色谱  2014, Vol. 32 Issue (9): 955-959   PDF (941 KB)    
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唐琛
刘启鹏
田振宇
解惠婷
王梦京
刘文彬
同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法检测烟道气中的低氯代二恶英
唐琛1,2, 刘启鹏1, 田振宇2, 解惠婷2, 王梦京2, 刘文彬2     
1. 北京科技大学土木与环境工程学院环境工程系, 北京 100083;
2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085
收稿日期：2014-5-22
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2011CB201500）；中国科学院战略性先导科技专项（XDB14000000）；国家自然科学基金项目（21321004）.
通讯作者：刘文彬，Tel:(010)62849356,E-mail:liuwb@rcees.ac.cn.
摘要：建立了同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱检测烟道气中痕量低氯代二恶英的分析方法。采用索氏提取富集烟道气样品中的目标物，提取液经过复合硅胶柱和碱性氧化铝柱净化后，进行高分辨气相色谱-高分辨质谱检测。采用DB-5MS毛细管色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）分离，以保留时间和同位素特征离子丰度比定性，以与同位素的峰面积比值定量。实验结果表明，方法的回收率为66.6%~112.5%，相对标准偏差（RSD）的范围为19.9%~40.5%（n=5），方法的检出限（LOD）为0.027~0.485 μg/L。应用该方法检测了3个焚烧炉烟道气样品，回收率在85.7%~137.0%范围内，样品中目标物含量分布在11.4~9183 pg/Nm3之间。结果表明该方法适合用于烟道气中痕量低氯代二恶英的检测。
关键词： 高分辨气相色谱-高分辨质谱     同位素稀释     低氯代二恶英     烟道气    
Determination of mono- to tri-chlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans in stack gas using isotope dilution high resolution gas chromatography- high resolution mass spectrometry
TANG Chen1,2, LIU Qipeng1, TIAN Zhenyu2, XIE Huiting2, WANG Mengjing2, LIU Wenbin2     
1. Department of Environmental Engineering, School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;
2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
Received: 2014-5-22
Abstract: A method for the determination of mono- to tri- chlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (mono- to tri-CDD/Fs) in stack gas using isotope dilution high resolution gas chromatography-high resolution mass spectrometry (HRGC-HRMS) was developed. The samples were extracted by Soxhlet extraction, and then the extracts were concentrated and purified using a multilayer silica gel column and a basic alumina column. The analytes were separated by HRGC on a DB-5MS column (30 m×0.25 mm×0.25 μm) and determined by HRMS. The identification of mono- to tri-CDD/Fs was based on the retention times of 13C-labelled standard and the abundance ratios of the two exacted mass-to-charge ratios. The quantitative analysis was performed using the ratios of the integrated areas of the 13C-labelled standards. This method had the recoveries ranging from 66.6% to 112.5% and the relative standard deviations (RSD) ranging from 19.9% to 40.5% (n=5). The limits of detection (LODs) of this method for the mono- to tri-CDD/Fs were ranging from 0.027 to 0.485 μg/L. Three stack gas samples from waste incinerators were measured using this method, with the recoveries ranging from 85.7% to 137.0% and the concentrations ranging from 11.4 to 9183 pg/Nm3. The results indicated that the method can be applied to the precise determination of mono- to tri-CDD/Fs at trace level in stack gas.
Key words: high resolution gas chromatography-high resolution mass spectrometry (HRGC-HRMS)     isotope dilution     mono- to tri-chlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (mono- to tri-CDD/Fs)     stack gas    

二恶英(polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans,PCDD/Fs,结构式见图1)作为非故意生产的持久性有机污染物(POPs),由于其剧毒性、强致癌性、生物富集性以及在环境介质中的长期稳定性而受到广泛关注。《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》将二恶英列为优先控制的12种POPs之一。近年来,国内外针对废弃物焚烧[1]、有机氯农药生产[2]、金属冶炼[3]和造纸化工[4]等工业过程中的二恶英排放做了大量的研究工作。

