中国树花在监测二噁英类大气污染物中的应用及监测方法与流程

1.本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及中国树花在监测二噁英类大气污染物中的应用及监测方法。


背景技术：

2.二噁英是一类具有高毒性的合成化学物质，在自然界中极难分解，可随大气进行长距离迁移，并在生物体内富集，危害生态环境和人类健康。因此，研究大气中二噁英的来源、迁移和沉降水平具有重要的意义。
3.目前，我国大气中二噁英污染监测主要以仪器监测为主，包括人工采样法和仪器连续采样法，这两种方法均需要在采样点放置大流量环境空气采样器，以玻璃纤维膜(gff)和聚氨酯泡沫(puf)为采样介质，采样后对大气中二噁英进行定量分析。仪器监测法在大气二噁英污染预警和防控方面具有直接、快速和准确的优势，但是，其缺陷也很明显：人工采样法仅能获取大气二噁英组分的瞬时值数据，仪器连续采样法依赖于环境监测站和大气监测采样器的部署、维护、电力供给和人工待守，二者均需要从采集介质上洗脱分离二噁英，操作繁琐，技术要求高，易造成结果失真。因此，该方法往往用于人口密集的城镇和工业区，在交通和电力不足、难以部署环境监测站和采样器的地区则难以实施监测。
4.鉴于上述问题，亟需开发一种可以持久性监测大气中二噁英类污染物、且检测分析方法简单、监测准确度高的二噁英类污染物的监测方法。


技术实现要素：

5.针对以上技术问题，本发明提供中国树花在监测二噁英类大气污染物中的应用及监测方法，该监测方法可以在任何场地实施大气中二噁英沉降长时累积程度的监测，且检测分析方法简单、监测结果失真度小。
6.为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
7.中国树花在监测二噁英类大气污染物中的应用。
8.本发明还提供一种监测二噁英类大气污染物的方法，包括如下步骤：
9.步骤a，对目标监测区域进行网格划分，获得目标监测网格区域；
10.步骤b，将中国树花分装于网袋后输送至目标监测网格区域，悬吊于支架上，大气中暴露预定时间后，将网袋取回，除去中国树花表面附着的杂质，烘干，粉碎，过筛，得中国树花粉末样品；
11.步骤c，取所述中国树花粉末样品进行萃取，将萃取液依次经多层硅胶柱和活性炭硅胶柱净化，得净化液；
12.步骤d，采用同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法测定所述净化液中二噁英的含量。
13.相对于现有技术，本发明提供的监测二噁英类大气污染物的方法，以中国树花作为二噁英生物监测器，其具有较强的二噁英积累能力，通过地衣移植监测法，以中国树花作
为大气沉降接收器，并分析中国树花中积累的二噁英含量，可实现偏远地区大气中二噁英类污染物的监测，为研究大气污染物沉降的水平、来源和时空格局提供依据，且操作方法简单，适用于在多种尺度空间上对于大气污染物沉降进行高空间分辨率的研究，弥补仪器监测法费用昂贵、操作繁琐、操作技术水平要求高等不足，而且，本发明提供的监测二噁英类大气污染物的方法可以突破地衣物种在地理空间上的分布局限，实现在陆地地表的任何地方检测二噁英类大气污染物的目的，为大气二噁英沉降监测提供了新技术，具有重要的应用价值。
14.具体地，所述中国树花为燕山北端山地森林生态系统中的中国树花。该地区中国树花样品中二噁英初始含量(即移植之前的含量)极低，可实现对监测区域二噁英类大气污染物的准确监测。
15.具体地，选择中国树花时，选取直径3mm-5mm的中国树花，戴清洁塑料手套，从树皮上将中国树花轻轻掰取，置于牛皮纸袋中，室温下暗处自然风干。
16.优选的，每一目标监测网格区域的大小为5
×
5km
2-30
×
30km2，每个目标监测网格区域内监测点的大小为0.5
×
0.5km
2-1
×
1km2。
17.优选的，每个监测点中设置1-3个子样点，每个子样点中悬吊1个网袋，网袋的悬吊高度为距离地面2m-3m处。
