頂空氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

張 茜, 劉煒倫, 路亞楠, 呂運(yùn)開*

(1河北省分析科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 保定 071002; 2河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院, 河北 石家莊 050091)

揮發(fā)性成分的分析對于不同領(lǐng)域的研究都是很有意義的,如不同性質(zhì)樣品的氣味表征、食品和飲料認(rèn)證、環(huán)境分析和質(zhì)量控制等。氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)通常是分析復(fù)雜樣品中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物的常用分析技術(shù)之一[1]。在分析液體樣品中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)時(shí),樣品被引入到氣相色譜中,揮發(fā)組分隨流動相載入柱子中。但非揮發(fā)性基質(zhì)仍保留在進(jìn)樣器中,污染進(jìn)樣器。固體樣品中VOCs的分析則更加復(fù)雜。在分析這些類型樣品前需要預(yù)先萃取,將揮發(fā)物從基質(zhì)中分離出來,并且通常需要預(yù)富集。液液萃取、固相萃取、離子色譜、固相微萃取(SPME)、溶劑微萃取等樣品處理方法可在富集分析物的同時(shí)除去干擾物[2]。其中液液萃取和固相萃取是分離科學(xué)中最常用的樣品處理方法。但是液液萃取需要高純?nèi)軇?容易產(chǎn)生溶劑峰干擾、富集倍數(shù)小,且易造成環(huán)境污染;固相萃取雖然富集倍數(shù)大,但對低濃度樣品回收率低,且耗費(fèi)時(shí)間[3]。頂空(HS)分析通常被定義為氣相萃取,是在密閉容器中對液體或固體樣品基質(zhì)上方的氣體進(jìn)行定性和定量分析[4],所以HS分析避免了復(fù)雜基質(zhì)成分被帶入分析儀器系統(tǒng)而對揮發(fā)性組分的分析造成的干擾和影響[5],并且無需有機(jī)溶劑萃取。另外HS分析因具有環(huán)保、易于實(shí)施和程序多樣化等優(yōu)點(diǎn)成為分析VOCs不可或缺的一大利器。將頂空萃取與GC-MS技術(shù)相結(jié)合可以快速準(zhǔn)確地分析揮發(fā)物成分,還可提高儀器的靈敏度,為我們提供了一個(gè)既能定性又能定量分析復(fù)雜化合物的工具。因此,該技術(shù)受到研究人員的廣泛關(guān)注。本文簡要概括了頂空氣相色譜-質(zhì)譜(HS-GC-MS)聯(lián)用技術(shù)的理論內(nèi)容及影響因素,重點(diǎn)介紹了HS-GC-MS聯(lián)用技術(shù)在各領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展。

1 HS-GC-MS聯(lián)用技術(shù)

HS-GC-MS聯(lián)用技術(shù)是將頂空萃取與GC-MS技術(shù)相結(jié)合的分析手段。因此,下文分別從HS分析的3種重要模式和GC-MS聯(lián)用技術(shù)兩方面介紹。

1.1 HS分析技術(shù)的分類

自Harger等[6]于1939年提出了測定水溶液中酒精含量的方法后,HS分析便得到了廣泛應(yīng)用。HS分析因具有樣品制備簡單,環(huán)境友好以及易于實(shí)施和自動化等優(yōu)點(diǎn)而成為分析各種濃度和樣品類型中揮發(fā)性有機(jī)物的首選技術(shù)[7]。一些教材[8-11]和綜述性文章[12,13]提供了HS分析理論和應(yīng)用的精辟概述。

一般而言,HS分析方法存在3種類型:靜態(tài)頂空(static headspace analysis, S-HS)分析法、動態(tài)頂空(dynamic headspace analysis, D-HS)分析法以及頂空固相微萃取(headspace solid-phase microextraction analysis, HS-SPME)法。傳統(tǒng)的S-HS和D-HS技術(shù)已經(jīng)分別開發(fā)使用了大約60年和50年。而HS-SPME產(chǎn)生于1993年[14],這一相對較新的技術(shù)也已有25年的歷史,并已應(yīng)用于眾多研究領(lǐng)域。目前,HS-SPME仍然是所有與頂空相關(guān)的出版物中最大的一類,而S-HS和D-HS的出版物相對較少。

1.1.1S-HS

S-HS技術(shù)是最早被開發(fā)的,因此也是最成熟的頂空技術(shù),在多個(gè)領(lǐng)域扮演著重要角色。S-HS-GC是分析環(huán)境樣品、香料中的揮發(fā)性有機(jī)物的主要工具[7]。但是,由于其靈敏度有限,S-HS-GC主要用于高濃度范圍的應(yīng)用。

