GC-MS法與NTD聯(lián)用快速測(cè)定環(huán)境空氣中硝基苯類化合物

孫 明

(蘇交科集團(tuán)(江蘇)安全科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211100)

硝基苯類化合物是一類被廣泛用于醫(yī)藥、染料和化工等領(lǐng)域的半揮發(fā)性有機(jī)物[1]，其毒性是一般有毒化合物的40～50倍，屬于高毒性物質(zhì)，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易降解[2]。對(duì)皮膚、消化道和呼吸道有極強(qiáng)侵入性，對(duì)現(xiàn)場人員有重大危害。

通過對(duì)色譜參數(shù)和質(zhì)譜參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立NTD-GC-MS同時(shí)測(cè)定測(cè)七種硝基苯類化合物(硝基苯NB、鄰硝基甲苯ONT、間硝基甲苯MNT、對(duì)硝基甲苯PNT、鄰硝基氯苯ONCB、間硝基氯苯MNCB、對(duì)硝基氯苯PNCB)的方法。該方法便于快速地制定應(yīng)急處置方案，而且能盡可能減少對(duì)環(huán)境和人體的損害，是一種快速高效檢測(cè)痕量硝基苯類化合物的方法。

1 材料與方法

1.1 儀器

氣相色譜質(zhì)譜儀(Agilent 8890-5977B，F(xiàn)ID檢測(cè)器)，毛細(xì)管色譜柱DB-5MS(Agilent 30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)，毛細(xì)管色譜柱Equit-5MS(Agilent 30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)，毛細(xì)管色譜柱HP-5MS(Agilent 30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)，針捕集阱裝置(德國PAS公司)，熱風(fēng)槍(德國STEINEL司登利公司，HG-2320E)，烘箱(德國Binder公司，F(xiàn)D260)。

1.2 試劑

7種硝基苯類化合物混合標(biāo)液(壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司，2 000 μg/mL)，正己烷(德國Merck公司，農(nóng)殘級(jí))，甲醇(德國Merck公司，色譜純),乙醇(德國Merck公司，分析純),氦氣(南京特種氣體廠有限公司，99.999%)，氮?dú)?南京特種氣體廠有限公司，99.999%)，微量注射器(瑞士Hamilton公司，10 μL、50 μL、100 μL、1 000 μL)，特氟龍 FEP氣體采樣袋(上海申源科學(xué)儀器有限公司，100 mL/500 mL/1 L)，商用吸附針(Agilent Carboxen1000)。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

利用正己烷(農(nóng)殘級(jí))為溶劑，將2 000 μg/mL七種硝基苯類化合物配制成200 μg/mL的中間液，儲(chǔ)存于棕色容量瓶中。將中間液配制成0.01 μg/mL、0.02 μg/mL、0.05 μg/mL、0.1 μg/mL，0.2 μg/mL、0.5 μg/mL、1.0 μg/mL、2.0 μg/mL、5.0 μg/mL不同梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，待用。

1.4 混合標(biāo)準(zhǔn)氣體配制

將不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液，用微量注射器打1 μL進(jìn)入100 mL氣袋，加熱10 min，直到其全部變?yōu)闅怏w，冷卻后用NTD采集氣袋中的標(biāo)樣，直接進(jìn)行GC-MS檢測(cè)。

2 結(jié)果

2.1 GC-MS參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 色譜柱選擇

DB-5MS適合分離弱堿性化合物，Equity-5MS適合分離弱酸性化合物，尤其適合分離7種硝基苯類化合物。所以，最佳色譜柱為Equity-5MS。

2.1.2 柱溫選擇

初始溫度設(shè)定為50 ℃時(shí)，能夠有效分開七種硝基苯類化合物，且全部都在10 min前出峰結(jié)束；當(dāng)初始溫度設(shè)定為60 ℃和70 ℃時(shí)，色譜峰有明顯拖尾現(xiàn)象，溫度過高影響分離效果。所以，本實(shí)驗(yàn)最佳初始溫度為50 ℃。

