色谱  2017, Vol. 35 Issue (10): 1105-1110   PDF    
扩展功能
加入收藏夹
复制引文信息
加入引用管理器
Email Alert
RSS
本文作者相关文章
张小涛
张丽
阮艺斌
王维维
姬厚伟
万强
林福呈
刘剑
气相色谱-串联质谱法同时测定卷烟滤嘴中15种多环芳烃
张小涛1,2 , 张丽1 , 阮艺斌1 , 王维维1 , 姬厚伟1 , 万强1 , 林福呈2 , 刘剑1     
1. 贵州中烟工业有限责任公司技术中心, 贵州 贵阳 550009;
2. 浙江大学农业与生物技术学院, 浙江 杭州 310058
收稿日期：2017-06-21
基金项目：贵州中烟工业有限责任公司科技项目（GZZY/KJ/JS/2016CW026-0）
通讯联系人：刘剑, Tel:(0851)83981463, E-mail:jliuemail@163.com
摘要：建立了气相色谱-串联质谱同时检测卷烟滤嘴中15种多环芳烃的方法。卷烟滤嘴用二氯甲烷振荡萃取后，经0.22 μm有机相滤膜过滤，采用DB-5MS色谱柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm）进行分离，电子轰击源、正离子模式下以多反应监测模式进行检测，内标法进行定量。15种多环芳烃（苊烯、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、二苯并[a，h]蒽、苯并[g，h，i]苝和茚并[1，2，3-c，d]芘）的线性关系良好，相关系数（R2）为0.9914~0.9999。15种多环芳烃在低、中、高3个添加水平下的平均回收率为81.6%~111.2%；除了芴在低添加水平时相对标准偏差为19.2%外，其他相对标准偏差均小于16%。15种多环芳烃的检出限为0.02~0.24 ng/滤嘴，定量限为0.04~0.80 ng/滤嘴。方法前处理简便，具有快速、准确、灵敏度高及重复性好的优点，适用于卷烟滤嘴中多环芳烃的分析。
关键词：气相色谱-串联质谱    多环芳烃    卷烟    滤嘴    
Simultaneous determination of 15 polycyclic aromatic hydrocarbons in cigarette filter by gas chromatography-tandem mass spectrometry
ZHANG Xiaotao1,2, ZHANG Li1, RUAN Yibin1, WANG Weiwei1, JI Houwei1, WAN Qiang1, LIN Fucheng2, LIU Jian1     
1. Technology Center, China Tobacco Guizhou Industrial Co. Ltd., Guiyang 550009, China;
2. College of Agriculture & Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Foundation item: Science and Technology Project of China Tobacco Guizhou Industrial Co., Ltd. (No. GZZY/KJ/JS/2016CW026-0)
Abstract: A method for the simultaneous determination of 15 polycyclic aromatic hydrocarbons in cigarette filter was developed by isotope internal standard combined with gas chromatography-tandem mass spectrometry. The cigarette filters were extracted with dichloromethane, and the extract was filtered with 0.22 μm organic phase membrane. The samples were isolated by DB-5MS column (30 m×0.25 mm, 0.25 μm) and detected using multiple reaction monitoring mode of electron impact source under positive ion mode. The linearities of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons (acenapthylene, acenaphthene, fluorene, phenanthrene, anthracene, fluoranthene, pyrene, ben[a]anthracene, chrysene, benzo[b]fluoranthene, benzo[k]fluoranthene, benzo[a]pyrene, dibenzo[a, h]anthracene, benzo[g, h, i]perylene and indeno[1, 2, 3-c, d]pyrene) were good, and the correlation coefficients (R2) ranged from 0.9914 to 0.9999. The average recoveries of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons were 81.6%-109.6% at low, middle and high spiked levels, and the relative standard deviations were less than 16%, except that the relative standard deviation of fluorene at the low spiked level was 19.2%. The limits of detection of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons were 0.02 to 0.24 ng/filter, and the limits of quantification were 0.04 to 0.80 ng/filter. The method is simple, rapid, accurate, sensitive and reproducible. It is suitable for the quantitative analysis of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons in cigarette filters.
Key words: gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC-MS/MS)     polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)     cigarette     filter    