在S-HS分析中,使系統(tǒng)在設(shè)定的溫度下加熱一定時(shí)間,揮發(fā)物在樣品相和氣相間分配直至平衡,由于頂空中不含非揮發(fā)性組分,所以可以直接進(jìn)入GC進(jìn)行分析。S-HS儀器非常簡單,通常使用密閉容器和加熱系統(tǒng)來控制樣品瓶的溫度。S-HS可以用氣密性氣體取樣針直接取樣,也可以用其他裝置進(jìn)一步濃縮揮發(fā)物,如SPME和單滴微萃取[15,16]。除了直接采樣外,還可使用平衡加壓采樣模式和加壓定容采樣進(jìn)樣模式[17]。盡管在大部分實(shí)驗(yàn)中仍然使用傳統(tǒng)的方法,但一些研究人員已經(jīng)建立了更優(yōu)化的方法。例如,使用程序升溫汽化進(jìn)樣口(PTV)作為頂空進(jìn)樣和GC色譜柱之間的接口[18],在取樣瓶和GC之間使用吸附劑捕集阱[19]。這些方法通過提高氣-液兩相分配常數(shù)和活度系數(shù)來提高靈敏度。

S-HS的局限性主要在于不易鑒別揮發(fā)性較小的化合物和較低的靈敏度。然而,盡管其他頂空技術(shù)(D-HS和HS-SPME)先后興起,S-HS仍然是所有頂空技術(shù)中最容易自動化的技術(shù)。

1.1.2D-HS

D-HS又稱吹掃捕集法(purge and trap analysis),于1973年首次報(bào)道[20]。不同于S-HS, D-HS用惰性氣體(如氮?dú)獾?從樣品中連續(xù)萃取揮發(fā)性化合物并進(jìn)一步預(yù)濃縮到合適的捕集介質(zhì)中,如吸附劑、冷阱。通常通過溶劑洗脫從捕集器中釋放揮發(fā)性化合物,但更常用的是通過升溫將它們轉(zhuǎn)移到色譜系統(tǒng)中用于進(jìn)一步分析。

D-HS應(yīng)用廣泛,可用于揮發(fā)性有機(jī)物的痕量分析[13]。與S-HS和HS-SPME相比,D-HS有更高的靈敏度,其檢出限比S-HS低10～1 000 倍[21],且可分析沸點(diǎn)很高的組分,但在氣體吸附和解吸附時(shí)可能會造成樣品的損失。此方法適用于液體或固體樣品中萃取沸點(diǎn)低于200 ℃、溶解度小于2%的揮發(fā)性或半揮發(fā)性有機(jī)物[22]。

1.1.3HS-SPME

HS-SPME是一種無溶劑的樣品前處理方法,可從樣品中萃取并濃縮揮發(fā)性有機(jī)物。在平衡溫度下,通過涂有不同固定相或吸附劑的纖維頭對VOCs的吸附,從頂空中萃取分析物[17,22]。隨后在色譜分析前進(jìn)行熱解析,并于下次萃取前在高溫下進(jìn)行預(yù)處理,以免影響下次分析[23]。

幾乎所有的商業(yè)SPME纖維都基于熔融石英基材,熔融石英可以很容易通過涂覆各種吸附材料進(jìn)行改性,但是易碎且難以處理?？紤]到熔融石英纖維的缺點(diǎn),出現(xiàn)了機(jī)械強(qiáng)度高的金屬絲支撐基材,如銀、鉑、鈦、鎳鈦合金和不銹鋼絲[24],大大提高了纖維的柔韌性,并延長了纖維的使用壽命。SPME纖維涂層在萃取和解吸過程中起著至關(guān)重要的作用,因?yàn)橥繉拥男再|(zhì)決定了樣品溶液和固定相間分析物的分配系數(shù)。因此,目前SPME的進(jìn)展主要集中于新型纖維涂層的開發(fā)上,以提高萃取效率[25-28]。根據(jù)材料類別可將涂層分為:無機(jī)涂層,如金屬有機(jī)骨架、碳納米管、石墨烯、金屬和金屬氧化物等;有機(jī)聚合物涂層,如聚合離子液體、分子印跡聚合物等;其他涂層,如適體功能化材料、納米纖維[29]等?；谶@些材料的物理和化學(xué)特性,可萃取復(fù)雜基質(zhì)中的各種分析物。近年來,越來越多復(fù)合材料和混合材料的應(yīng)用可提高特定化合物的萃取效率。

