超低溫溶劑提取全二維氣相色譜/飛行時(shí)間質(zhì)譜法測(cè)定卷煙主流煙氣中有機(jī)酸成分

張權(quán)等

摘要建立了超低溫溶劑提取結(jié)合全二維氣相色譜/飛行時(shí)間質(zhì)譜（GC×GCTOF/MS）測(cè)定卷煙主流煙氣中有機(jī)酸類成分的方法。首先利用乙醚為提取溶劑的超低溫溶劑提取裝置對(duì)卷煙主流煙氣進(jìn)行捕集，然后將提取液通過(guò)液液萃取、N，O雙（三甲基硅烷）三氟乙酰胺（BSTFA）衍生化后，以DB1（30 m × 0.25 mm， 1.0 μm）為一維色譜柱、DBwax（1.5 m × 0.1 mm， 0.1 μm）為二維色譜柱組成的柱系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行分離，在調(diào)制周期為6 s、質(zhì)量掃描范圍為m/z 45～450的條件下，卷煙主流煙氣中12種有機(jī)酸成分可以在58 min內(nèi)得到準(zhǔn)確的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，卷煙主流煙氣中12種有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)R2>0.99，加標(biāo)回收率為80.2%～107.8%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）的范圍為0.4%～12.1%（n=5），方法檢出限為1.3～24.5 μg/kg， 定量限為4.1～77.1 μg/kg。

1引言

復(fù)雜體系的成分分析一直是分析化學(xué)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的難題之一，為此科研工作者做出了大量努力。卷煙煙氣其組成相對(duì)復(fù)雜，其基質(zhì)干擾往往會(huì)掩蓋低濃度目標(biāo)物信息，所以近年來(lái)也成為復(fù)雜體系的成分分析的熱點(diǎn)方向＼[1＼]。目前，已鑒定的煙氣中的成分及種類達(dá)7 357種，其中有機(jī)酸成分對(duì)于改善煙氣品質(zhì)具有重要作用＼[2＼]。卷煙煙氣由氣相成分和懸浮其中的粒相成分組成，在抽吸卷煙時(shí)，從濾嘴端吸出的煙氣稱為主流煙氣＼[3＼]。分析主流煙氣中有機(jī)酸組分的方法很多，大多是先利用吸煙機(jī)進(jìn)行抽吸卷煙煙支，采用劍橋?yàn)V片捕集煙氣粒相部分，溶劑捕集或低溫冷阱捕集煙氣氣相部分，然后再結(jié)合一維氣相色譜/質(zhì)譜分別進(jìn)行定性定量＼[4，5＼]。但是，由于吸煙機(jī)操作相對(duì)復(fù)雜，每次所耗煙支數(shù)量較多，且對(duì)主流煙氣中氣相物和粒相物不能同時(shí)進(jìn)行富集，同時(shí)在檢測(cè)時(shí)傳統(tǒng)一維色譜峰容量有限、分辨率較低，對(duì)于卷煙主流煙氣這種復(fù)雜成分會(huì)造成峰重疊嚴(yán)重，影響質(zhì)譜定性及定量的準(zhǔn)確性＼[6，7＼]。

本研究針對(duì)現(xiàn)有分析煙氣成分技術(shù)中存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，專門設(shè)計(jì)了一種超低溫溶劑提取裝置，在超低溫狀態(tài)下分離和富集卷煙主流煙氣中的有機(jī)酸成分，在常溫常壓下解凍，使有機(jī)酸組分在低溫態(tài)下直接溶解在提取溶劑中，既保證煙氣中原有香氣成分特征，又可對(duì)主流煙氣中氣相物和粒相物同時(shí)進(jìn)行富集，結(jié)合全二維氣相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜分析，提高了目標(biāo)組分定性及定量的準(zhǔn)確性，而且前處理操作簡(jiǎn)單，分析時(shí)間短，適合于批量樣品的多種香氣成分同時(shí)分析。

超低溫溶劑提取裝置其特征在于：在提取容器（6）中裝有提取溶劑（2），在液氮裝置（7）中盛有液氮（3），在煙支接嘴處（1）裝上煙支，并點(diǎn)燃，利用抽氣裝置（8）進(jìn)行抽氣，通過(guò)控制閥（4）調(diào)節(jié)抽吸速度， 進(jìn)而控制煙支的燃吸速率，最終對(duì)卷煙燃吸時(shí)產(chǎn)生的主流煙氣進(jìn)行富集。2.2標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

將各標(biāo)準(zhǔn)品用二氯甲烷配制成標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，準(zhǔn)確移取適量的各標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液用二氯甲烷定容到50 mL， 得到有機(jī)酸混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，搖勻后

Symbolm@@ 18 ℃冷藏保存，儲(chǔ)備液中各有機(jī)酸濃度如表1所示。

2.3樣品前處理

3結(jié)果與討論

3.1卷煙主流煙氣超低溫溶劑提取與萃取分離的優(yōu)化

3.1.1提取溶劑的選擇考察了不同提取溶劑（乙醚、二氯甲烷）對(duì)主流煙氣提取與捕集的影響， 以卷煙樣品主流煙氣經(jīng)GC×GCTOF/MS分析的結(jié)果中可靠識(shí)別有機(jī)酸組分種類及含量為指標(biāo)。結(jié)果表明，乙醚為比二氯甲烷提取的有機(jī)酸組分種類多26種，以12種有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行定量分析時(shí)，乙醚比二氯甲烷提取的每種有機(jī)酸組分的峰體積大。

