以松针为被动采样器研究石河子市区多环芳烃的分布.doc

本科生毕业设计（论文）题目名称以松针为被动采样器研究石河子市区多环芳烃的分布 总计 毕业设计（论文） 页表格 9表插图 12幅 一、前言1.1多环芳烃的危害及产生、迁移、转化规律1.2松针作为被动采样器(生物指示器)的原因本研究采用松针采集聚苯乙烯燃烧产生的多环芳烃，是因为松针有其独特的生理结构松针表面具有气孔结构，覆盖有蜡脂类物质（长链脂肪脂、醇类、取代酚类等）松针可以作为一种天然的“被动采样器”，1. 萘Nap2. 二氢苊Acy3. 苊Ace4. 芴Fle5. 菲Phe6. 蒽Ant7. 荧蒽Fla8. 芘Pyr9. 苯并[a]蒽BaA10. Chr11. 苯并[b]荧蒽BbF12. 苯并[k]荧蒽BkF13. 苯并[a]芘BaP14. 茚并[1,2,3-cd]芘IcP15. 二苯并[a,h]蒽DaA16. 苯并[g,h,i]芘BgP图1被美国环保局列为优先污染物的16种PAHs的分子结构用于富集空气中的持久性有机污染物（POPs）而这种被动采样器的采样材料--松针表面物质，则是这种“被动采样器”的核心，是用来富集空气中POPs类污染物的有机物质。

所谓被动采样器是指相对于主动采样器而言目前，采集空气中的POPs类污染物多使用大流量空气采样器大流量采样器是一种主动采样器所谓主动采样，就是利用外加动力（如泵）把空气吸入采样器，然后目标物被采样材料所吸附或吸收主动采样器虽然具有优点，但不足之处也很明显：（1）大流量采样器的价格比较昂贵，采样器自身体积较大，采样前还需要繁琐的校正，导致采样成本较高；（2）采样需要持续稳定的动力支持，使其不适合在野外采样，尤其不适合大范围多点同时采样；（3）由于需要采集大量的空气样品才能使痕量的目标化合物的浓度达到仪器检测限，采样设备往往要连续运行几十小时，不易管理由于采样时间的偏长，还会使采样材料上所吸附/吸收的目标物质流失，导致分析结果的严重偏差诸多不足之处都限制了主动采样器的广泛使用被动采样是一种新的采样技术所谓被动采样，就是目标污染物主要借助扩散过程，不依靠外加动力，被吸附或吸收到采样材料上松针就是一种可采集空气中POPs类污染物的典型天然被动采样器被动采样器除了具有主动采样器的重复性好、区分性（区分不同地点的环境质量）好的优点外，还具有价格低廉、采样方便、不需外加动力、适合于野外采样的优点被动采样器既可以应用于大尺度大气质量研究，也可以应用于小尺度的环境空气质量监测。

20世纪90年代以来，在北美和欧洲，不乏有一些应用松针作为“被动采样器”研究空气中的有机氯农药、多环芳烃（PAHs）、多氯代二苯并二噁英/呋喃（PCDD/Fs）、多氯联苯（PCBs）和取代苯酚的实例此外，也有研究者用苔藓、树皮、干草等作为大气被动采样器这些天然被动采样器都有一个共同的特点，即：从空气中摄入POPs类污染物，植物体表面覆有蜡脂类物质（混合物或者说是组合采样材料），具有气孔结构或其他疏松多孔的结构为什么松针可作为被动采样器呢？通常，植物叶片可以通过多种途径来摄取POPs，包括：（1）大气及大气颗粒物中的POPs通过扩散和沉降作用抵达植物叶面，然后被叶面上的蜡脂类物质吸附或通过气孔吸收；（2）通过植物的根系从土壤摄取，然后通过植物的木质部迁移至各个部位植物摄取POPs的途径取决于污染物的理化性质、土壤的性质和植物的种属几乎所有的POPs都是疏水性特别强的有机污染物，所以空气是其主要的摄取途径，根际吸收的作用则非常有限在松针的表面覆盖有蜡脂类物质（长链脂肪烃、醇类、取代酚类等），它们可以吸收和富集空气中的POPs此外，松针表皮中的角质类物质也可以起到脂类的作用由于和大气长期接触，松针可以作为一种天然的“被动采样器”，用于指示POPs在空气中的污染状况，故也被人们称为生物指示器。

但是，利用植物的叶子作为被动采样器，其不足之处也很明显以松针为例，松树的种属、树龄、生长季节的不同，均可以导致监测结果大相径庭由于不同树种的松针含脂量和含水量不同，对污染物的富集能力也不同在实际研究工作中，又很难在一个比较大的监测区域内找到同一种松树这些因素也在一定程度上限制了天然被动采样器的广泛应用二、文献综述2.1 多环芳烃的提取方法2.2 多环芳烃的分析方法2.2.1气相色谱-质谱联用(GC-MS)2.3 模式判别概念及其原理、方法综述2.3.1模式判别的概念2.3.2模式判别的原理方法2.3.2.1 主成分分析[28]在很多研究中，为了全面系统地分析问题，都尽可能完整的搜集信息，对每个观测对象往往需测量很多变量（或称指标），人们自然希望用较少的新变量代替原来比较多的旧变量，而这些新变量应尽可能反映旧变量的信息主成分分析正是满足这一要求的处理多变量问题的方法由于他们能浓缩信息，使指标降维，简化指标的结构，使分析问题简单、直观、有效，故被广泛地应用于医学、心理学、经济学、环境等领域主成分分析是考察多个定量（数值）变量间相关性的一种多元统计方法它是研究如何通过少数几个主分量（即原始变量的线性组合）来解释多变量的方差—协方差结构。