18.优选的，每个网袋中装载3-5个中国树花，所述网袋由尼龙网套制成，网袋上设有孔径为1mm-2mm的若干网孔。
19.进一步地，所述中国树花的直径＞3cm。
20.需要说明的是，装载中国树花时要确保互不叠压，装载后立即移植。
21.优选的，步骤b中，所述预定时间为1-3个月。
22.优选的，步骤b中，烘干的温度为40℃-50℃，过筛的目数为100目-200 目。
23.需要说明的是，监测结束后，使用对二噁英类物质无吸附作用的牛皮袋、不锈钢或铝合金材质器具采集和储存中国树花，将其运送回实验室，于解剖镜下，用镊子和小毛刷清除中国树花表面附着的生物碎屑、土壤和岩石颗粒等杂物后，烘干、粉碎、研磨、过100-200目筛。
24.优选的，步骤d中，萃取溶剂为正己烷、二氯甲烷和丙酮的混合溶液。
25.进一步地，步骤d中，萃取溶剂为体积比为40:40:20的正己烷、二氯甲烷和丙酮的混合溶液。
26.优选的，步骤d中，所述多层硅胶柱的填料由下至上依次为无水硫酸钠、硅胶、1％-3％氢氧化钾硅胶、硅胶、43％-45％硫酸硅胶、21％-23％硫酸硅胶、硅胶、9％-11％硝酸银硅胶和无水硫酸钠。
27.具体地，所述1％-3％氢氧化钾硅胶为将氢氧化钾和硅胶混合得到的，其中氢氧化钾的质量含量为1％-3％。43％-45％硫酸硅胶为将98％浓硫酸与硅胶混合得到的，其中，98％浓硫酸的质量含量为43％-45％。21％-23％硫酸硅胶为将将98％浓硫酸与硅胶混合得到的，其中，98％浓硫酸的质量含量为21％
‑ꢀ
23％。9％-11％硝酸银硅胶为将硝酸银和硅胶混合得到的，其中，硝酸银的质量含量为9％-11％。
28.优选的，步骤d中，所述活性炭硅胶柱的填料由下至上依次为无水硫酸钠、 9％-11％活性炭硅胶和无水硫酸钠。
29.具体地，9％-11％活性炭硅胶为将活性炭和硅胶混合得到的，其中，活性炭的质量含量为9％-11％。
30.优选的，步骤c中萃取的具体步骤为：
31.在萃取池自下而上依次填充硅胶和弗罗里硅土，将所述中国树花粉末样品与硅藻土混合均匀后，加入萃取池后，加入提取内标物和萃取溶剂，用加速溶剂萃取仪进行萃取，加热温度为148℃-152℃，萃取时间为7min-9min，萃取压力为10mpa-10.5mpa，萃取结束后将萃取液浓缩至1ml-2ml，得浓缩液。
32.使用加速溶剂萃取，萃取时间短(30min)，有机溶剂用量少(萃取液体积 30ml)，自动化程度高；将中国树花样品与硅藻土混合，并在萃取池中自下而上填充硅胶和弗罗里硅土可将中国树花中含有大量的色素样品中的二噁英进行较好提取和净化，将提取和部分净化步骤合二为一，提取过程中同时去除基质中的大量干扰物，大大节省了前处理时间，同时减少了有机溶剂的使用量，为以后检测二噁英开辟了一条快速高效便捷的方法。
33.优选的，步骤c中，多层硅胶柱和活性炭硅胶柱净化的具体步骤为：
34.将所述浓缩液加入多层硅胶柱中，用正己烷淋洗，将洗脱液浓缩至1ml
‑ꢀ
2ml，得初级净化液；
35.将所述初级净化液加入活性炭硅胶柱中，用正己烷和二氯甲烷的混合溶液淋洗，弃去淋洗液，将活性炭硅胶柱倒置，用甲苯淋洗，收集洗脱液，并将洗脱液浓缩至1ml-2ml，氮气吹干，加入进样内标物和癸烷，混合均匀，得净化液。
36.优选的净化方法，可将中国树花中含有的大量色素以及基质中大量干扰物去除，使中国树花中积累的二噁英得到有效富集，提高了后续分析检测结果的准确性和可靠性。
37.优选的，高分辨气相色谱条件为：
38.色谱柱：thermotr-dioxin-5ms毛细管色谱柱，60m
×
0.25mm
×
0.25μm；
39.柱温：138℃-142℃维持1min-2min，然后以19℃/min-21℃/min的速率升温至198℃-202℃，维持1min-2min，再以4℃/min-6℃/min的速率升温至218℃
ꢀ‑
222℃，维持15min-17min，再以4℃/min-6℃/min的速率升温至233℃-237℃，维持6min-8min，最后以4℃/min-6℃/min的速率升温至308℃-312℃，维持 9min-11min；
