22多维气相色谱质谱法快速测定卷烟烟气中的苯并（a）芘

22.多维气相色谱/质谱法快速测定卷烟烟气中的苯并（a）芘谢雯燕金永明孙凯建史佳沁刘百战上海烟草（集团）公司上海200082摘要：自行组装了一套具有全自动和在线富集功能的大孔径-毛细柱多维气相色谱（MDGC）系统。应用该系统，开发了一种简便快速且准确的检测卷烟烟气苯并（a）芘的方法。捕集在剑桥滤片上的烟气冷凝物用环己烷提取后，不需要任何净化，可直接进行MDGC-MS-SIM分析。方法的重现性、回收率和检测限均令人满意。对不同配方和滤嘴的卷烟样品进行了定量测定，对样品的测定结果进行了比较。关键词：多维气相色谱卷烟烟气苯并（a）芘XieWenyanJinYongmingSunKaijianShiJiaqinLiuBaizhanShanghaiTobacco(Group)CompanyShanghai200082Abstract:Benzo(a)pyreneisconsideredasoneofthemostharmfulcompoundsincigarettesmokeandincludedintheHoffmannList.Duetohundredsofpolyaromatichydrocarbons(PAH)existsincigarettesmoke,determinationofbenzo(a)pyreneincigarettesmokeisachallengingtasktoanalyticalchemists.ManyGC/MSorHPLCmethodsforthedeterminationbenzo[a]pyreneincigarettesmokehavebeendevelopedwithcomplexclean-upsteps.Inmulti-dimensionalgaschromatography(MDGC),thefirstdimensionalchromatographiccolumncanbeusedasapretreatmenttool,thussimplifythetediousclean-upproceduresinvolvedinthecomplexmatrix.Inthispaper,anautomaticheart-cuttingMDGCsystemfrommegaboretocapillarycolumnwithon-lineenrichmentwasdeveloped.Basedonthissystem,asimple,sensitive,fastandreliablemethodwasdevelopedforthedeterminationofsmokebenzo(a)pyrene.ThemainstreamsmokecollectedonCambridgepadwasextractedwithcyclohexaneandtheextractwasinjectedintoMDGC/MSdirectly,withoutanyfurtherclean-upstepneeded.Thereproducibility,recoveryanddetectionlimitforbenzo(a)pyreneinsmokesamplesweredesirable.Cigarettesamplesofdifferentfiltersandtobaccoblendsweredetermined.ThediagramoftheMDGCsystemandthedeterminationresultsofcigarettesamplesweregiveninthepaper.一．前言苯并（a）芘是一种广泛存在的环境污染物，由于具有较强的致癌活性而备受关注。苯并（a）芘也是卷烟烟气中主要的有害成分之一，被列入了Hoffmann清单。苯并（a）芘通常是有机物高温裂解的产物。从理论上讲，所有含碳-氢键的化合物在高温下裂解，都有形成苯并（a）芘的可能[1]。卷烟烟气的组成十分复杂，已经鉴定出的化学成分达五千多种[2]，多环芳烃就有数百种。卷烟烟气中苯并（a）芘含量仅为几至几十纳克/支，所以卷烟烟气中苯并(a)芘的测定是一项富有挑战性的工作。在90年代之前，多数文献采用反相高效液相色谱-荧光检测法测定卷烟烟气中的苯并（a）芘。烟气样品的净化可采用多种方式，例如，N.M.SinclairB.和E.Frost[3]（1978）采用硅胶柱层析，B.A.Tomkins等[4]（1985）采用硅胶固相萃取和半制备正相液相色谱，C.H.Risner[5]（1991）采用氨基键合相的高效液相色谱，J.Dumont等[6](1993)采用氨基键合相的固相萃取柱。90年代以后，更多作者采用GC-MS-SIM方法测定卷烟烟气中的苯并（a）芘。烟气样品的净化方法也很多，例如，G.Gmeineretal[7](1997)采用C18固相萃取柱净化，用GC-MS-SIM方法测定了卷烟烟气中7种多环芳烃，包括苯并（a）芘。S.C.Moldoveanu等人[8]（2000）采用同时蒸馏萃取法分离多环芳烃，用GC-MS测定了卷烟烟气中多环芳烃、酚类和芳胺类。S.C.Moldoveanu等人[9]（2002）还采用ChemElute反相固相萃取柱净化烟气样品，然后用GC-高分辨质谱测定烟气粒相物中的多环芳烃。CORESTA的推荐方法[10]No58采用反相环己基反相固相萃取柱净化烟气样品。中心切割式多维气相色谱利用预柱作为一种样品净化手段，选择性地将预柱上某一段或几段馏分切割到分析柱上，可以利用两柱的极性差异，大大提高对复杂体系的分离能力，减少本底干扰，提高复杂体系中痕量组分的检测灵敏度，同时简化样品处理，加快测试速度，在石化、环境、食品、香料等复杂样品分析领域具有巨大的应用潜力[11-15]。在烟草和卷烟烟气分析中，B.M.Gordon等[16]（1985）比较了Deans无阀压力切换[17]和机械阀切换的多维气相色谱在烟草精油分析中的应用，首次展示了多维气相色谱技术在烟草分析方面的应用潜力。