图1 低氯代二恶英(x+y≤3)的结构式 Fig.1 Formulas of mono- to tri-CDD/Fs

从图1可以看出,二恶英包括1～8个氯原子取代的一系列同类物。目前二恶英的检测和研究主要参考以US EPA1613为代表的国际主流分析方法,国内的一些研究机构经过多年的探索也逐步形成了完善的二恶英检测分析技术[5, 6, 7],并制定了我国的标准方法,如“环境空气和废气二恶英采样方法(HJ 77.2-2008)”等。然而,这些方法分析的对象主要是4～8个氯原子取代的2,3,7,8-PCDD/Fs(高氯代二恶英),而对于1～3个氯原子取代的二恶英(低氯代二恶英,mono- to tri-CDD/Fs)的分析方法还不完善,相关研究也很少。

低氯代二恶英包括一氯代二恶英(mono-CDD/Fs,MoCDD/Fs)、二氯代二恶英(di-CDD/Fs,DiCDD/Fs)和三氯代二恶英(tri-CDD/Fs,TriCDD/Fs)。其毒性与高氯代二恶英相比虽然相对较低,但在已有的少量研究中显示其分布相当广泛[8, 9, 10, 11, 12],应当引起一定的重视。韩国的一组研究人员在研究焚烧厂工人和周边居民血液样品的时候,意外地发现样品中低氯代二恶英的浓度占PCDD/Fs总浓度的95% ,其中MoCDFs的量更是占到83%[13]。刘文彬等[14]针对两家固体废物焚烧厂和两家医疗废物焚烧厂的14个烟道气样品的研究表明,低氯代二恶英的浓度占到PCDD/Fs总浓度的53.2% ～94.5% 。相关的研究还指出,某些低氯代二恶英同类物的浓度与二恶英的毒性当量(toxic equivalent quantity,TEQ)呈现很好的相关性,可以作为样品中二恶英毒性当量的指示物[12, 15, 16, 17]。虽然针对高氯代二恶英的研究已经提供了其源和汇的很多有用信息,但是全部1～8个氯原子取代二恶英同类物和同类物全系列的研究可以对其生成机制有更好的解析。然而相比高氯代二恶英,低氯代二恶英的蒸汽压更高,挥发性更强,稳定性更差[18],在净化、分析过程中容易分解,其定性和定量分析更加困难,目前还没有形成比较完善的分析方法。

近年来,同位素稀释气相色谱-质谱联用技术在杀虫剂类POPs[19]、多氯联苯[20]、多氯萘[21]等污染物的痕量检测领域得到了应用,特别是同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱联用(ID-HRGC-HRMS)技术具有极高的灵敏性和选择性,已经成为二恶英等痕量POPs分析的优先选择方法。本文利用ID-HRGC-HRMS建立了烟道气中低氯代二恶英的检测方法,研究中建立了标准曲线,计算出相对响应因子、方法检出限、回收率和精密度等;并选取了典型焚烧源烟道气样品进行了方法验证,研究初步建立了烟道气中1～8个氯原子取代的二恶英的全系列检测分析方法,可以为二恶英生成与排放机制的研究提供重要参考。

1 实验部分
1.1 仪器、试剂与材料

二恶英类物质固定源采样系统(TCR TECORA公司,意大利); DFS高分辨气相色谱-高分辨质谱联用仪(ThermoFisher Scientific公司,美国);氮吹浓缩仪(Organomation Associates公司,美国);旋转蒸发仪(BUCHI公司,瑞士)。

13C标记的PCDD/Fs混合标准品EDF-4955(含2-MoCDF、2-MoCDD、2,3-DiCDF、2,8-DiCDD、2,3,7-TriCDF和2,4,8-TriCDD，6种13C标记单体的相对含量均大于99%)、校正标准混合标准品EDF-4954(6种12C单体的相对含量均大于99% )、 EN-1948 SS同位素内标(Cambridge Isotope Laboratories,美国); XAD-2树脂(Supelco公司,美国);玻璃纤维滤筒(Toyo Roshi Kaisha公司,日本);正己烷、二氯甲烷、丙酮、甲苯(农残级,J. T. Baker公司,美国);壬烷(色谱纯,Sigma公司,美国);氢氧化钠、无水硫酸钠(优级纯，北京化学试剂公司);硅胶(100～200目,青岛海洋化工分厂);碱性氧化铝(优级纯,100～200目,上海五四化学试剂厂)。

1.2 烟道气样品的采集和前处理过程

依据环境空气和废气二恶英采样方法(HJ 77.2-2008)采用二恶英类物质固定源采样系统采集了3个焚烧厂烟道气样品,用于实际样品检测。采集烟道气前,在XAD-2树脂中加入1 ng EN-1948 SS同位素采样内标,对样品同时进行低氯代二恶英和高氯代二恶英的分析,用高氯代二恶英的分析结果评估采样过程的质量控制和质量保证[22]。