40.进样口温度：268℃-272℃；
41.传输线温度：278℃-282℃；
42.进样方式：不分流；
43.载气流速：0.9ml/min-1.1ml/min。
44.优选的，高分辨质谱条件为：电离方式：电子轰击离子源；电子能量： 45ev；离子源温度：250℃；加速电压：4800v；分辨率≥10000；采集方式为选择离子监测模式；二噁英的[m]
+
、[m+2]
+
、[m+4]
+
特征离子如下：
[0045][0046][0047]
优选的高分辨气相色谱-高分辨质谱法的检测条件，可实现中国树花中多种二噁英类物质(17种)的准确检测，对2,3,7,8-氯代二噁英类物质、四氯代
‑ꢀ
八氯代的多氯代二苯并-对-二噁英(pcdds)和多氯代二苯并呋喃(pcdfs) 进行定性和定量，且经方法学验证表明，该检测方法的准确度、灵敏度、稳定性好，在中国树花取样量为2.0g时，2,3,7,8-四氯代二苯并二噁英(2,3,7,8
‑ꢀ
tcdd)和2,3,7,8-四氯代二苯并呋喃(2,3,7,8-tcdf)的检出限为0.05ng/kg、八氯代二苯并二噁英(ocdd)和八氯代二苯并呋喃(ocdf)的检出限为 0.50ng/kg、其余pcdd/fs的检出限为0.20ng/kg。
[0048]
本发明方法以中国树花作为地衣，通过地衣移植检测法对二噁英类大气污染物进行监测，可在陆地地表的任何地方实施大气二噁英沉降长时累积程度的多种空间分辨率和时间分辨率上的网格化监测，且通过对中国树花中积累的二噁英类物质的提取净化，并采用特定检测条件的同位素稀释高分辨气相色谱
‑ꢀ
高分辨质谱法，实现了对中国树花中17种二噁英类物质的定性和定量检测，且17种二噁英类物质的检出限在0.05-0.2ng/kg之间实
际样品内标平均回收率为42％～89％，对于进一步研究大气二噁英的来源、分布、迁移和沉降水平具有重要的意义。
附图说明
[0049]
图1为实施例1中目标监测网格区域的示意图，其中，表示一个监测点，每个方格代表一个目标监测网格区域，大小为5
×
5km
2-30
×
30km2；
[0050]
图2为实施例1中中国树花监测前和监测3个月后的二噁英毒性当量对比图。
具体实施方式
[0051]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0052]
实施例1
[0053]
1.1主要仪器和试剂
[0054]
thermo ase 350型加速溶剂萃取仪，美国thermo fisher公司。buchir300旋转蒸发仪，瑞士buchi公司。手动氮吹浓缩仪，上海安谱科技股份有限公司。thermotrace1310-dfs高分辨气相色谱-高分辨质谱仪，美国 thermo fisher公司。thermo tr-dioxin-5ms毛细管色谱柱： 60m
×
0.25mm
×
0.25μm，美国thermo fisher公司。
[0055]
丙酮、甲苯、正己烷、二氯甲烷、癸烷均为农残级试剂，美国thermofisher公司。盐酸、浓硫酸、无水硫酸钠、氢氧化钾、硝酸银均为优级纯，国药集团化学试剂公司。层析填充柱用硅胶、活性炭硅胶，日本和光试剂公司。二噁英类标准溶液(1613-cs)、提取内标(1613-lcs)、进样内标(1613
‑ꢀ
iss)，介质为壬烷，1ml，美国wellington公司。质量校准物质(pfk)，美国wellington公司。硅藻土、弗罗里硅土，上海安谱科技股份有限公司。
[0056]
1.2仪器条件
[0057]
高分辨气相色谱条件：进样方式：不分流进样；进样量：1.0μl；进样口温度：270℃；传输线温度：280℃；载气流速：1.0ml/min；程序升温：初始温度140℃，保持1min，以20℃/min的速度升温至200℃，保持1min，然后以 5℃/min的速度升温至220℃，保持16min，然后以5℃/min的速度升温至235℃，保持7min，再以5℃/min的速度升温至310℃保持10min。