HS-SPME可簡化樣品制備步驟,適用于測定揮發(fā)性和半揮發(fā)性的樣品,且檢出限低于S-HS和D-HS,是近些年來最常用的HS分析方法。

1.2 GC-MS聯(lián)用技術(shù)

GC-MS聯(lián)用技術(shù)[30]簡稱氣質(zhì)聯(lián)用,以檢測時(shí)間短、耗費(fèi)溶劑少等特點(diǎn)成為人們普遍采用的檢測手段。該技術(shù)是一種快速、準(zhǔn)確、靈敏度高的定性定量分析技術(shù),將分離技術(shù)與質(zhì)譜法相結(jié)合,是分離科學(xué)方法中的一項(xiàng)突破性進(jìn)展。

由于GC-MS技術(shù)分析的主要任務(wù)是分析復(fù)雜樣品中的眾多未知物,因此新技術(shù)、高分辨率和質(zhì)量精確的儀器需求不斷增長。目前,有幾種高分辨質(zhì)譜(HRMS)可與GC有效耦合,如磁質(zhì)譜、飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF)、四級桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜(QTOF)和軌道阱質(zhì)譜(Orbitrap)等。最常用的是采用扇形磁分析器的GC-HRMS,分辨率超過 60 000,且動態(tài)范圍具有5個(gè)數(shù)量級,但采集速度僅為每秒幾個(gè)譜圖(最多20個(gè)),不可與快速GC和全二維氣相色譜聯(lián)用進(jìn)行分析[31]。高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜(HRTOF-MS)的分辨率通常在 10 000 和 50 000 之間,每秒可采集多達(dá)500張譜圖[32], HRTOF-MS即使在低濃度下也可記錄精確的全掃描分析。其主要缺點(diǎn)是動態(tài)范圍窄,很難分析含有不同濃度的目標(biāo)化合物的復(fù)雜混合物。Q-Orbitrap高分辨質(zhì)譜的分辨率可達(dá) 120 000,具有動態(tài)范圍寬及檢出限低等特點(diǎn),使得其適用于定量分析[33,34],但采集速率的提高顯著降低了分辨率。此外,小型化也是質(zhì)譜儀最重要的發(fā)展方向之一,作為現(xiàn)場分析和空間應(yīng)用的分析技術(shù)[35-38]。最近,蘭州物理研究所開發(fā)了一種新型的小型磁扇式質(zhì)譜儀,整個(gè)儀器尺寸為220 mm×165 mm×165 mm(長×寬×高),總儀器質(zhì)量為10.2 kg[39],尺寸小,能耗低,性能高,適用于便攜式分析。鑒于質(zhì)譜儀器的快速發(fā)展,使得GC-MS成為鑒別和分析未知揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物的首選技術(shù)之一。

2 HS-GC-MS實(shí)驗(yàn)條件的影響及優(yōu)化

HS分析取決于樣品和氣相(頂空)間的平衡,因此要想增加揮發(fā)性物質(zhì)在頂空部分的濃度,可向分析物溶液中加鹽(鹽析效應(yīng)),使用溶劑充分溶解樣品[7]。在S-HS進(jìn)樣中,可使用離子液體作為溶劑,作為傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的“綠色”替代品[6]。此外,還可通過衍生化增加氣相中分析物的濃度和儀器響應(yīng)因子,以提高分析的靈敏度。實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化不僅取決于分析物的性質(zhì)(如揮發(fā)性、極性和基質(zhì)效應(yīng)等),還要考慮樣品基質(zhì)的特性(如不穩(wěn)定性)。因此,在S-HS中,考慮到目標(biāo)分析物和樣品基質(zhì)的穩(wěn)定性,通常需要選用合適的溫度。同時(shí)還應(yīng)優(yōu)化平衡時(shí)間,以確保分析在平衡狀態(tài)下進(jìn)行,或確保頂空樣品在選定條件下的可重復(fù)性。在D-HS中,除了需要選擇合適的反應(yīng)溫度外,吹掃流速和吹掃時(shí)間的優(yōu)化也很重要[16]。在HS-SPME中,需要根據(jù)樣品的性質(zhì)選取合適的纖維萃取頭。另外,還應(yīng)該選擇合適的色譜柱類型、柱溫箱升溫程序、質(zhì)譜檢測器的采樣速率和停留時(shí)間等參數(shù)。

3 S-HS-GC-MS聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

S-HS取樣結(jié)合GC-MS聯(lián)用技術(shù)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域,并不斷涌現(xiàn)出新應(yīng)用。下面介紹基于不同類型樣品的應(yīng)用。

3.1 S-HS-GC-MS在食品樣品中的應(yīng)用

食品與人類健康密切相關(guān),食品中揮發(fā)物質(zhì)的分析一直是色譜研究的熱門。食品的復(fù)雜性意味著可能會對分析物產(chǎn)生大量的干擾,所以需要根據(jù)基質(zhì)的性質(zhì)選用靈敏度高和選擇性好的技術(shù)。