初始溫度設(shè)定為50 ℃，進(jìn)樣濃度為20 μg/mL，進(jìn)樣體積保持1 μL不變，觀察分離效果。分別以8 ℃/min、9 ℃/min、10 ℃/min、11 ℃/min、12 ℃/min的升溫速率升至220 ℃，然后以15 ℃/min升至 250 ℃，保持5 min。當(dāng)升溫速率大于10 ℃/min時(shí)，硝基苯NB的色譜峰存在嚴(yán)重拖尾，分離效果差。所以，最佳程序升溫速率為10 ℃/min。

2.1.3 進(jìn)樣口溫度選擇

試驗(yàn)設(shè)定進(jìn)樣口溫度為220 ℃、230 ℃、240 ℃、250 ℃、260 ℃、270 ℃、280 ℃，當(dāng)進(jìn)樣口溫度為250 ℃ 時(shí)，七種硝基苯類化合物的響應(yīng)值達(dá)到最大，進(jìn)樣口溫度在250 ℃～270 ℃之間時(shí)，七種硝基苯類化合物的響應(yīng)值平衡，但溫度太高不利于低沸點(diǎn)化合物的檢測(cè)，降低檢測(cè)效率。所以，最佳進(jìn)樣口溫度為250 ℃。

2.1.4 離子源溫度選擇

設(shè)定離子源溫度為230 ℃時(shí)，響應(yīng)值達(dá)到最大，離子源溫度大于230 ℃后，響應(yīng)值逐漸降低。所以，最佳離子源溫度為230 ℃。

2.2 GC-MS的方法驗(yàn)證

七種硝基苯類化合物在特征掃描(SIM)模式下進(jìn)行檢測(cè)，選擇Equity-5(30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)為最佳氣相色譜柱，250 ℃為進(jìn)樣口溫度，設(shè)定分流比為15，不分流進(jìn)樣，柱流量為1.3 mL/min。設(shè)定起始溫度50 ℃，以10 ℃/min程序升溫至220 ℃保持1 min，再以15 ℃/min升至250 ℃保持2 min。離子源溫度230 ℃，用全掃描(SCAN)方式定性，特征掃描模式下定量，溶劑峰時(shí)間5 min。

將8個(gè)不同濃度梯度(0.01～2 μg/mL)的標(biāo)準(zhǔn)溶液從低到高，依次上GC-MS檢測(cè)，1 μL進(jìn)樣體積，每個(gè)樣品檢測(cè)至少3次以上。檢測(cè)限為3倍信噪比，定量限為10倍信噪比，用濃度為2.0 μg/mL的樣品至少重復(fù)測(cè)試8次的RSD比較儀器穩(wěn)定性。在0.01～2 μg/mL范圍內(nèi)，七種硝基苯類化合物有良好線性，線性系數(shù)在0.999 0～0.999 5之間，儀器檢測(cè)限在0.000 1～0.001 4 μg/mL之間，定量限在0.001～0.007 μg/mL之間，相對(duì)偏差在5.3～9.8%之間，能滿足分析痕量硝基苯類化合物的要求。

表1 儀器方法的線性、檢測(cè)限、定量限

2.3 液體轉(zhuǎn)化為氣體條件優(yōu)化

吸取1 μL的標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 μg/mL)到100 mL特氟龍采樣袋中，保持采樣條件及解吸條件不變，依次設(shè)定烘箱溫度為50、100、120、150、200、220、250 ℃，加熱5 min，通過七種硝基苯類化合物的峰面積，評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化效果。

試驗(yàn)結(jié)果如圖1，加熱溫度在50 ℃～150 ℃之間，峰面積均呈上升趨勢(shì)。加熱溫度低于最佳轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不完全揮發(fā)，150 ℃時(shí)，峰面積達(dá)到最高點(diǎn)。加熱溫度在150 ℃～180 ℃之間時(shí)呈下降趨勢(shì)，可能是高溫下特氟龍采樣袋對(duì)七種硝基苯類化合物有吸附導(dǎo)致。180 ℃～250 ℃時(shí)基本趨于平衡，說明化合物轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達(dá)到最高點(diǎn)。所以，烘箱最佳加熱溫度為150 ℃。