多环芳烃是分子中含有2个以上苯环的碳氢化合物, 包括苊烯(acenaphthylene, Anp)、苊(acenaphthene, Ane)、芴(fluorene, Flr)、菲(phenanthrene, Phe)、蒽(anthracene, Ant)、荧蒽(fluoranthene, Flt)、芘(pyrene, Py)、苯并[a]蒽(ben[a]anthracene, BaA)、屈(chrysene, Chr)、苯并[b]荧蒽(benzo[b]fluoranthene, BbF)、苯并[k]荧蒽(benzo[k]fluoranthene, BkF)、苯并[a]芘(benzo[a]pyrene, BaP)、二苯并[a, h]蒽(dibenzo[a, h]anthracene, DBahA)、苯并[g, h, i]苝(benzo[g, h, i]perylene, BghiPy)、茚并[1, 2, 3-c, d]芘(indeno[1, 2, 3-c, d]pyrene, IcdP)等[1]。多环芳烃是一大类广泛存在的环境污染物, 通常产生于有机物(如煤、石油、天然气等)的不完全燃烧和热裂解过程, 多数多环芳烃都具有较强的毒性、致癌、致畸和致突变作用[2, 3]。烟叶中一般不含多环芳烃, 但是在卷烟燃烧过程中其中心燃烧锥的温度高于800 ℃时会生成少量的多环芳烃[4], 卷烟抽吸时滤嘴会截留部分多环芳烃, 准确测定卷烟滤嘴中多环芳烃的含量可以指导滤嘴的开发, 对于降低吸烟的危害性具有重要的意义。

目前, 卷烟滤嘴中多环芳烃的分析方法主要有高效液相色谱法[5, 6]和液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)法[7], 但主要涉及BaP。Aygün[5]建立了固相萃取结合高效液相色谱-荧光检测测定卷烟滤嘴中的BaP和DBahA的方法, 但是该方法前处理较繁琐, 且未使用内标, 定量结果准确性较差。Zhang等[7]建立了LC-MS/MS测定卷烟滤嘴中BaP的方法, 该方法前处理简单, 只需要经过简单的过滤就可以进行分析, 方法灵敏度比较高, 但是LC-MS/MS的基质干扰比较严重, 且需要配备额外的离子源(大气压光电离离子源)才能实现对卷烟滤嘴中BaP的分析。气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)由于具有高灵敏度和高专一性而被广泛用于复杂基质中痕量物质的分离分析[8-13], 尤其在分析干扰比较严重的样品中痕量污染物时表现非常出色[14]。目前利用GC-MS/MS测定卷烟滤嘴中多环芳烃的方法还未见报道。

本研究建立了同时测定卷烟滤嘴中15种多环芳烃(Anp、Ane、Flr、Phe、Ant、Flt、Py、BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、IcdP、DBahA和BghiPy)的GC-MS/MS分析方法, 方法前处理简便, 具有快速、准确、灵敏度高及重复性好的优点, 适用于卷烟滤嘴中多环芳烃的定量分析。

1 实验部分
1.1 仪器与试剂

Trace 1310型气相色谱仪、TSQ 8000型三重四极杆质谱仪均购自美国Thermo Fisher Scientific公司; DB-5MS柱(30 m×0.25 mm, 0.25 μm)购自美国安捷伦科技有限公司; 0.22 μm尼龙滤膜购自天津市津腾实验设备有限公司; HY-6型双层调速多用振荡器购自江苏省金坛市荣华仪器制造有限责任公司。

丙酮、二氯甲烷和环己烷纯度均大于99.5%(天津市科密欧化学试剂有限责任公司); 乙酸乙酯(色谱纯, 天津市登科化学试剂有限责任公司)。超纯水由Milli-Q50超纯水机(德国Millipore公司)制得。卷烟来自中国烟草总公司。

15种多环芳烃混合标准溶液(包括Anp、Ane、Flr、Phe、Ant、Flt、Py、BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、IcdP、DBahA、BghiPy, 纯度不小于98%, 质量浓度均为200 mg/L)购自美国O2si公司。氘代同位素内标(纯度均不少于97%): Anp-D8、Ane-D10、Flr-D10、Phe-D10、Ant-D10、Py-D10、Chr-D12、BaA-D10购自德国Dr. Ehrenstorfer公司, BbF-D12、BkF-D12、BaP-D12、BghiPy-D12、IcdP-D12购自加拿大C/D/N Isotopes公司。