参考文献[14]的方法并在操作上略有调整进行样品前处理。将采集了烟道气样品的XAD-2树脂和玻璃纤维滤筒用250 mL甲苯进行索氏提取24 h,将提取液分成2份,分别进行低氯代二恶英和高氯代二恶英的分析。在1份提取液中加入4 ng 13C标记的PCDD/Fs混合标准品EDF-4955,用旋转蒸发仪浓缩至2～3 mL;然后利用复合硅胶柱进行净化(复合硅胶柱由上到下的装填顺序依次为:2 g无水硫酸钠、4 g活化硅胶、3 g碱性硅胶、1 g活化硅胶、3 g无水硫酸钠;复合硅胶柱经过70 mL正己烷预淋洗活化),用100 mL正己烷进行洗脱,洗脱液浓缩至2～3 mL;再利用碱性氧化铝柱净化(碱性氧化铝柱由上到下的装填顺序依次为:3 g无水硫酸钠、8 g碱性氧化铝;碱性氧化铝柱经过60 mL正己烷预淋洗活化),用80 mL正己烷-二氯甲烷(98 ∶ 2,v/v)混合溶液洗除杂质,再用100 mL正己烷-二氯甲烷(1 ∶ 1,v/v)混合溶液洗脱;洗脱液旋转蒸发浓缩至1～2 mL,然后转入K-D管中,用氮吹浓缩仪浓缩至200 μ L,转入内插管中吹至10 μ L,待检测。

1.3 色谱与质谱条件
1.3.1 色谱条件

色谱柱:DB-5MS柱(30 m×0.25 mm×0.25 μ m,安捷伦公司)。升温程序:初始温度100 ℃,保持1 min;以20 ℃/min 的升温速率升至140 ℃,保持1 min;再以5 ℃/min 的升温速率升至230 ℃,保持3 min。载气:氦气(纯度≥99.999% ),恒流模式,流速1.0 mL/min;进样方式:不分流进样;进样量:1 μ L;进样口温度:280 ℃;传输线温度:290 ℃。

1.3.2 质谱条件

采用电子轰击离子源(EI),电子能量:35 eV;离子源温度:230 ℃;采用选择离子监测(SIM)方式,对[M]+、[M+2]+特征离子(见表1)进行精确选择检测,通过各个目标化合物(包括同位素内标物)的保留时间、特征离子及其特征离子峰丰度的比值进行定性分析;通过与同位素的峰面积之比值进行定量分析。

表1 HRGC-HRMS中低氯代二恶英的同位素特征离子 Table 1 Mass parameters for mono- to tri-CDD/ Fs by HRGC-HRMS
2 结果与讨论
2.1 总离子流谱图

用低氯代PCDD/Fs标准品EDF-4954(浓度1000 μ g/L)，以壬烷为溶剂，分别配制相应浓度的校正标准溶液。图2为所配制的校正标准溶液(calibration solution,CS)(100 μ g/L)的总离子流色谱图。标准溶液中6种低氯代二恶英同类物获得了良好的基线分离,其中保留时间为11.81、12.65、15.53、16.27、18.63、19.80 min色谱峰对应的6种同类物依次为2-MoCDF、2-MoCDD、2,3-DiCDF、2,8-DiCDD、2,3,7-TriCDF和2,4,8-TriCDD。

图2 低氯代二恶英标准溶液(100 μ g/L)的总离子流谱图 Fig.2 Total ion chromatogram of 100 μ g/L mono- to tri-CDD/Fs standard solution Peaks: 2-MoCDF (11.81 min)； 2-MoCDD (12.65 min); 2,3-DiCDF(15.53 min); 2,8-DiCDD (16.27 min); 2,3,7-TriCDF (18.63 min); 2,4,8-TriCDD (19.80 min).
2.2 离子丰度比确认

根据氯同位素的天然丰度比(35 Cl占75.77% ,37 Cl占24.23% ,35 Cl ∶ 37 Cl约为3 ∶ 1),可以估算出[M]+与[M+2]+特征离子的比例,供判定离子峰和检验方法的准确性。特征离子的绝对比例P可由公式(1)计算得到。