E.L.White等[18](1990)利用大孔径毛细柱-毛细柱的MDGC-MS-SIM方法，对卷烟烟气中8种目标成分进行了定量分析。但是，就我们掌握的文献，尚未见到多维气相色谱法分析苯并(a)芘的报道。全二维气相色谱昀多检测到四个环的芘[19]本研究采用大孔径毛细柱-毛细柱的MDGC/MS-SIM，对卷烟烟气中的苯并（a）芘进行了定量分析。卷烟烟气样品不需要任何净化，直接注入色谱仪进行分析，灵敏度高，重现性好。自行装配的多维色谱系统具有在线富集功能，所有色谱参数在气相色谱软件中设定，操作简便，全自动运行。尚未见有关多维气相色谱技术分析苯并（a）芘的报道。二．试验1．材料1.1卷烟样品市售卷烟样品7个。若按配方类型分类，其中烤烟型3个，混合型4个；若按滤嘴类型分，醋纤滤嘴5个，活性炭滤嘴2个。1.2试剂与标样苯并（a）芘和苯并（e）芘标样（纯度98％，Aldrich,USA），环己烷（分析纯，Aldlrich）。将苯并（a）芘和苯并（e）芘标样用环己烷溶解，制成储备液，苯并（a）芘浓度为1372ng/ml。采用氘代苯并（a）芘作内标，浓度为25μg/ml。1.3内标法校正曲线的制作分别取10μl，20μl，50μl，100μl，200μl储备液，用环己烷稀释到1.0毫升，分别加入20μl内标液，用该系列溶液制作内标法校正曲线。2、烟气样品的产生采用RM-200转盘式吸烟机（Borgwaldt），20支卷烟的烟气用90mm滤片捕集。吸烟条件参照ISO标准，抽吸体积35ml，抽吸时间2s，抽吸间隔1min。抽吸后剑桥滤片加入40.00ml环己烷和20μl内标溶液，超声波振荡40分钟。取5ml萃取液，40°C氮吹浓缩到1ml，转移到GC样品瓶内。3．多维气相色谱分析3.1多维气相色谱系统试验所用的多维气相色谱系统是自行开发的，综合利用了SGE公司的MDS-6890和MDS-2000的部分配件，在HP5972GC/MS上组装而成，系统的构成如图1所示。图1.大孔径柱－毛细柱多维气相色谱系统Fig.1DiagramoftheMDGCsystemofmegaboretonarrowcapillarycolumns1.大孔径预柱（Pre-columnofmegabore），2.分析毛细柱(Analyticalcolumnofnarrowbore)，3a,3b.限流管(Fusedsilicarestrictor)，4.传输线(Transferline)，5.中点限流器(Mid-pointrestrictor)，6.冷阱(coldtrap,12mm×0.53mmid×1.0umdf)，7.中点分流器(Mid-pointsplit)，8.进样口(Injectionport)，9.中心切割阀(Heart-cutvalve)，10.监视检测器(Monitordetector)，11.中点压力(Mid-pointpressure)，12.分析检测器(Analyticaldetector)，13.切割阀驱动气(Actuategasforheart-cutvalve)，14.切割阀补充气(Makeupgasforheart-cutvalve)，15.切割阀驱动气(Actuategasforheart-cutvalve)，16.冷冻液阀(Coolantvalve)，17.冷冻液入口(Coolantinlet)，18.中点分流阀(Mid-pointsplitvalve)3.2工作原理3.2.1旁通状态：预柱和分析柱独立运行，互不影响，色谱组分的流向如图2所示。中心切割阀（9）打开，中点分流阀（18）关闭。预柱（1）组分经过中点限流器（5），再经由限流管（3）流向监视检测器（10），获得监视色谱图，为选择切割范围提供依据。中点压力（11）为分析柱（2）提供载气。图2.旁通Fig.2bypass3.2.2中心切割与在线富集：作用是选择性地把预柱的某一段馏分或几段馏分切割到冷阱上，色谱组分冷凝在阱内，预柱载气通过中点分流阀放空，色谱组分的流向见图3。切割阀（9）关闭，组分通过中点限流器（5）流向冷阱（6）并冷凝，多余载气从中点分流阀（18）排空。两根限流管（3）的规格与阻力完全相同，保证切割过程中预柱的流量保持不变，从而确保切割范围的准确型。当中心切割完成后，回复到旁通状态（图2）。色谱炉温降到初温，二氧化碳冷阱（16）关闭，冷阱内富集的色谱组分以不分流方式转移到分析柱，开始第二阶段程序升温，目标组分在分析柱上获得分离，由分析检测器（12）检测。本系统的优点包括，（1）所有参数均在安捷伦6890GC软件中设定，全自动序列分析。（2）采用两根规格完全相同的弹性石英毛细管作预柱的限流管，确保切割过程中预柱的流量不受任何干扰，从而确保切割范围的准确性。（3）成本低廉，配件主要取自SGE公司的MDS-6890和MDS-2000。（4）系统调节简单易行，唯一要求是两根限流管的规格相同，流量略大于预柱。在毛细柱－毛细柱多维气相色谱系统中，对限流管的要求比较苛刻。图3、中心切割与在线富集Fig.3Heart-cutandon-lineenrichment3.3色谱与质谱条件3.3.1一维色谱分离（GC-FID）预柱：DB-5（15m×0.53mmid×0.5umdf），出口为中点压力，在GC软件中假设出口为真空，并设定预柱的载气（氦）流量为70ml/min（恒流），实际上预柱的载气流量为9.9ml/min（恒流）。进样口温度280°C，3ul不分流进样，0.5min后开始吹扫，流量50ml/min。炉温程序：55°C（保持1min）-180°C（30°C/min），然后5°C/min升温至280°C，保持20分钟。3.3.2中心切割根据苯并（a）芘、苯并（e）芘标样和氘代苯并（a）芘内标在第一维色谱图上的保留时间，选定中心切割范围从17-22.17min，确保苯并（a）、芘苯并（e）芘及内标物一起被切割