萃取络合后生成的盐；S3、采用酸性亚甲基蓝溶液反萃取氯仿相；S4、对所述的氯仿相进行比色分析。
其中，所述的样品通过下述步骤获得：使用去离子水超声提取大气颗粒物中的可溶性阴离子表面有机活性物质，得到提取液；所述的提取液经0.45μm的石英滤膜过滤，得到滤出液，并以所述滤出液作为所述的样品。
其中，通过连续流动分析仪进行测定，具体采用连续流动的方法通过蠕动泵压缩不同内径的弹性泵管，将试剂和样品按比例吸入管路中，并完成混匀和萃取，所述的萃取由玻璃相分离器完成。
其中法，其特征在于，步骤S4中以650nm进行比色分析。
其中，步骤S4之后还包括步骤：S5、显色后测吸光度，以峰高为纵坐标，以阴离子表面活性物质含量为横坐标，绘制标准曲线，得出分析结果。
本发明的方法发现大气PM2.5中表面有机活性物质的存在，为PM2.5中有机物的组成及有机组分的测定建立了切实可行的分析方法。方法应用于全国不同地区、不同排放来源的大气颗粒物PM2.5组分分析中，进一步解析大气颗粒物的来源及污染现状。
【附图说明】
图1是本发明实施例1中的方法步骤流程图；
图2是本发明实施例1中的具体实施流程图；
图3是本发明实验例1和实验例2的实验曲线图；
其中，图3-1是PM2.5样品标准曲线谱图、图3-2是PM2.5检出测试谱图、图3-3是PM2.5样品中阴离子表面活性物质样品精密度及加标回收测试谱图、图3-4是2014年8月PM2.5与阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图、图3-5是2014年8月阴离子表面有机活性物质与PM2.5质量浓度的相关性图、图3-6是2014年9月PM2.5与阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图、图3-7是2014年9月阴离子表面有机活性物质与PM2.5质量浓度的相关性图、图3-8是2014年10月PM2.5与阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图、图3-9是2014年10月阴离子表面有机活性物质与PM2.5质量浓度的相关性图、图3-10是2014年8月-2015年1月PM2.5质量浓度的变化趋势图、图3-11是2014年8月-2015年1月阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图。
【具体实施方式】
为了解决现有技术存在的技术问题，经发明人研究发现，有机物是大气气溶胶的重要组成部分，占颗粒物总量的10％～50％，在颗粒物细粒子的化学组成中，有机物是含量最为丰富的物种之一，对人体健康、能见度和全球气候变化都有重要影响。这些效应取决于它们自身的物理和化学性质，如粒径、水溶性和折射率等，及其来源、转化和传输过程。但是颗粒物中的有机化合物种类繁多且结构复杂，浓度水平低且物理化学性质差别大，使得人们认识颗粒有机物在大气中的行为和作用变得十分困难。由于分析测试手段的限制，直到20世纪50年代才开始颗粒有机物的研究，进入80年代得到迅速发展，基于目前GC-MS测定方法和技术水平，研究者已经从大气有机颗粒物中鉴别出了几百种有机化合物，但是这些化合物总共仅占颗粒有机物质量的10％-40％。Rogge在加利福尼亚州的研究中得到的细粒子化学组分质量平衡中，有机物约占细粒子总质量的15％，而检测出的80多种有机化合物约占总有机化合物的13％，只占细粒子质量的2％左右，未鉴别出的部分包括腐殖酸、高相对分子量化合物、高级性化合物和不能分辨的环烷烃和支链烷烃混合物(UCM)。而这其中有些正是表面有机活性物质所具有的分子结构和特征。气溶胶表面有机活性物质主要由脂肪酸及其两亲衍生物或一元、二元、多元酸或类腐殖物质组成，主要分布于大气细粒子中，主要为亲水基团带负电的物质，即阴离子表面活性物质。其来源包括腐殖质降解、生物质燃烧、海洋飞沫和燃烧产生的煤烟等。具有界面吸附、加溶、降低溶剂表面张力等作用，因此，表面有机活性物质在PM2.5表面的存在，对PM2.5的表面张力和吸湿性等表面特性具有重要影响，从而对全球气候变化、大气环境和人体健康产生重要影响。
针对大气细粒子PM2.5中有机物检测分析方法的局限，对处理后的水溶性有机物样品使用GC-MS技术鉴别不出的腐殖酸、高相对分子量化合物、高级性化合物和不能分辨的环烷烃和支链烷烃混合物(UCM)等物质(这些都是表面有机活性物质所具有的分子结构和特征)，采样流动注射仪可以定量分析鉴别出表面有机活性物质的存在和质量浓度，为大气颗粒物的有机化学组成及方法建立提供发明依据。