[0058]
质谱条件：电子轰击离子源(ei)，电子能量45ev；离子源温度250℃；加速电压4800v；选择离子检测，质谱分辨率≥10000；待测各化合物的监测峰如表1所示，利用同位素稀释内标法以及色谱保留规律定性定量。
[0059]
表1质量数设定(监测离子和锁定质量数)
[0060][0061][0062]
1.3实验方法
[0063]
1.3.1样品采集和制备
[0064]
1)选择监测点：
[0065]
选择目标监测区，将目标监测区域进行网格划分，获得目标监测网格区域 (如图1所示)，每一目标监测网格区域的大小设为5
×
5km
2-30
×
30km2，每个目标监测网格区域内监测点的大小为0.5
×
0.5km
2-1
×
1km2；
[0066]
2)中国树花采集：
[0067]
从河北围场塞罕坝(背景区)选取直径3mm-5mm的中国树花，戴清洁塑料手套，从树皮上将中国树花轻轻掰取，置于牛皮纸袋中，运回实验室，室温下暗处自然风干；
[0068]
3)中国树花分装：
[0069]
随机选择中国树花放置于孔径1mm-2mm的10cm
×
10cm的尼龙网袋中，每个网袋装载直径＞3cm的中国树花3-5个(干重5-10g)，装载时要确保互不叠压，装载后立即移植；
[0070]
4)中国树花移植：
[0071]
在每个监测点随机选择彼此间距10m-100m的子样点2-3个，于监测起始日期，在每个小样点中将装载中国树花的尼龙网袋悬挂于离地面高度2m-3m 处；
[0072]
5)中国树花回收：
[0073]
经过3个月的大气暴露后，将尼龙网袋取下，将中国树花移植至干净的牛皮袋中，密封，将其运送回实验室，于解剖镜下，用镊子和小毛刷清除中国树花表面附着的生物碎屑、土壤和岩石颗粒等杂物后，烘干、粉碎、研磨、过 100目-200目筛，得中国树花粉末样品；
[0074]
6)样品前处理：
[0075]
先在萃取池底部自下而上依次加入5g硅胶和5g弗罗里硅土，称取2.00g 中国树花粉末样品与硅藻土混匀，置于萃取池中，加入5μl提取内标(1613
‑ꢀ
lcs)，用加速溶剂萃取仪进行萃取。加速溶剂萃取条件如下：萃取溶剂：体积比40:40:20的正己烷、二氯甲烷和丙酮的混合溶液；加热温度：150℃；升温时间：7min；静态萃取时间：8min；压力：10.3mpa(1500psi)；循环两次；氮气吹扫时间：120s，萃取结束后将萃取液浓缩至1ml-2ml，得浓缩液；
[0076]
7)多层硅胶柱净化：
[0077]
多层硅胶柱依次装填无水硫酸钠4g，硅胶0.9g，2％氢氧化钾硅胶3g，硅胶0.9g，44％硫酸硅胶4.5g，22％硫酸硅胶6g，硅胶0.9g，10％硝酸银硅胶3g，无水硫酸钠6g，用100ml正己烷淋洗多层硅胶柱，然后将上述浓缩液定量转移到多层硅胶柱上，用200ml正己烷淋洗，将洗脱液浓缩至1ml-2ml，得初级净化液；
[0078]
8)活性炭硅胶柱净化：
[0079]
活性炭硅胶柱依次填充约10mm厚的无水硫酸钠、10％活性炭硅胶1.0g、约10mm厚的无水硫酸钠，用20ml正己烷淋洗活性炭硅胶柱。将经过多层硅胶柱净化的样品浓缩液定量转移到活性炭硅胶柱上。用30ml正己烷和10ml 二氯甲烷混合溶液淋洗，弃去淋洗液，翻转活性炭柱，用60ml甲苯淋洗，收集淋洗液并浓缩至1-2ml，氮吹至近干，加入5μl进样内标(1613-iss)和 45μl癸烷，涡旋振荡混匀，得净化液。
[0080]
9)按照1.2仪器条件将上述净化液进行检测，根据中国树花中二噁英含量计算二噁英毒性当量，结果如图2所示。
[0081]
其中，二噁英的毒性当量的计算公式为：
[0082]
teq＝σ(二噁英异构体浓度)
×
tef
[0083]