1.2 标准溶液的配制

多环芳烃标准溶液:移取0.5 mL多环芳烃混合标准溶液于10 mL棕色容量瓶中, 用二氯甲烷定容至刻度, 配制成10 mg/L的标准储备液。移取1 mL标准储备液于10 mL棕色容量瓶中, 用二氯甲烷定容至刻度, 配制成1 mg/L的混合标准溶液。

多环芳烃氘代内标溶液:分别称取1.0 mg各内标化合物, 分别用二氯甲烷溶解并定容至10 mL(棕色容量瓶), 配制成100 mg/L的内标储备液。分别移取13种内标化合物储备液各1 mL至50 mL容量瓶中, 用二氯甲烷定容至刻度, 配制成质量浓度为2 mg/L的混合内标溶液。

1.3 样品前处理

取5个滤嘴, 去除未燃烧的烟丝部分, 每个滤嘴撕成4瓣, 放入50 mL三角瓶中, 依次加入200 μL混合内标溶液和20 mL二氯甲烷, 振荡萃取40 min, 取1 mL萃取液过0.22 μm有机相滤膜后即为样品待测液。

1.4 色谱和质谱条件

色谱条件:色谱柱为DB-5MS (30 m×0.25 mm, 0.25 μm); 载气为高纯氦气, 纯度为99.999%;流速为1.0 mL/min; 进样口温度为300 ℃; 进样模式为不分流进样。升温程序为:初始温度为70 ℃, 以10 ℃/min的速率升温至130 ℃, 再以5 ℃/min的速率升温至300 ℃, 保持5 min。

质谱条件:离子源为电子轰击(EI)源; 电子能量为70 eV; 离子源温度为300 ℃; 传输线温度为300 ℃; 质量分扫描模式, 多反应监测模式。15种多环芳烃及其氘代内标化合物的定性和定量离子对、碰撞能量和保留时间见表 1。

表 1 15种多环芳烃及其氘代内标的定量离子对、定性离子对、碰撞能量和保留时间 Table 1 Quantitative ion pairs, qualitative ion pairs, collision energies and retention times of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons and their isotope internal standards
2 结果与讨论
2.1 萃取溶剂的选择

目前文献报道的用于萃取复杂基质中多环芳烃的溶剂有乙腈[6]、二氯甲烷[10]、乙酸乙酯[13]、环己烷[15]等, 为了尽可能有效地提取卷烟滤嘴吸附的多环芳烃, 本文考察了二氯甲烷、环己烷和乙酸乙酯的萃取效果。在相同的萃取溶剂体积和萃取时间下, 二氯甲烷、环己烷和乙酸乙酯的萃取效果见图 1。从图中可以看出, 二氯甲烷对大多数多环芳烃(Anp、Ane、Flr、Phe、Ant、Py和BaP等)的萃取效果更佳, 因此最终选择二氯甲烷作为卷烟滤嘴中多环芳烃的萃取溶剂。

图 1 不同溶剂对多环芳烃的萃取效果 Fig. 1 Extraction effects of different solvents on polycyclic aromatic hydrocarbons Anp: acenaphthylene; Ane: acenaphthene; Flr: fluorene; Phe: phenanthrene; Ant: anthracene; Flt: fluoranthene; Py: pyrene; BaA: ben[a]anthracene; Chr: chrysene; BbF: benzo[b]fluoranthene; BkF: benzo[k]fluoranthene; BaP: benzo[a]pyrene; IcdP: indeno[1, 2, 3-c, d]pyrene; DBahA: dibenzo[a, h]anthracene; BghiPy: benzo[g, h, i]perylene.
2.2 萃取时间的优化