实施例1、本实施例提供的大气颗粒物表面有机活性物质的检测方法，其原理是测定阴离子表面有机活性物质的自动检测是基于如下反应：在水溶液中，亚甲基蓝与阴离子表面有机活性物质反应生成蓝色的盐，用氯仿萃取生成的盐，萃取液在650nm比色测定吸光度。所测定的物质叫MBAS(亚甲基蓝活性物质)。通过使用碱性-和酸性亚甲基蓝溶液除去干扰。也即，干扰排除的过程是：阴离子表面有机活性物质，可与亚甲基蓝阳离子形成离子络合物，该离子络合物可以被氯仿萃取，而没有形成离子络合物的亚甲基蓝在氯仿中的溶解度非常小。使用氯仿将阴离子表面活性剂与亚甲基蓝溶液形成的离子络合物从碱性的亚甲基蓝中萃取出来，此步骤可除去环境水样中的蛋白质负向干扰。再用酸性的亚甲基蓝溶液反萃取氯仿相，以除去其它的正向干扰物如无机阴离子(NO3-、Cl-等)，因为这些物质与亚甲基蓝的结合物更不容易溶于氯仿中。最后，氯仿相进入检测器，在650nm处进行比色分析。
基于上述原理，参见图1所示，包括下列主要步骤：
S11、将样品与碱性亚甲基蓝溶液络合。
上述样品通过如下方式获得，用石英滤膜采集环境空气中细颗粒物(PM2.5)，使用去离子水超声提取颗粒物中的可溶性阴离子表面有机活性物质，提取液经0.45μm滤膜过滤，滤出液使用荷兰产的SKALARSAN++连续流动分析仪进行测定。
S12、采用氯仿萃取络合后生成的盐。
S13、采用酸性亚甲基蓝溶液反萃取氯仿相。
S14、对所述的氯仿相进行比色分析。
在具体实现中采用SKALARSan++流动分析仪在分析过程中引入空气泡作为样品间隔及管路清洗。采用连续流动的方法通过蠕动泵压缩不同内径的弹性泵管，将试剂和试样按比例吸入管路系统中并在一定条件下混匀、分离干扰物，保温反应，以上程序全部在线进行，采用双萃取技术实现，萃取由玻璃相分离器完成。SKALARSan++流动分析仪条件参数可设定为：进样时间：120sec，冲洗时间140sec，空气时间1sec，进样体积1.0mL，系统稳定时间30min。
参见图2所示，包括如下流程：
S21、将样品与碱性亚甲基蓝溶液置入SKALARSAN++连续流动分析仪进行络合。
S22、采用氯仿萃取络合后生成的盐，即萃取阴离子表面活性剂与亚甲基蓝溶液形成的离子络合物。具体萃取采用相分离器1完成，得到的水相作为废液排出，得到的有机相进入后续步骤。
S23、采用酸性亚甲基蓝溶液反萃取有机相，具体的反萃取采用相分离器2完成，得到的水相作为废液排出，得到的有机相进入后续步骤。
S24、SKALARSAN++连续流动分析仪对有机相进行比色分析。
S25、显色后测吸光度，以峰高为纵坐标，阴离子表面活性物质含量(mg/L)为横坐标，绘制标准曲线，数据传输到计算机来处理分析结果。以及排出有机废液。
采用本实施例，利用流动注射分析仪小体积进样，在线双萃取、分析速度快、减少有害物质三氯甲烷的摄入，方法检出限低，具有良好的精密度和准确度等优势，说明测试方法可行有效。适用于大气PM2.5中阴离子表面有机活性物质间断及不间断连续样品采集的测定。
为了进一步说明，以下提供若干实验例。
实验例1、PM2.5膜样品中阴离子表面有机活性物质性能指标的实验。
方法检出限：以水质检测为基础，取处理好的空白膜样品，连续测定7次，按MDL＝t(n-1，0.99)×S(n＝7时，t＝3.143)计算出最低检出MDL，按样品体积50.0ml,标态下体积24.0m3，计算PM2.5膜中阴离子表面活性剂的方法检出限。测试谱图及测定结果如图3-1(PM2.5样品标准曲线谱图)、图3-2(PM2.5检出测试谱图)及表3-1所示。
表3-1PM2.5膜样品中阴离子表面活性剂方法检出限、测定下限测试数据表
由图3-1、图3-2、表3-1结果显示，标准曲线基线稳定，样品峰性圆滑，分离完全，没有气泡峰干扰，阴离子表面活性剂的标准曲线相关系数r＝0.99940，由上述公式计算得出该方法的检出限为0.033μg/m3,检测下限为0.132μg/m3。
精密度、准确度-加标回收率的实验：选取三种不同浓度PM2.5膜样品进行精密度实验，计算出本底浓度后，进行准确度(加标回收率)实验，样品原始和加标后的浓度单位以水溶性浓度计量(mg/L)，分析谱图如图3-3(PM2.5样品中阴离子表面活性物质样品精密度及加标回收测试谱图)，测定结果如表3-2所示。
表3-2PM2.5膜样品中阴离子表面活性物质精密度及准确度(加标回收)测试数据
表3-2数据可以看出，通过对低、中、高不同浓度的PM2.5膜样品进行准确度测定，测定的相对标准偏差均小于5％，加标回收率分别为93.6％～99.4％、91.6％～98.2％、93.8％～101％，具有良好的精密度和准确度(加标回收率)。说明仪器性能稳定可靠，可以满足实际测定需求。
实验例2：PM2.5膜样品中阴离子表面活性物质的应用分析。采集2014年8月～2015年1月PM2.5膜样品，按照确定的前处理条件，利用流动注射仪对其中的阴离子表面有机活性物质进行测试分析。PM2.5质量浓度和PM2.5中阴离子表面有机活性物质质量浓度分析数据如附录1所示。
