个体暴露空气中多环芳烃污染物的样品采集装置及对该污染物的分析与评价方法

摘要

本发明公开了一种个体暴露空气中多环芳烃污染物的样品采集装置及对该污染物的分析与评价方法，该采集装置包括通过管路连接的个体采样泵以及装有薄膜的切割头，还包括一块状PUF固定器，其底端封闭，从顶端向底端方向平行开设两圆柱孔且两圆柱孔在固定器下端连通，两圆柱孔中装有两段相同形状和质量的PUF。本发明对多环芳烃的分析不仅针对薄膜采集的颗粒相，还针对PUF采集的气相进行，从而可以获取人体同时暴露颗粒相和气相中多环芳烃的浓度和剂量，有效提高了暴露评价的准确性和有效性。

说明书

技术领域

本发明属于环境监测、职业安全和人群健康风险评价领域，涉及人体暴露空气中污染物的评价方法，具体涉及一种可由人体佩带、同时采集和评价人体呼吸带暴露气相和颗粒相中多环芳烃污染物的采样方法和暴露评价方法。 

背景技术

在评价人体通过呼吸暴露空气中多环芳烃的健康风险中，往往需要让受试者佩戴个体采样泵来跟踪采集其个体呼吸带的空气样品，估算多环芳烃的暴露剂量，以此了解个体所处的环境空气质量、职业车间空气质量以及个体暴露多环芳烃的健康风险水平。原有的采样器装置包括采样泵、采样管路和PM₁₀切割头(内装采样滤膜)三部分，采样装置可以由人体佩带，随着人体的移动而移动，适时采集人体呼吸带空气颗粒物和气相样品中的多环芳烃，其中主要通过采样头的滤膜来采集空气中的颗粒物。由于多环芳烃(PAHs)类化合物在颗粒相和气相中均有较大分布，尤其是2～4环的PAHs在气相中也有相当大的比例分布，而现有的个体采样装置仅能采集大气的颗粒相样品，不能采集气相样品，这样对因漏采气相样品而对空气中PAHs的暴露浓度的检测带来一定的偏差。 

现有的多环芳烃污染物个体呼吸暴露和风险评价，往往仅针对颗粒相样品进行分析和评价，从而漏掉了不能富集到颗粒中大量存在的小环多环芳烃，致使评价结果存在一定的偏差。 

发明内容

本发明的目的是提供一种可以同时采集颗粒相样品和气相样品的对个体暴露空气中多环芳烃污染物的样品采集装置。 

为实现上述目的，本发明一种个体暴露空气中多环芳烃污染物的样品采集装置，包括通过管路连接的个体采样泵以及装有薄膜的切割头，还包括一PUF固定器，其中装设PUF，其一端与个体采样泵管路连接，另一端与切割头管路连接。 

所述PUF固定器呈块状，底端封闭，从顶端向底端方向平行开设两圆柱孔 且两圆柱孔在固定器下端连通，两圆柱孔中装有两段相同形状和质量的PUF，圆柱孔的顶部设螺母，螺母中空。 

所述个体采样泵与固定器的一个螺母通过管路连接，固定器的另一个螺母通过管路与切割头连接。 

圆柱孔与螺母之间以及所有管路接口均密封。 

本发明还提供一种多环芳烃污染物个体呼吸暴露的分析与评价方法。 

所述个体暴露空气中多环芳烃污染物的分析方法，使用前述的样品采集装置对个体暴露空气中的多环芳烃进行采集，并分别对吸附在薄膜和PUF中的多环芳烃进行提取，再用气相色谱-质谱联定量分析各多环芳烃的浓度C_g，i和C_s，i；其中： 

C_g，i为仪器检测的第i种多环芳烃的气相浓度(ng/ml)， 

C_s，i为仪器检测的第i种多环芳烃的颗粒相浓度(ng/ml)。 

该分析方法，进一步包括利用各多环芳烃的浓度计算得到空气中总的多环芳烃污染物BaP当量浓度C(ng/m³)的过程，利用以下算式进行计算： 

C_i＝(C_g，i+C_s，i)/(V_前+V_后)×0.03h    (式一) 

C＝∑C_i×TEF_i                         (式二) 