考察了在以20 mL二氯甲烷作为萃取溶剂的情况下, 振荡萃取时间(20、30、40和50 min)对卷烟滤嘴吸附的多环芳烃萃取效果的影响, 结果见图 2。可以看出当萃取时间为40 min时, Anp、Ane、Flr、Phe、Ant、Flt和Py的萃取效果较好, Chr、BaP、IcdP和BghiPy等的萃取效果相差不大; 但当萃取时间为50 min或60 min时, Anp、Ane、Flr和Phe的萃取效果反而降低。推测可能是由于Anp、Ane、Flr和Phe的沸点相对较低, 另外萃取溶剂二氯甲烷极易挥发, 随着萃取时间的延长, Anp、Ane、Flr和Phe随着二氯甲烷的挥发损失了一部分, 因此当萃取时间超过40 min时, 其萃取效果反而降低。因此最终选择40 min作为最佳萃取时间。

图 2 不同萃取时间下多环芳烃的萃取效果 Fig. 2 Extraction effects of polycyclic aromatic hydrocarbons at different extraction times
2.3 方法学评价

由于各目标化合物的线性范围不一致, 以Flt、Py、BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、IcdP、DBahA和BghiPy的标准曲线配制为例, 取6个50 mL三角瓶, 各放入5个空白滤嘴, 分别加入0.8、4、16、32、64和128 ng的多环芳烃混合标准溶液, 然后依次加入100 μL的1 mg/L的氘代多环芳烃内标溶液和20 mL二氯甲烷, 按照1.3节前处理方法进行处理, 然后用GC-MS/MS进行分析。以各分析物峰面积与其内标的峰面积比(Y)作为纵坐标、各分析物质量浓度(X, μg/L)作为横坐标进行回归分析, 得到15种多环芳烃的线性方程。如表 2所示, 15种多环芳烃的线性关系良好, 相关系数(R2)为0.991 4~0.999 9。以3倍信噪比作为方法的检出限(LOD)、10倍信噪比作为方法的定量限(LOQ)[16], 15种多环芳烃的检出限为0.02~0.24 ng/滤嘴, 定量限为0.04~0.80 ng/滤嘴。

表 2 15种多环芳烃的线性范围、相关系数、检出限、定量限、回收率和精密度(RDS)(n=6) Table 2 Linear ranges, correlation coefficients (R2), LODs, LOQs, recoveries and precisions (RSDs) of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons (n=6)

向实际卷烟滤嘴样品中加入低、中、高水平的多环芳烃标准溶液来评价方法的回收率和精密度, 每个水平做6个平行样品。Anp、Ane、Flr和Phe的3个加标水平分别为32、120和200 ng/滤嘴, Ant、Flt、Py、BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、IcdP、DBahA和BghiPy的3个加标水平分别为8、32和60 ng/滤嘴, 15种多环芳烃的平均回收率为81.6%~111.2%。精密度以相对标准偏差(RSD)来表示, 除了Flr在低添加水平时RSD为19.2%外, 其他RSD均小于16%, 可以满足样品测试的要求。部分多环芳烃的RSD＞10%的原因可能是由于吸烟者抽吸行为(抽吸频率、抽吸体积等)的差异, 导致添加前卷烟滤嘴样本之间就存在差异, 并且低、中添加水平较低, 因此对RSD的影响较大。15种多环芳烃的提取离子图见图 3。

图 3 15种多环芳烃的提取离子图 Fig. 3 Extracted ion chromatograms of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons
2.4 方法的应用

利用建立的方法对14个不同牌号的卷烟滤嘴样品中15种多环芳烃的含量进行了分析, 结果见图 4。卷烟滤嘴中Anp、Ane、Flr、Phe、Ant、Flt、Py、BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、IcdP、DBahA和BghiPy的平均含量分别为133.47、65.95、298.12、160.70、38.96、44.30、50.94、10.45、14.59、9.65、6.22、7.84、5.84、8.80和4.70 ng/滤嘴, 卷烟滤嘴中低相对分子质量的Anp、Ane、Flr、Phe、Ant、Flt和Py的含量高于高相对分子质量的BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、IcdP、DBahA和BghiPy的含量。与文献相比, 卷烟滤嘴中BaP的平均含量(7.84 ng/滤嘴)比土耳其市售卷烟滤嘴中BaP的含量(74.28 ng/滤嘴)[5]低很多; DBahA的平均含量(8.80 ng/滤嘴)比土耳其市售卷烟滤嘴中DBahA的含量(5.24 ng/滤嘴)[5]高; Ant、Flt、Py、BaA和BbF的平均含量比土耳其市售卷烟滤嘴中的平均含量[6]高, 这可能是由于卷烟滤嘴设计参数和消费者抽吸行为的差异所致。