3.1.2萃取分離時(shí)pH值的選擇利用13種有機(jī)酸混合標(biāo)準(zhǔn)樣品（含內(nèi)標(biāo)）考察萃取分離時(shí)pH值（分別為0.33， 0.78， 1.49， 2.87， 4.32， 5.03， 6.38）對(duì)有機(jī)酸各組分定量結(jié)果的影響，以13種有機(jī)酸的峰體積之和及可檢出的有機(jī)酸種類為指標(biāo)（圖2）。從圖2可見(jiàn)，在萃取分離時(shí)，pH值對(duì)有機(jī)酸各組分定量分析有較大影響，只有在pH<1的強(qiáng)酸性環(huán)境中才能將有機(jī)酸組分從無(wú)機(jī)相完全萃取到有機(jī)相中，使得最終定量結(jié)果準(zhǔn)確。

3.2有機(jī)酸成分衍生化條件的優(yōu)化

卷煙主流煙氣中有機(jī)酸定量分析結(jié)果的準(zhǔn)確與否，關(guān)鍵在于有機(jī)酸衍生化的完全程度和樣品前處理的準(zhǔn)確性＼[8＼]。本實(shí)驗(yàn)選擇BSTFA衍生試劑用量、衍生溫度、衍生時(shí)間和衍生介質(zhì)為主要影響因素，以12種有機(jī)酸總含量為指標(biāo)，按照L16（45）正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化有機(jī)酸類成分衍生化條件。

3.3與GC TOF/MS分離特性、靈敏度的比較

全二維氣相色譜是將分離機(jī)理不同且互相獨(dú)立的兩根色譜柱以串聯(lián)方式聯(lián)接，由于從一維柱流出的組分經(jīng)環(huán)形調(diào)制器冷凝聚焦后再次注入二維柱，色譜峰常只有100 ms，因此靈敏度較GCTOF/MS有大幅提高＼[9～11＼]。比較GCTOF/MS與GC×GCTOF/MS的靈敏度結(jié)果（表1）可知，被調(diào)制后的GC×GCTOF/MS信號(hào)比GCTOF/MS信號(hào)的靈敏度強(qiáng)6.1～41.8倍。通常，樣品中的某些痕量組分在一維柱檢測(cè)不到，能在二維柱上得到很好的信號(hào)。不僅如此，GC×GCTOF/MS更具有強(qiáng)大的分離特性，實(shí)驗(yàn)中13種有機(jī)酸組分可從煙氣這類復(fù)雜基質(zhì)中完全分離，有效解決了非待測(cè)組分的干擾，不僅使得定量結(jié)果準(zhǔn)確，還避免了一維色譜中待測(cè)組分之間色譜峰分離不完全對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響

3.4方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.4.1標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限（LOD）和定量限（LOQ）分別吸取有機(jī)酸混標(biāo)貯備液10， 25， 50， 100， 250和500 μL于色譜小瓶中，各加入5 μL反2己烯酸，用二氯甲烷定容至1 mL，經(jīng)渦旋混合后得到6個(gè)不同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。以目標(biāo)物定量離子與內(nèi)標(biāo)物定量離子的質(zhì)量比為橫坐標(biāo)，以目標(biāo)物定量離子與內(nèi)標(biāo)物定量離子的峰體積比為縱坐標(biāo)。各組分的體積比（y）與質(zhì)量比（x）具有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)（R2）均大于0.99。以信噪比S/N=3確定本方法的檢出限為1.3～24.5 μg/kg；以信噪比S/N=10確定本方法的定量限為4.1～77.1 μg/kg。具體結(jié)果見(jiàn)表3。

3.4.2加標(biāo)回收率和精密度實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)定回收率。利用超低溫溶劑提取裝置進(jìn)行卷煙主流煙氣提取與富集（4支×4次），合并提取溶劑并充分搖勻，再將提取溶劑平均分成4份，記作1， 2， 3， 4號(hào)。其中將1號(hào)和2號(hào)溶劑的檢測(cè)結(jié)果作為本底值，在3號(hào)和4號(hào)溶劑中分別添加100 μL的4#標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率考察，每個(gè)水平重復(fù)測(cè)定5次，其中添加100 μL的回收率為80.2%～107.8%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.4%～12.1%。楊 菁， 謝雯燕， 陳 磊， 吳 達(dá)， 劉百戰(zhàn)， 楊 新， 顧文博. 分析測(cè)試學(xué)報(bào)， 2012， 31（3）： 255-260

2Rodgman R A， Perfetti T A. The Chemical Components of Tobacco and Tobacco Smoke. ， 2nd ed. New York： CRC Press， 2009： 1258-1259