其中，C_i：第i种多环芳烃在空气中的总浓度(ng/m³)， 

V_前：采样前流量计对个体采样装置的校正流量(L/min)， 

V_后：采样后流量计对个体采样装置的测定流量(L/min)， 

h：采样时间(h)， 

TEF_i：第i种多环芳烃的BaP毒性当量因子。 

该分析方法中，个体采样装置中所述滤膜为石英滤膜，需进行以下处理：将石英滤膜用锡箔纸包裹后放入马弗炉中400℃下干燥12h，将干燥后的滤膜放入干燥器中平衡24h以上待用；所述PUF滤芯需先通过加速溶剂萃取仪100℃下用二氯甲烷P丙酮(3∶1，体积比)混合液进行抽提净化，干燥后立即用干净的锡箔纸包裹并放入密封袋中，置于-20℃保存待用。 

所述对吸附在薄膜和PUF中的多环芳烃进行提取的过程包括：将滤膜和PUF分别放入索氏提取器的提取管中，在索氏提取器的提取瓶中加入150ml二氯甲烷，在70℃的水浴条件下放置16h提取；提取后的溶液在40℃水浴下真空旋转蒸发至约1ml，再用高纯氮气吹至0.1ml，用乙腈定容到1ml，最后通过PVDF过滤后装入HPLC自动进样小瓶中待测。 

所述用气相色谱-质谱联定量分析各多环芳烃的浓度C_g，i和C_s，i，是先利用各多环芳烃标准样品(50ng/ml)得到色谱图，再分别对PUF和薄膜中提取的样品进行测定并得到各多环芳烃的浓度C_g，i和C_s，i。 

所述多环芳烃包括萘，苊，二氢苊，芴，菲，蒽，荧蒽，芘，苯并(a)蒽，屈，苯并(b)荧蒽，苯并(k)荧蒽，苯并(a)芘，茚(1，2，3-cd)芘，二苯并(a，h)蒽，苯并(g，h，i)苝。 

本发明提供的个体暴露空气中多环芳烃污染物的评价方法，是利用前述分析方法中得到的多环芳烃污染物BaP当量浓度C(即CA)，用式三进行多环芳烃的暴露剂量计算： 

$\mathrm{Di}=\frac{C_A\times \mathrm{IR}\times \mathrm{ET}\times \mathrm{EF}\times \mathrm{ED}}{\mathrm{BW}\times \mathrm{AT}}$

                                (式三) 

其中： 

D_i为个体呼吸暴露剂量(mg/kg-day)，EF为个体年暴露多环芳烃的天数(days/year)，C_A为个体呼吸暴露多环芳烃毒性当量浓度(mg/m³)，E为个体暴露多环芳烃的总年数(years)，IR为呼吸速率(m³/hour)，BW为个体体重(kg)，ET为个体日暴露多环芳烃的小时数(hours/day)，AT为个体平均寿命(days)； 

再用式四进行呼吸暴露多环芳烃的风险评价计算： 

R＝Di×CSF                      (式四) 

其中，R为人体通过呼吸暴露多环芳烃的健康风险值， 

CSF为USEPA推荐的吸入BaP的致癌强度系数，为常数3.1(mg/kg·d)^-1； 

风险评价标准根据美国EPA推荐使用的风险标准，即R＜10^-6，表示危险度不明显；R在10^-6-10^-4之间，表示存在危险度；R＞10^-4表示有显著危险度。 

采用以上方案，本发明的采集装置由于夹设了固定器作为气相样品采集部分，可以同时采集颗粒物和气相中的多环芳烃，大大的提高采样的准确性；固定器设计成“两段式”，可分别安装两段相同形状和质量的PUF，可以有效的检验了气相样品采集的穿透率，有效的保证了采样的质量，提高了采样效率。 

本发明分析与评价方法可以适时采集个体呼吸带的多环芳烃浓度，与固定采样评价方法相比，可以有效地评价个体在一定时间(一般为24小时)内的真实暴露情况，不会因人体的移动而产生采样偏差。该方法通过同时采集颗粒相和气相，能有效评价人体同时暴露颗粒相和气相中多环芳烃的浓度和剂量，有效提高 了暴露评价的准确性和有效性。 