具体地讲，是导出少数几个主分量，使它们尽可能多地保留原始变量的信息，且彼此间不相关主成分分析常被用来寻找判断某种事物或现象的综合指标，并给综合指标所蕴藏的信息以恰当解释，以便更深刻地揭示事物内在的规律其一般步骤为：（1） 对原p个指标的np个原始数据标准化目的是为了消除变量间在数量级上或量纲上的不同而产生的影响，以使每个变量的平均值为0，方差为1变换标准化的公式为 其中和分别是第j个变量的平均值和标准差2） 根据标准化矩阵求出协方差矩阵（与相关矩阵完全一样）3） 求出协方差矩阵的特征根和特征向量4） 确定主成分，结合专业知识给各主成分所蕴藏的信息给予恰当的解释，并利用它们来判断样品的特性2.3.2.2 聚类分析[28]三、实验方法3.1 样品采集将七年生的黑松放入与燃烧室直接相通的熏蒸室，在燃烧炉内燃烧总质量为3.0Kg的聚苯乙烯泡沫塑料，全程燃烧时间控制为：2.0h；为使燃烧生成的空气相中的多环芳烃与松针表面蜡脂类物质的固相达到一定程度上的相平衡状态，在燃烧聚苯乙烯泡沫塑料后把松针置于熏蒸室48h；将采样后的松针用洁净的铝箔纸包好（防止因光解而使样品浓度发生变化），置入冰柜中冷藏保存待测（-20℃）。

3.2 松针前处理（PAHs的提取）将5.0克的新鲜松针置于50毫升离心管中, 加入400ng重氢标记的PAHs标样作为内标物，加入30毫升色谱纯的正己烷和丙酮的混合液(体积比为2：1)，进行1小时的超声提取和1小时的恒温摇床 (200rpm) 震荡, 取出后静置30分钟, 取上清液20毫升, 旋转蒸发至约1毫升后进入固相萃取柱SPE固相萃取柱的制作过程如下：未加填料前先用8毫升正己烷冲洗容器, 然后加一个和萃取柱内径相同的渗透垫至底部, 再将2克活性硅胶 (纯硅胶在未使用前先置于500~600℃的马夫炉中加热6~7个小时以除去其中的水分) 和1克干燥的无水Na2SO4 (分析纯, 在300~400℃下的烘箱中加热4个小时)依次加入, 中间用渗透垫隔离，最后在固相萃取柱的最上面再加一个渗透垫, 用玻璃棒压实填料SPE固相萃取柱如图3所示）用8毫升正己烷润洗SPE固相萃取柱, 随后加入经旋转蒸发后的溶液, 再用8毫升正己烷洗脱, 将用后的洗脱液废弃, 最后用8毫升正己烷/二氯甲烷(体积比1：1)洗脱并收集该洗脱液将收集的洗脱液进行旋转蒸发至大约1毫升左右，在温和的氮气流速下吹扫浓缩至近干, 再加入一定体积的正己烷至1ml左右，待进行GC-MS分析。

图3 SPE固相萃取柱制备示意图3.3 样品分析样品分析使用的是气相色谱仪 (Hewlett Packard GC 6890) 与质谱仪(Hewlett Packard MS 5973N)联机附带自动进样器(Hewlett Packard 7683)色谱柱是毛细管柱：HP-5MS，30 m250m内径，固定相厚度0.25m使用高纯氦气（纯度：99.9999%）为载气，流速为1.2 ml min-1程序升温如下设定：①初始温度：60 OC，保持2.5min；②以40℃min-1的速度升温至160℃；③以5℃min-1的速度升温至280℃；④在280℃的温度下保持5 min因此，每份样品在GC-MS中测定的总时间为34min质谱检测器先设定为全扫描 (scan) 模式，以测定16种多环芳烃和5种加重氢标记的多环芳烃内标物质 (Dr. Ehrenstoefer, Germany) 的保留时间；再根据保留时间设定为选择性离子模式(SIM)对样品中的多环芳烃进行定量分析16种多环芳烃标准物质的保留时间、定量离子和定性离子如表5所示 用浓度分别为50, 100, 200, 400, 700, 900 ng ml-1的多环芳烃标准物质溶液作出标准曲线，所有的定量分析都采用内标法（内标物为5种浓度均为400 ng ml-1的加重氢标记的多环芳烃）。

16种多环芳烃标准曲线的测定系数经实验测定均大于0.993表5 16种美国环保局规定的多环芳烃和5种重氢标记的多环芳烃内标准物质的保留时间、定量离子和定性离子NO.PAHcompoundsRetentiontime(min)Quantitation ionConfirmation ion123456789101112131415161718192021[2H10]NapNap[2H10]AceAcyAceFle[2H10]PhePheAntFlaPyr[2H12]ChrBaAChrBbFBkFBaP[2H12]PeryleneIcPDaABgP5.6635.6817.5087.7617.8148.78211.17911.24911.38515.45616.28621.59221.53121.69626.12826.22427.33427.57331.81332.05632.950136128164152154202188178178202202240228228252252252264276278276134,137127,129162150,153152,153101,200187,189176176101, 200101,200236114, 226114, 226125, 250125, 250125, 250—138, 277276, 279138, 277图4所示为16种标准多环芳烃和5种重氢标记的多环芳烃内标物质混合物的质谱图（A）和用SPE提取的样品成分的质谱图（B）。