PM2.5中阴离子表面有机活性物质的变化与贡献率：
按照PM2.5指数标准分级：PM2.5数值在0～35微克为优，35～75微克为良，75～115微克为轻度污染，115～150微克为中度污染，150～250微克为重度污染，250以上是严重污染。从统计数据分析可以看出，PM2.5中阴离子表面有机活性物质均有检出。
2014年8月，北京的夏秋季节，出现过2次中度污染(四级)，PM2.5日质量浓度变化为20～150μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日质量浓度变化为(0.09953～1.0541)μg/Nm3，PM2.5日均浓度为61μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日均浓度为0.3599μg/Nm3，占PM2.5日均质量浓度的0.59％。
2014年9月，北京的秋季，出现过5次中度污染(四级)，PM2.5日质量浓度变化为(11～134)μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日质量浓度变化为(0.0280～0.9016)μg/Nm3，PM2.5日均浓度为66μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日均浓度为0.3604μg/Nm3，占PM2.5日均质量浓度的0.55％。
2014年10月，北京的秋冬季，出现过3次中度污染(四级)，5次重度污染(五级)，7次严重污染(六级)，四级以上天气占当月的50％，PM2.5日质量浓度变化为(9～388)μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日质量浓度变化为(0.02792～7.4467)μg/Nm3，PM2.5日均浓度为139μg/Nm3，阴离子表面活性物质日均浓度为1.4679μg/Nm3，占PM2.5日均浓度的1.06％。其中10月7日至11日、17日至20日、23日至25日、29日至31日的京津冀及周边地区连续中度以上污染，过程持续时间长、影响范围广、污染程度重，使阴离子表面有机活性物质的贡献率逐步攀升，10月25日最高达到7.4467μg/Nm3，占PM2.5组分的2.02％。
2014年11月，北京的冬季，出现过3次中度污染(四级)，2次重度污染(五级)，4次严重污染(六级)，PM2.5日质量浓度变化为(6～338)μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日质量浓度变化为(-0.05644～3.4251)μg/Nm3，PM2.5日均浓度为102μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日均浓度为0.8325μg/Nm3，占PM2.5日均浓度的0.82％。APEC会议期间正值秋冬交替、静稳天气多的季节，重污染天气概率大，空气质量保障面临巨大压力和挑战，然而由于制订了相关减排措施，企事业单位放假，50％汽车限行停驶，会议期间PM2.5质量浓度对北京市空气质量有极大的改善。随着APEC会议的结束，北京进入了冬季供暖期，11月19日至21日、11月25日至26日的重污染，使阴离子表面有机活性物质的贡献率逐步攀升，最高达到1.18％。
2014年12月，北京的冬季供暖季节，出现过6次轻度污染(三级)，2次中度污染(四级)，2次重度污染(五级)，1次严重污染(六级)，PM2.5日质量浓度变化为(7～267)μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日质量浓度变化为(-0.1919～3.5900)μg/Nm3，PM2.5日均浓度为73μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日均浓度为0.7590μg/Nm3，占PM2.5日均浓度的1.04％。三级天以上阴离子表面有机活性物质的贡献率整体攀升，最高达到1.74％。
2015年1月，北京的冬季供暖季节，出现过5次轻微污染(三级)，3次中度污染(四级)，7次重度污染(五级)，1次严重污染(六级)，PM2.5日质量浓度变化为(12～321)μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日质量浓度变化为(0.0824～2.7574)μg/Nm3，PM2.5日均浓度为101μg/Nm3，阴离子表面有机活性物质日均浓度为1.1117μg/Nm3，占PM2.5日均浓度的1.10％。三级天以上阴离子表面有机活性物质的贡献率整体攀升，最高达到2.06％。