附图说明

图1为本发明采样装置的构成示意图。 

图2为本发明采样装置中气相采集部分PUF固定器剖面结构图。 

图3为PAHs标准试剂色谱图 

图4为使用本发明方法检测获得多环芳烃(PAHs)在颗粒相(PM₁₀)和气相的分配比例图。 

具体实施方式

本发明首先提供一种个体暴露空气中多环芳烃污染物的样品采集装置，称为个体采样装置。 

参见图1所示，本发明个体采样装置包括顺序以管路4连接的个体采样泵1、PUF固定器3以及切割头2，其中：个体采样泵1为采样动力部分，自带电池；切割头2为颗粒物采集部分，可以由PM₁₀或PM_2.5制成，其中安装滤膜，可以将颗粒物采集到滤膜上面用于大气中颗粒样品的采集；PUF固定器3为气相采集部分，其中安装两段PUF(polyurethane foam plug，中文名称：聚氨酯泡沫)用来吸附气相以采集气相样品；PUF固定器3的结构参见图2所示，为一聚四氟乙烯块状物，底端31封闭，从顶端32向底端方向平行开设两圆柱孔33，两圆柱孔33在固定器下端连通，两圆柱孔33中安装两段相同形状和质量的PUF，圆柱孔33的顶部设中空螺母34，螺母34分别与管路4连接并密封，在两个圆柱孔33的上端分别安装一个中空的螺母34，螺母34与孔壁接触的地方，可以用生料带包裹以免漏气，一个螺母34通过管路4连接个体采样泵1，另一个螺母34通过管路4连接采样切割头2；管路4为塑料管，是气体的导管。这里，个体采样泵1、切割头2以及管路4均为现有装备。 

该样品采集装置装配过程：在固定器3的两个圆柱孔33中分别装入一段PUF，加上螺母34并分别与圆柱孔33上端固定，连接处密封；在切割头2中装入采样滤膜，切割头2正对采样口的部分应涂上少许硅烷油，以减少粒子溅射；用一根管路4将个体采样泵1的进气端与固定器3的一个螺母34的连通孔连接，用另一根管路4将固定器3的另一个螺母34的连通孔与切割头2的出气端连接，在管路接口处采用生料带包裹以免漏气，整个采样装置配连接后需进行气密性检查以保证全部接口密封。 

该样品采集装置使用过程：将装配好的个体采样泵1和PUF固定器3放于包中随身携带，已装有薄膜的切割头2定位于胸前，开启采样泵24h，通过切割2的薄膜可以把空气中颗粒物拦截，通过PUF固定器3中的PUF可以把透过薄膜的气相样品吸附。采样结束后，将薄膜和PUF从采样装置上取下，经处理后用于检测最终可以得出人体呼吸暴露多环芳烃的浓度(每立方米的质量浓度)。 

本发明进一步提供一种可以同时评价个体呼吸暴露空气颗粒物和气相中多环芳烃的浓度和剂量的方法。该方法包括样品采集、样品前处理、样品检测分析以及结果计算四个环节。具体说明如下： 

第一步  样品采集

样品采集由个体采样装置完成，采样装置中的辅助采样材料为石英纤维滤膜和PUF，其中滤膜和PUF均需处理方可使用，具体的处理方法如下： 

(1)石英滤膜处理：将25mm石英滤膜用锡箔纸包裹后放入马弗炉中400℃下干燥12h。将干燥后的滤膜放入干燥器中平衡24h以上待用。 

(2)PUF处理：用于采样的PUF滤芯事先通过Dionex ASE 300型加速溶剂萃取仪(accelerated solvent extraction，ASE)进行净化，ASE的工作条件如下：提取溶剂∶二氯甲烷P丙酮(3∶1，体积比)混合液；系统工作压力：1147×106Pa；萃取温度：100℃；升温预热时间：5min；稳定提取时间：5min；冲洗体积：60％；吹洗时间：60s；循环：2次。抽提过的PUF滤芯干燥后立即用干净的锡箔纸包裹并放入密封袋中，置于-20℃保存待用。 

采样准备：在聚四氟乙烯固定器的两孔中各装入一段处理后的PUF；在切割头中装入石英纤维滤膜(毛面朝上)，为了减少粒子溅射，需在切割头正对采样口的部分涂上少许硅烷油；然后通过采样管路，螺母将采样泵、聚四氟乙烯固定器和采样切割头连接起来，在管路接口处采用生料带包裹以免漏气。整个采样装置连接后需进行气密性检查，具体的检查方法为：在管路的连接口附近涂少许肥皂液，开启采样设备，少许，检查接口处是否有液泡产生，如果有，说明采样装置漏气，需检查重新安装，没有液泡则气密性良好，可以使用。 

在确认整个采样装置气密性良好的状态下，使用流量计对个体采样装置的流量进行校准(一般校准流量为4ml/min)，并记录流量为V_前(L/min)。采样24h。采样结束时对流量进行测量，记录流量为V_后(L/min)。 