其中,P0:35Cl同位素的天然丰度;n:该特征离子对应同类物总的Cl取代数;m:该特征离子对应同类物的35Cl取代数。

以[M]+特征离子的相对比例为100,分别计算得到[M+2]+、[M+4]+和[M+6]+的相对比例,结果见表2。由此得到[M]+ ∶ [M+2]+的大致比例(MoCDD/Fs=3 ∶ 1; DiCDD/Fs=3 ∶ 2; TriCDD/Fs=1 ∶ 1),作为判断依据。

表2 低氯代二恶英同位素特征离子的相对比例 Table 2 Relative ratios of mass parameters for major mono- to tri-CDD/Fs
2.3 标准曲线与相对响应因子

用EDF-4955和EDF-4954配制标准溶液,溶液中共有12种低氯代二恶英同类物(含6种标记的 13C-PCDD/Fs同类物)。用EDF-4954配制5个不
同质量浓度的标准溶液CS1、CS2、CS3、CS4、CS5运用所建立的HRGC-HRMS方法对上述标准溶液进行测定并建立标准曲线。利用所得到的标准曲线分别计算6种低氯代二恶英同类物的平均相对响应因子(relative response factor,RRF),结果见表3。结果表明6种低氯代二恶英同类物的平均RRF的相对标准偏差(RSD)均小于5% 。

2.4 线性范围、相关系数、检出限、回收率与精密度

根据建立的标准曲线,利用同位素内标法,以目标化合物与同位素指示物的峰面积比Y对其质量浓度X( μ g/L)进行回归；根据3倍信噪比(S/N)计算方法的检出限。各目标化合物的线性范围、相关系数和方法检出限(LOD)见表4。可看出,在1～400 μ g/L 范围内,6种目标物呈良好的线性关系。

取50.0 g经预提取净化的XAD-2树脂和1个玻璃纤维滤筒,置于树脂筒内,加入60 μ L 40 μ g/L 标准溶液和同位素标记物,按建立的方法进行分析,平行测定5组,计算得到方法的回收率为66.6% ～112.0% ,RSD的范围为19.9% ～40.5% 。各目标物的回收率和标准偏差(SD)见表4,可见方法的准确度和精密度能够达到样品痕量检测的要求。

表3 建立标准曲线用溶液的组成、质量浓度及6种低氯代二恶英同类物的相对响应因子 Table 3 Compositions and concentrations of solutions for calibration curves and RRFs of the six congeners of mono- to tri-CDD/Fs

表4 低氯代二恶英的线性范围、相关系数(R2)、回收率和检出限 Table 4 Linear ranges,correlation coefficients (R2), recoveries and limits of detection (LODs) of mono- to tri-CDD/Fs
2.5 实际样品的检测

应用建立的方法对3份焚烧源烟道气样品进行处理和测定,样品中加入100 μ g/L 的EDF-4955混合内标40 μ L,图3为实际样品的色谱图。

实验过程中6种13C同位素内标的回收率为85.7% ～137.0% ,参考US EPA1613的标准,样品回收率处于较好的范围内。实际烟道气样品中6种低氯代二恶英同类物的检测结果见表5。除样品1中2,8-DiCDD未检出外,其余的都有检出,含量分布在11.4～9183 pg/Nm3,总体上看1～3个氯原子取代的呋喃含量要高于相应的1～3个氯原子取代的二恶英的含量。

图3 烟道气样品1中一氯代二恶英/呋喃的色谱图 Fig.3 Chromatograms of mono-CDD/Fs in stack gas sample 1 a. 12C,35Cl-MoCDF; b. 12C,37Cl-MoCDF; c. 13C,35Cl-2-MoCDF; d. 13C,37Cl-2-MoCDF; e. 12C,35Cl-MoCDD; f. 12C,37Cl-MoCDD; g. 13C,35Cl-2-MoCDD; h. 13C,37Cl-2-MoCDD./span>

表5 实际烟道气样品中低氯代二恶英的含量和回收率 Table 5 Contents and recoveries of mono- to tri-CDD/Fs in stack gas samples
3 结论

本文建立了同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱测定烟道气中低氯代二恶英的方法。将该方法应用于3个焚烧源烟道气样品的检测,回收率在85.7% ～137.0%范围内,样品中低氯代二恶英的含量分布在11.4～9183 pg/Nm3之间。结果表明该方法适合用于烟道气中痕量低氯代二恶英的检测。

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