式中，tef为二噁英化合物的毒性当量因子(toxic equivalency factor)，即将毒性最强的2,3,7,8-tcdd的毒性当量因子规定为1，tef为二噁英异构体毒性与2,3,7,8-tcdd毒性相比的毒性系数。
[0084]
实施例2
[0085]
同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法方法学验证：
[0086]
2.1相对响应因子
[0087]
测定有5种以上质量浓度标准溶液序列，标准溶液中化合物对应的检测离子的离子丰度比应与理论离子丰度比(见表2)大体一致，变化范围应在
±
15％以内。计算各质量浓度点待测化合物相对于提取内标的相对响应因子 (rrfes)。然后进行样品测定，得到二噁英类各监测离子的色谱图。
[0088]
表2根据氯原子同位素丰度比推算的理论离子丰度比
[0089][0090][0091]
2.2结果与计算
[0092]
2.2.1定性分析
[0093]
二噁英类同类物的两个监测离子在指定保留时间窗口内同时存在，并且其离子丰度比与表2所列理论离子丰度比一致，相对偏差小于15％。同时满足上述条件的色谱峰定性为二噁英类物质。除满足以上要求外，色谱峰的保留时间应与标准溶液一致(3s以内)，同时内标的相对保留时间亦与标准溶液一致(0.5％以内)。同时满足上述条件的色谱峰定性为2,3,7,,8-氯代二噁英类。
[0094]
2.2.2定量分析
[0095]
采用内标法计算分析样品中被检出的二噁英类化合物的绝对量(q)，按下式计算2,3,7,8-氯代二噁英类化合物的q。对于非2,3,7,8-氯代二噁英类，采用具有相同氯取代原子数的2,3,7,8-氯代二噁英类rrfes均值计。
[0096][0097]
式中：q—分析样品中待测化合物的量，ng；
[0098]
a—色谱图待测化合物的监测离子峰面积之和；
[0099]
aes—提取内标的监测离子峰面积之和；
[0100]
qes—提取内标的添加量，ng；
[0101]
rrfes—待测化合物相对提取内标的相对响应因子。
[0102]
用下式计算样品中的待测化合物质量分数。
[0103][0104]
式中：ω—样品中待测化合物的质量分数，ng/kg；
[0105]
q—样品中待测化合物总量，ng；
[0106]
m—样品量，kg；
[0107]
w—含水率，％。
[0108]
2.3标准曲线和检出限
[0109]
分别进样系列不同浓度的pcdds和pcdfs标准溶液cs1-cs5，以各pcdds 和pcdfs化合物的质量浓度对相应的峰面积绘制标准曲线，根据us epa1613 方法
[12]
，计算各质量浓度点待测化合物相对于提取内标的相对响应因子，并计算其相对标准偏差，以3倍信噪比确定各化合物单体的检出限，结果如表3所示。
[0110]
表3 17种pcdd/fs的平均相对响应因子及方法检出限
[0111]
[0112][0113]
2.4精密度与准确度
[0114]
选取地衣实际样品，添加二噁英同位素内标标准物质，分别重复测定 (n＝6)实际加标样品，测定结果见表4。通过实际样品加标测定，内标平均回收率为42％～89％，符合国际标准方法us epa1613对同位素内标回收率的要求。
[0115]
表4实际样品内标回收率分析结果
[0116]
[0117][0118]
综上所述，本发明提供的高分辨气相色谱/高分辨质谱法分析地衣中17种 pcdd/fs的分析方法，样品经加速溶剂萃取、净化和浓缩后，以 hrgc/hrms对地衣样品中的pcdd/fs进行了定性、定量分析。结果表明，该方法内标平均回收率为42％～89％，分析结果准确可靠，符合国际标准方法 us epa1613对同位素内标回收率的要求。该方法在中国树花样品中二噁英的检测上具有广泛的应用前景，可以为研究大气二噁英的来源、分布、迁移和沉降水平提供数据支撑。
[0119]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。