采样过程：在个体采样的过程中，采样泵、聚四氟乙烯固定器可以装入方便的 背包内，便于受试者随身携带，连接PM10采样切割头的一端伸出，通过采样切割头上附带的夹子固定在受试者的衣领附近位置，以确保采样切割头的采样口位于受试者呼吸带部位。受试者除了淋浴、洗澡和游泳(在这种情况下，采样装置应避免潮湿，但应尽可能接近受试者)外受试的24h小时内携带，睡觉时采样口置于呼吸带高度。采样结束时进行流量的测定，以确定采集样品体积。采样后PUF和石英滤膜(PM₁₀)置于玻璃器皿中-20℃闭光密封保存，并尽快提取和分析，以减少多环芳烃的损失。 

第二步  样品的前处理

采样结束后，分别对颗粒相(PM₁₀)和气相(PUF)中的多环芳烃(PAHs)进行提取。 

提取操作：将PM₁₀和PUF分别放入索氏提取器的提取管中，在索氏提取器的提取瓶中加入150ml二氯甲烷，在70℃的水浴条件下放置16h提取。提取后的溶液首先在40℃水浴下真空旋转蒸发至约1ml，再用高纯氮气吹至0.1ml，用乙腈定容到1ml，最后通过PVDF过滤后装入HPLC自动进样小瓶中待测。样品在整个处理过程中都要注意避光。所得提取液在冰箱中冷冻(-20℃)保存。 

第三步  样品的检测分析

用气相色谱-质谱联用对多环芳烃进行定量分析，16种多环芳烃分离时的仪器条件如下所示。 

气化室温度：280℃； 

接口温度：290℃； 

离子源温度：230℃； 

四级杆温度：150℃； 

载气流量：1.0ml/min； 

色谱柱类型：DM-5MS/LB； 

柱温：60℃(2min)→20℃/min→150℃(1min)→6℃/min→230℃(1min)→1℃/min→240℃(2min)→8℃/min→300℃(10min)。 

使用上述方法进标准样品(50ng/ml)，得到色谱图如图3所示，其中各标号代表：1萘，2苊，3二氢苊，4芴，5菲，6蒽，7荧蒽，8芘，9苯并(a)蒽，10屈，11苯并(b)荧蒽，12苯并(k)荧蒽，13苯并(a)芘，14茚(1，2，3-cd)芘，15二苯并(a，h)蒽，16苯并(g，h，i)苝。 

再用气相色谱-质谱联对第二步得到的提取液样品分别进行分析，利用标样色谱图计算得到样品中各多环芳烃的浓度，从PUF提取的第i种组分的浓度(气相浓度)仪器测定值记为C_g，i，从PM₁₀滤膜提取的第i种组分的浓度(颗粒浓度)仪器测定值记为C_s，i。 

第四步结果计算

(1)多环芳烃呼吸暴露样品中浓度计算公式 

C_i＝(C_g，i+C_s，i)/(V_前+V_后)×0.03h    (式一) 

C＝∑C_i×TEF_i                         (式二) 

其中，C_i：第i种多环芳烃在空气中的总浓度(ng/m³) 

C_g，i：仪器检测的第i种多环芳烃的气相浓度(ng/ml) 

C_s，i：仪器检测的第i种多环芳烃的颗粒相浓度(ng/ml) 

V_前：采样前校正流量(L/min) 

V_后：采样后测定流量(L/min) 

h：采样时间(h) 

TEF_i：第i种多环芳烃的BaP毒性当量因子，具体见表1所示 

C：空气中总的多环芳烃BaP当量浓度(ng/m³) 

表1  多环芳烃的BaP毒性当量因子(TEF) 

  多环芳烃   BaP毒性当量因子(TEF)   萘   0.001   苊   0.001   芴   0.001   菲   0.001   蒽   0.01   萤蒽   0.001   芘   0.001   苯并(a)蒽   0.1   屈   0.01   苯并(b)萤蒽   0.1   苯并(k)萤蒽   0.1   苯并(a)芘   1   二苯并(a，h)萤蒽   1   苯并(g，h，i)芘   0.01   茚并(1，2，3)芘   0.1

[0081] (2)多环芳烃的暴露评价计算公式： 

$\mathrm{Di}=\frac{C_A\times \mathrm{IR}\times \mathrm{ET}\times \mathrm{EF}\times \mathrm{ED}}{\mathrm{BW}\times \mathrm{AT}}$

                            (式三) 

其中： 

D_i呼吸暴露剂量(mg/kg-day)            EF  年暴露多环芳烃的天数(days/year) 

