基于色谱-质谱多维校正的大气颗粒物多环芳烃快速定量及源解析方法研究和应用

The worldwide people have paid much attention to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) because of their toxicity, carcinogenicity, mutagenicity and teratogenicity. The ambient particulate matter (APM) is the most chemically complicated component of air pollutant with a low concentration and severe mutual interference, this makes the direct and quantitative determination of PAHs in APM become even harder. Therefore, how to fast, accurate, qualitative and quantitative determination of PAHs in APM even in the presence of unknown interferents, has becomes a key problem of source apportionment of APM. The research program aims to study the content and source apportionment of PAHs in APM in city based on multiway calibration methodologies combining with the advanced analytical instruments such as gas chromatography-mass spectrometry / liquid chromatography-tandem mass spectrometry. The problem of seriously overlapping chromatograph peak will be solved by means of multi-way calibration methods in the analysis of environmental mixtures. New environmental models for dealing with nonlinear or weakly related environmental problem will be futher developed, focus on the development of three-way and four-way calibration models. In order to achieve source apportionment, a relationship between the receptor samples and the source samples of measurement matrixes will be designed, and the contribution ratio of the sources will be calculated lastly. The successful implementation of the program would be able to provide useful reference for urban air quality management.

多环芳烃（PAHs）具有致癌、致畸和致基因突变等“三致作用”，有效防治PAHs的污染已成为世界关注的热点。大气颗粒物成分复杂，浓度低，且干扰严重，很难对其中的PAHs进行直接测定。因此，如何在干扰共存下，通过简单的样品前处理，又无需组分的完全分离，实现对大气颗粒物中PAHs准确和快速的定性定量分析，是发展以PAHs为标识物的大气颗粒物源解析技术的关键问题之一。本课题拟运用具有“二阶优势”的多维校正方法和气相色谱-质谱或液相色谱-串联质谱等现代分析技术，解决大气颗粒物样本量测数据中色谱峰重叠难分辨的问题，探索痕量多组分PAHs同时、准确和快速的定性定量分析，建立用于处理非多线性或近似多线性数据的新型环境源解析模型，重点是三维和四维模型，建立受体与污染源之间的关系式并计算源对受体的贡献率，最后将新技术应用于实际城市大气颗粒物中PAHs定性定量表征和污染源解析，为城市空气质量管理提供理论依据。

本项目针对大气颗粒物（PM10）成分复杂，污染物浓度低且干扰严重，多组分同时直接快速定量及源解析困难等问题，着重开展以多环芳烃（PAHs）为目标物的PM10有机物快速定量及源解析研究。首先，在研究区域进行了采样布局，合理采集了具有代表性的PM10和典型污染源样本；接着，发展了一种气相色谱-质谱（GC-MS）二阶校正结合PAHs成分分析的PM10源解析方法；针对多组分色谱峰重叠及基线漂移问题，发展了一种高效液相色谱-二极管阵列检测器结合基于交替三线性分解（ATLD）的二阶校正方法，用于同时精准定量PM10污染源如烟囱灰和餐厨油污中15种PAHs；然后，发展了一种新的受体模型——ATLD结合得分矩阵重构法（ATLD-SMR），并推导出了PM10与污染源之间的关系矩阵，分析了5种PM10和10种典型污染源的GC-MS三维数阵以及计算了污染源对PM10的贡献率，获得了典型污染源的PAHs成分谱；针对不同程度的色谱保留时间漂移，采用了基于三线性成分模型的ATLD方法和非三线性成分模型的ATLD-多元曲线分辨（ATLD-MCR）和MCR-交替最小二乘（MCR-ALS）方法来进行处理，并对它们的结果进行了比较。本项目也进一步开展了三阶张量校正方法及其在环境复杂体系中应用研究。如针对环境体系化学成分数复杂、秩估计较困难问题，第一次提出了交替加权四线性分解结合蒙特卡洛模拟法（AWQLD-MCS）用于预估计复杂体系四维数阵化学成分数，并与核一致诊断法（CORCONDIA）、加一法（ADD-ONE-UP）和因子指示法(IND)进行了比较；另外，通过模拟和实验数据探讨了四维平行因子分析法（4-way PARAFAC）在处理四维数阵时的“三阶优势”。该项目的研究成果可望为城市与区域环境空气质量管理提供理论依据。本项目发表SCI源刊物学术论文8篇，其他论文2篇，申请发明专利1项，授权实用新型专利2项。