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許國(guó)旺， 葉 芬， 孔宏偉， 路 鑫， 趙欣捷. 色譜， 2001， 19（2）： 132-136

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14ZHU Shuai， GAO LiRong， ZHENG MingHui， LIU HuiMin， ZHANG Bing， LIU LiDan， WANG YiWen. Journal of Instrumental Analysis， 2014， 33（3）： 301-306

朱 帥， 高麗榮， 鄭明輝， 劉卉閡， 張 兵， 劉立丹， 王毅文. 分析測(cè)試學(xué)報(bào)， 2014， 33（3）： 301-306

AbstractA new method for the determination of organic acids from mainstream cigarette smoke using ultra low temperature solvent extractioncomprehensive twodimensional gas chromatography/timeofflight mass spectrometry（GC×GCTOF/MS）was established. The mainstream smoke was directly trapped by ethyl ether with ultra low temperature solvent extraction device， and cleaned up with liquidliquid extraction. The concentrated extracts were further derived by N，Obis（trimethylsily）trifluoroacetamide （BSTFA）. The good separation of silanized product was achieved by the column set of DB1 （30 m × 0.25 mm， 1.0 μm） as the 1st column and DBwax （1.5 m × 0.1 mm， 0.1 μm） as the 2nd column with modulation period of 6 s and scan range of m/z 45-450. The results showed that linearity correlation coefficients were larger than 0.99， and the average recoveries were between 80.17% and 107.81% with the relative standard deviations （RSD） in the range of 0.4%-12.1% （n=5）. The detection limit and the quantitation limit were 1.3-24.5 μg/kg and 4.1-77.1 μg/kg， respectively.

KeywordsComprehensive twodimensional gas chromatographytimeofflight mass spectrometry； Ultralow temperature solvent extraction； Cigarette； Mainstream smoke； Organic acids

14ZHU Shuai， GAO LiRong， ZHENG MingHui， LIU HuiMin， ZHANG Bing， LIU LiDan， WANG YiWen. Journal of Instrumental Analysis， 2014， 33（3）： 301-306

朱 帥， 高麗榮， 鄭明輝， 劉卉閡， 張 兵， 劉立丹， 王毅文. 分析測(cè)試學(xué)報(bào)， 2014， 33（3）： 301-306

AbstractA new method for the determination of organic acids from mainstream cigarette smoke using ultra low temperature solvent extractioncomprehensive twodimensional gas chromatography/timeofflight mass spectrometry（GC×GCTOF/MS）was established. The mainstream smoke was directly trapped by ethyl ether with ultra low temperature solvent extraction device， and cleaned up with liquidliquid extraction. The concentrated extracts were further derived by N，Obis（trimethylsily）trifluoroacetamide （BSTFA）. The good separation of silanized product was achieved by the column set of DB1 （30 m × 0.25 mm， 1.0 μm） as the 1st column and DBwax （1.5 m × 0.1 mm， 0.1 μm） as the 2nd column with modulation period of 6 s and scan range of m/z 45-450. The results showed that linearity correlation coefficients were larger than 0.99， and the average recoveries were between 80.17% and 107.81% with the relative standard deviations （RSD） in the range of 0.4%-12.1% （n=5）. The detection limit and the quantitation limit were 1.3-24.5 μg/kg and 4.1-77.1 μg/kg， respectively.

KeywordsComprehensive twodimensional gas chromatographytimeofflight mass spectrometry； Ultralow temperature solvent extraction； Cigarette； Mainstream smoke； Organic acids

14ZHU Shuai， GAO LiRong， ZHENG MingHui， LIU HuiMin， ZHANG Bing， LIU LiDan， WANG YiWen. Journal of Instrumental Analysis， 2014， 33（3）： 301-306

朱 帥， 高麗榮， 鄭明輝， 劉卉閡， 張 兵， 劉立丹， 王毅文. 分析測(cè)試學(xué)報(bào)， 2014， 33（3）： 301-306

AbstractA new method for the determination of organic acids from mainstream cigarette smoke using ultra low temperature solvent extractioncomprehensive twodimensional gas chromatography/timeofflight mass spectrometry（GC×GCTOF/MS）was established. The mainstream smoke was directly trapped by ethyl ether with ultra low temperature solvent extraction device， and cleaned up with liquidliquid extraction. The concentrated extracts were further derived by N，Obis（trimethylsily）trifluoroacetamide （BSTFA）. The good separation of silanized product was achieved by the column set of DB1 （30 m × 0.25 mm， 1.0 μm） as the 1st column and DBwax （1.5 m × 0.1 mm， 0.1 μm） as the 2nd column with modulation period of 6 s and scan range of m/z 45-450. The results showed that linearity correlation coefficients were larger than 0.99， and the average recoveries were between 80.17% and 107.81% with the relative standard deviations （RSD） in the range of 0.4%-12.1% （n=5）. The detection limit and the quantitation limit were 1.3-24.5 μg/kg and 4.1-77.1 μg/kg， respectively.

KeywordsComprehensive twodimensional gas chromatographytimeofflight mass spectrometry； Ultralow temperature solvent extraction； Cigarette； Mainstream smoke； Organic acids