圖1 不同加熱溫度下七種硝基苯類化合物的峰面積

將1 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)溶液打入1 μL至100 mL特氟龍采樣袋，在采樣參數(shù)和解吸參數(shù)不變的條件下，加熱溫度為150 ℃，設(shè)定烘箱加熱時(shí)間為0.5 min、1 min、1.5 min、2 min、2.5 min、3 min、5 min。

試驗(yàn)結(jié)果如圖2，加熱時(shí)間為0.5 min～2 min，各化合物的峰面積均呈上升趨勢(shì)，可能是由于加熱時(shí)間過短導(dǎo)致液體揮發(fā)不完全。加熱時(shí)間為2 min時(shí)，七種硝基苯類化合物峰面積達(dá)到最大值。加熱2 min～2.5 min時(shí)，都有下降趨勢(shì)，可能是加熱時(shí)間過長導(dǎo)致氣袋對(duì)目標(biāo)物有吸附。加熱時(shí)間為2.5 min～5 min時(shí)，七種硝基苯類化合物的峰面積不再增加。所以，烘箱最佳加熱時(shí)間為2 min。

圖2 不同加熱時(shí)間下七種硝基苯類化合物的峰面積

2.4 解吸參數(shù)優(yōu)化

2.4.1 解吸溫度優(yōu)化

解吸溫度在250 ℃到300 ℃之間，進(jìn)樣量不變，色譜峰面積越大，則濃度越大，說明解吸越完全。解吸時(shí)間統(tǒng)一控制在5 min，試驗(yàn)結(jié)果如圖3。解吸溫度為250 ℃時(shí)，峰面積值均最低，可能是該解吸溫度下各物質(zhì)沒有完全氣化；當(dāng)溫度為270 ℃時(shí)，峰面積值達(dá)到最大，說明七種硝基苯類化合物在270 ℃下解吸效果達(dá)到最佳；解吸溫度在270 ℃到300 ℃時(shí)逐漸呈下降的趨勢(shì)，可能是高溫條件下部分分析物還未經(jīng)過載氣進(jìn)入毛細(xì)柱就已經(jīng)發(fā)生氣化了。所以，烘箱最佳解吸溫度為270 ℃。

圖3 不同解吸溫度下七種硝基苯類化合物的峰面積

2.4.2 解吸時(shí)間優(yōu)化

在采樣參數(shù)和儀器參數(shù)不變的情況下，設(shè)定解吸溫度在270 ℃，用NTD吸取相同體積量的目標(biāo)物，試驗(yàn)結(jié)果如圖4。解吸時(shí)間為2 min時(shí)，七種分析物響應(yīng)值最低，第二次檢測(cè)吸附針內(nèi)目標(biāo)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)針內(nèi)有殘留物，解吸不完全；解吸時(shí)間時(shí)為4 min，峰面積達(dá)到最大值，再次解吸吸附針內(nèi)目標(biāo)物無殘留；繼續(xù)延長解吸時(shí)間到6 min，發(fā)現(xiàn)七種分析物響應(yīng)基本趨于平衡。所以，最佳解吸時(shí)間為4 min。

圖4 不同解吸時(shí)間下七種硝基類化合物的峰面積

2.5 NTD采樣參數(shù)優(yōu)化

2.5.1 NTD采樣速率優(yōu)化

樣品濃度為1 μg/mL，注入量為1 μL，采集體積為100 mL，設(shè)定2 mL/min至8 mL/min的采樣速率，保持解吸參數(shù)和加熱參數(shù)不變。試驗(yàn)結(jié)果如圖5，設(shè)定NTD采樣速率在2 mL/min、3 mL/min、4 mL/min時(shí)，七種硝基類化合物的響應(yīng)值呈緩慢增加的趨勢(shì)，可能是采樣速率較低導(dǎo)致樣品捕集不完全；采樣速率大于5 mL/min后，七種硝基類化合物的響應(yīng)均呈下降的趨勢(shì)。所以，最佳采樣速率為4 mL/min。