图 4 14种卷烟滤嘴中15种多环芳烃的含量 Fig. 4 Contents of the 15 polycyclic aromatic hydrocarbons in the 14 cigarette filters
3 结论

本研究建立了测定卷烟滤嘴中15种多环芳烃的GC-MS/MS分析方法, 选取了氘代内标对各个化合物进行定量, 有效地降低了前处理过程中引起的误差, 方法前处理简便, 只需要有机溶剂萃取和滤膜过滤, 具有快速、准确、灵敏度高及重复性好的优点, 适用于卷烟滤嘴中多环芳烃的分析。

参考文献
[1] Li X D, Ding H, Yin L N, et al. Rubber Industry, 2017, 64(2): 123.
李锡东, 丁华, 殷丽娜, 等. 橡胶工业, 2017, 64(2): 123.
[2] Kuang S P, Sun Y D. World Sci-Tech R & D, 2007, 29(2): 41.
匡少平, 孙东亚. 世界科技研究与发展, 2007, 29(2): 41.
[3] Fan H, Sheng L Q, Liu S M, et al. Tobacco Science & Technology, 2003(4): 25.
樊虎, 盛良全, 刘少民, 等. 烟草科技, 2003(4): 25.
[4] Mcgrath T E, Wooten J B, Geoffrey Chan W, et al. Food & Chem Toxicol, 2007, 45(6): 1039.
[5] Aygün S F. J Sep Sci, 2005, 28(17): 2370. doi: 10.1002/(ISSN)1615-9314
[6] Demirci A. Polycycl Aromat Comp, 2014, 34(2): 115. doi: 10.1080/10406638.2013.857358
[7] Zhang X T, Hou H W, Shi L K, et al. Rapid Commun Mass Spectrom, 2014, 28(13): 1468. doi: 10.1002/rcm.6921
[8] Lian W L, Ren F L, Tang L Y, et al. Microchem J, 2016, 129: 194. doi: 10.1016/j.microc.2016.06.021
[9] Liu S S, Li Z H, Zhao L, et al. Tobacco Science & Technology, 2015, 48(12): 33.
刘珊珊, 李中皓, 赵乐, 等. 烟草科技, 2015, 48(12): 33.
[10] Zhao B, Li Y Q, Zhang S K, et al. Chinese Journal of Chromatography, 2014, 32(9): 960.
赵波, 黎玉清, 张素坤, 等. 色谱, 2014, 32(9): 960.
[11] Chen X S, Hou H W, Bian Z Y, et al. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2013, 34(5): 308.
陈晓水, 侯宏卫, 边照阳, 等. 质谱学报, 2013, 34(5): 308. doi: 10.7538/zpxb.2013.34.05.0308
[12] Lou X H, Gao C C, Zhu W J, et al. Tobacco Science & Technology, 2013(8): 45.
楼小华, 高川川, 朱文静, 等. 烟草科技, 2013(8): 45.
[13] Luo Y B, Chen X J, Zhang H F, et al. J Chromatogr A, 2016, 1460: 16. doi: 10.1016/j.chroma.2016.07.018
[14] Luo Y B, Zheng H B, Jiang X Y, et al. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2015, 43(10): 1538.
罗彦波, 郑浩博, 姜兴益, 等. 分析化学, 2015, 43(10): 1538. doi: 10.11895/j.issn.0253-3820.150114
[15] Wu Z H, Zhang X L, Liu Y M, et al. Journal of Analytical Science, 2017, 33(1): 86.
吴智慧, 张旭龙, 刘玉梅, 等. 分析科学学报, 2017, 33(1): 86.
[16] Lu J, Fu L Y, Wang X. Drug Standard of China, 2012, 13(1): 33.
鲁静, 付凌燕, 王旭. 中国药品标准, 2012, 13(1): 33.