C_A个体呼吸暴露多环芳烃毒性当量浓度(mg/m³) 

E暴露多环芳烃的总年数(years) 

IR呼吸速率(m³/hour)                  BW  体重(kg) 

ET日暴露多环芳烃的小时数(hours/day)  AT  平均寿命(days) 

这里，C_A为PM₁₀和PUF采集的多环芳烃按式一和式二计算得到的总和(C_A＝C)，EF、ED、ET和IR均为通过借鉴国外的暴露参数手册或是对研究人群的实际现场调查获得的数值；BW为受试个体的体重；AT为平均寿命，一般取70年，即25550天；Di为个体呼吸暴露剂量，由以上数据代入式二计算得到。 

呼吸暴露多环芳烃的风险评价公式： 

R＝Di×CSF    (式四) 

R：人体通过呼吸暴露多环芳烃的健康风险值 

CSF：USEPA推荐的吸入BaP的致癌强度系数，为常数3.1(mg/kg·d)^-1

根据美国EPA推荐使用的风险标准在10^-6-10^-4，通常，R＜10^-6，表示危险度不明显；R在10^-6-10^-4之间，表示存在危险度；R＞10^-4表示有显著危险度。 

效果验证

用以上方法采集北方某城市60名城市居民呼吸暴露的PM10和PUF样品，并按第三步“样品的检测分析”和“式一”分析计算样品中的各多环芳烃的浓度，从而获得多环芳烃气固相浓度，结果如表2和图4所示(数据为60名受试者的平均数值)。 

结果显示：人体呼吸暴露2～3环多环芳烃(如萘、苊、菲等)主要来源于气相；人体呼吸暴露4～6环多环芳烃(如苯并(a)芘)主要来源于PM₁₀。人体呼吸暴露苯并(a)芘有95％以上均来自PM₁₀，而人体呼吸暴露萘有90％以上来自气相，只有少量来自颗粒相。可见，若不采集气相样品，将会漏掉大量的小环多环芳烃。通过增加PUF部分采集气相样品，有效避免了评价偏差的产生。 

表2  北方某城市居民呼吸暴露多环芳烃浓度 

注：C_Ai为由C_i换算成苯并(a)芘的当量浓度。 

评价实例

在以上的基础，按照“式三”计算出该城市居民日均呼吸暴露的多环芳烃剂量；其中，式三中的各参数取值如下：日均多环芳烃的暴露浓度C_A为43.72ng/m³；暴露年数ED取值为40年；年暴露天数EF取值为365天；日暴露小时数ET取值为24小时；居民预期寿命AT设为70年，即25550天；通过现场调查得出IR值为1.3m³/hour；计算得出的该市居民日均呼吸暴露多环芳烃浓度D_i为8.9×10^-6mg/kg*d，暴露风险为2.75×10^-5，整个风险值分布范围都在10^-6～10^-，4之间，风险水平高于日常活动风险，需要引起关注，但尚未超过最大可接受风险上限，应综合考虑治理风险的费用和效果来决定处理风险的方法。 

本发明的方法具有以下特点： 

(1)该方法可以适时采集个体呼吸带的多环芳烃浓度，与固定采样评价方法相比，可以有效地评价个体在一定时间(一般为24小时)内的真实暴露情况，不会因人体的移动而产生采样偏差。 

(2)可以同时采集颗粒相和气相，有效评价人体同时暴露颗粒相和气相中多环芳烃的浓度和剂量，有效提高了暴露评价的准确性和有效性。多环芳烃是一类有机污染物，其中高环的多环芳烃(如苯并(a)芘等)主要分布在颗粒相中，而小环的多环芳烃(如萘、蒽、菲等)分子量小、蒸汽压低，在空气中主要分布于气相，若没有本发明的固定器3这部分，则要漏掉大量小环多环芳烃，使得采样浓度不准确。该装置可以同时采集颗粒物和气相中的多环芳烃，大大的提高采样的准确性。 

(3)可以有效的检验了样品采集的穿透率，有效的保证了采样的质量和效率。本发明采样装置中的固定器3设计成“两段式”，可分别安装两段相同形状和质量的PUF，如果后一段的样品浓度小于前一段的样品浓度，则说明采样过程没有穿透，如果第二段的样品浓度等于或超过了第一段的浓度，则说明采样过程有穿透。这样的设计可以有效的检验了气相样品采集的穿透率，有效的保证了采样的质量，提高了采样效率。