圖5 不同采樣速率下七種硝基苯類化合物的峰面積

2.5.2 NTD采樣后檢測(cè)方法線性、檢測(cè)限與定量限

選擇實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的最佳參數(shù)，設(shè)定范圍在1～200 ng/L之間，將不同濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)液體打入氣袋中，在同等條件下進(jìn)行萃取和解吸。試驗(yàn)結(jié)果如表2，七種硝基苯類化合物在1～200 ng/L有良好的線性，其中檢測(cè)限為3倍信噪比(S/N)，定量限為10倍信噪比(S/N)。七種硝基苯類化合物的檢測(cè)限在0.1 ng/L～1.0 ng/L之間，定量限在0.5 ng/L～1.6 ng/L之間。

表2 NTD采樣后檢測(cè)方法的線性、檢測(cè)限、定量限

2.6 針捕集阱用于空氣中硝基苯類化合物的檢測(cè)方法驗(yàn)證

選取實(shí)驗(yàn)室空氣作為加標(biāo)樣品，進(jìn)行不同濃度的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)(如表3所示)，原始空氣中未檢測(cè)出七種硝基苯類化合物，回收率在89.4%～99.5%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在3.2%～9.7%。

表3 七種硝基苯類化合物不同濃度的加標(biāo)回收率

2.7 樣品分析

將8種不同濃度梯度(1～200 ng/L)的溶液從低到高進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)樣量為1 μL，每個(gè)樣品重復(fù)3次以上，保證標(biāo)線性均在0.999以上，能完全有效地分離出七種硝基苯類化合物，如圖6。

圖6 七種硝基苯類化合物SIM模式下標(biāo)準(zhǔn)液體色譜圖

繪制混合標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，將不同濃度的液體(1～200 ng/L)注入充滿氮?dú)獾?00 mL特氟龍采樣袋中，每次注入量為1 μL，每種濃度重復(fù)三次以上，烘箱加熱成氣體后，將氣袋取出冷卻至室溫，NTD吸附針插入裝有標(biāo)準(zhǔn)品的密閉特氟龍氣袋進(jìn)行采樣，采完樣品立即用GC-MS分析檢測(cè)。優(yōu)化NTD采樣條件時(shí)，將1 μL濃度為2 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)混合液體攝入500 mL的氣袋中，每次采樣體積為100 mL。七種硝基苯類化合物標(biāo)準(zhǔn)氣體在SIM模式下的色譜圖如圖7所示。

圖7 七種硝基苯類化合物標(biāo)準(zhǔn)氣體色譜圖

采集空氣樣品時(shí)，將NTD調(diào)節(jié)好采樣參數(shù)，直接放置于采樣點(diǎn)進(jìn)行空氣樣品的采集。采樣結(jié)束后，樣品立刻進(jìn)行GC-MS檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)過程中用空白實(shí)驗(yàn)、空白加標(biāo)和平行數(shù)據(jù)嚴(yán)格對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。每組數(shù)據(jù)為平行3次的平均值，保證七種硝基苯類化合物線性系數(shù)>0.999，RSD<10%，線性如表4。特氟龍采樣袋需經(jīng)過反復(fù)加熱和氮?dú)獯祾?，保證空白采樣袋中化合物濃度為0。吸附針每次解吸完樣品都需要在GC-MS上老化6 min，確保針內(nèi)沒有殘留物。

表4 七種硝基苯類化合物線性值

3 結(jié)論

通過優(yōu)化GC-MS色譜和質(zhì)譜參數(shù)，建立了NTD與GC-MS聯(lián)用新型快速采樣測(cè)定環(huán)境空氣中的7種硝基苯類化合物的方法，該法儀器檢測(cè)限低，靈敏度高。實(shí)驗(yàn)中NTD采樣到GC-MS解吸僅需30 min，儀器攜帶方便，采樣速度快，無需溶劑萃取，色譜峰分離較好，且互不干擾。該方法比常規(guī)檢測(cè)方法更加綠色環(huán)保，，可廣泛用于工作場所空氣中痕量硝基苯類化合物的檢測(cè)分析，也可為環(huán)境中其他痕量的VOCs提供檢測(cè)參考依據(jù)。