PM2.5中阴离子表面有机活性物质与PM2.5质量浓度月变化趋势与相关性：PM2.5和PM2.5中阴离子表面有机活性物质质量浓度的月变化趋势和相关性如图：图3-4(2014年8月PM2.5与阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图)、图3-5(2014年8月阴离子表面有机活性物质与PM2.5质量浓度的相关性图)、图3-6(2014年9月PM2.5与阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图)、图3-7(2014年9月阴离子表面有机活性物质与PM2.5质量浓度的相关性图)、图3-8(2014年10月PM2.5与阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图)、图3-9(2014年10月阴离子表面有机活性物质与PM2.5质量浓度的相关性图)、图3-10(2014年8月-2015年1月PM2.5质量浓度的变化趋势图)、图3-11(2014年8月-2015年1月阴离子表面有机活性物质质量浓度的变化趋势图)。
通过2014年8月～2015年1月期间PM2.5质量浓度和PM2.5中阴离子表面有机活性物质质量浓度的测试数据和变化趋势图可以看出。8月—9月PM2.5质量浓度变化范围为(11-150)μg/m3，PM2.5中阴离子表面有机活性物质质量浓度变化范围为(0.0280～1.0541)μg/m3。10月-12月连续出现的多次中度、重度、严重污染天气，随着PM2.5质量浓度的增加，PM2.5中阴离子表面有机活性物质质量浓度也显著攀升，其中10月25日严重污染，PM2.5质量浓度为369μg/m3，PM2.5中阴离子表面有机活性物质质量浓度为7.4467μg/m3，占总PM2.5质量浓度的2.0％。而在APEC11月1日至14日期间，PM2.5质量浓度为(6-120)μg/m3，PM2.5中阴离子表面有机活性物质质量浓度为(-0.1158～0.3852)μg/m3，由于制订了相关减排措施，北京市的空气质量有极大的改善,改善幅度达30-60％，APEC会议结束，政策的解禁和冬季供暖期的到来，PM2.5质量浓度也随着气象条件的变化而变化。说明PM2.5中阴离子表面有机活性物质的检出，对PM2.5具有一定的贡献。从2014年8月～2015年1月，相关性分别为91.4％、85.9％、85.4％、91.0％、77.2％、78.5％。呈现明显的正相关，尤其是在中度污染天气以上，且在重度污染和严重污染天气更尤为突出。
综上所述，本发明从表面有机活性物质的化学特性及产生途径为出发点，采集北京市环境PM2.5样品，对PM2.5浸提液组分中的阴离子表面有机活性物质进行研究，利用流动注射分析仪，通过进行检出限、样品精密度准确度(滤膜样品加标回收)等性能指标的条件实验的探索研究，建立一套适合大气环境PM2.5中阴离子表面有机活性物质的测定方法。研究结果显示方法检出限为0.036μg/m3，方法精密度为1.0％～2.3％，检测3种低、中、高不同浓度的PM2.5样品，加标回收率为91.6％～101％。仪器小体积进样，在线双萃取、分析速度快、减少有害物质三氯甲烷的摄入，方法检出限低，具有良好的精密度和准确度等优势，说明测试方法可行有效。适用于大气PM2.5中阴离子表面有机活性物质间断及不间断连续样品采集的测定。通过进一步方法应用，对北京市2014年8月～2015年1月大气环境PM2.5中阴离子表面有机活性物质的质量浓度进行分析测定，初步研究了与气象因子的相关性及其对大气能见度的影响、季节变化特征，在此基础上，探讨了阴离子表面有机活性物质与大气环境PM2.5总排放质量浓度水平的相关性，为PM2.5中有机物组分的来源及分析测定方法提供了新的设想和思路。
这里本发明的描述和应用都只是说明性和示意性的，并非是想要将本发明的范围限制在上述实施例中，例如：由于大气颗粒物水溶性有机物的浸提体积只有50ml，其中还要进行其它组分的分析，目前流动注射仪-分光光度法测定阴离子表面有机活性物质的小体积进样(1-2ml)，在线双萃取排除其它物质的正负干扰，对于24小时不间断的样品采集和分析，进行检出限、精密度及准确度的分析是其它仪器不可替代的方法。这里所披露的实施例的变形和改变是完全可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说，实施例的替换和等效的各种部件均是公知的。本领域技术人员还应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现，以及在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。