S-HS-GC-MS是確定食品質(zhì)量的有效工具。例如,Guler等[40]利用S-HS-GC-MS技術(shù)分析了不同品種甜瓜的揮發(fā)性芳香族化合物。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),最有價(jià)值的是酯類濃度較高的品種。而且可依據(jù)揮發(fā)性化合物與氣味的相關(guān)性區(qū)別甜瓜品種。Zhao等[41]以5種商業(yè)大米蛋白(RP)產(chǎn)品為研究對象,利用S-HS-GC-MS鑒定了大米蛋白質(zhì)漿液中的氣味劑。結(jié)果顯示由氨基酸以及脂質(zhì)氧化衍生的氣味劑產(chǎn)生的VOCs對大米蛋白質(zhì)整體氣味至關(guān)重要。該方法克服了傳統(tǒng)的溶劑輔助風(fēng)味蒸發(fā)(SAFE)技術(shù)中低分子量化合物損失以及蒸餾過程中較高分子量化合物濃縮的缺點(diǎn)。

S-HS-GC-MS可用于食品領(lǐng)域殘留溶劑的測定。Jeong等[42]對60種不同類型保健功能食品中殘留己烷的含量進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)基于火焰離子化檢測器(FID)和MS分析結(jié)果的檢出限和定量限分別為0.10、0.29和0.16、0.47 mg/L,MS得到的回收率和變異系數(shù)優(yōu)于FID。Shen等[43]測定了熱加工食品中的呋喃和2-烷基呋喃的含量,并研究了頂空操作條件和食物基質(zhì)對分析物響應(yīng)的影響,檢出限為0.021 μg/kg,定量限為0.071 μg/kg。Pugajeva等[44]測定了嬰兒食品中的呋喃,并比較了選擇離子監(jiān)測(SIM)和選擇反應(yīng)監(jiān)測(SRM)模式,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的SIM模式相比,SRM模式提供了更高的選擇性,并且沒有觀察到基質(zhì)成分的干擾。

值得注意的是,在食品工廠最常用的消毒劑是氯基消毒劑,致癌物消毒副產(chǎn)物(DBP)可通過消毒劑和食品成分(碳水化合物、脂質(zhì)等)之間的反應(yīng)以及其他途徑產(chǎn)生。而三鹵甲烷(THMs)和鹵代乙酸(HAAs)是存在于處理過的水中的兩種最普遍的DBP。Cardador等[45,46]利用S-HS-GC-MS技術(shù)分別在罐裝蔬菜和奶酪中測定了THMs和HAAs,并測定了罐裝蔬菜中15種醛[47],獲得了滿意的回收率和精確度。Cardador等[48]將微波輔助萃取(MAE)法與S-HS-GC-MS結(jié)合,同時(shí)測定了肉制品中14種DBP。實(shí)驗(yàn)表明,在約36%的樣品中,以ng/g水平發(fā)現(xiàn)了多達(dá)5種DBP,檢出限范圍為0.06～0.70 ng/g, RSD為7.4% 。該方法減少了萃取時(shí)間,使操作步驟簡化并提高了回收率。

3.2 S-HS-GC-MS在環(huán)境樣品中的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的揮發(fā)性有機(jī)物會對人體及環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。而S-HS-GC-MS是評估存在于不同基質(zhì)(如空氣、水、土壤)中VOCs的技術(shù)之一。

Sanjuan-Herraez等[49]建立了一種新的方法,使用膜作為車輛維修廠室內(nèi)空氣中的VOCs受體,然后利用S-HS-GC-MS技術(shù)進(jìn)行分析。在不同的暴露時(shí)間(8～96 h)下,將設(shè)備放置在這些車輛維修廠兩個(gè)不同的采樣點(diǎn)。根據(jù)車輛修理廠的日?；顒?VOCs濃度各不相同,但平均值始終低于規(guī)定的水平,方法的檢出限和RSD范圍分別為15～75 ng和2.8% ～9.2% 。該方法避免了使用有機(jī)溶劑和添加劑,不污染環(huán)境。同樣地,一種類似的方法被成功應(yīng)用于在釀酒過程不同階段釋放的VOCs的測定[50]。

由于水中二甲苯和苯乙烯等污染物在痕量或超痕量水平,需要建立檢出限低、簡單、廉價(jià)的分析方法。Yilmazcan等[51]證明了S-HS-GC-MS技術(shù)可用于海水中上述化合物的分析檢測。另外,可在溶劑排空模式PTV進(jìn)樣下,分析水中不同的藥物(如布洛芬[52])和污染物(如汽油氧化物、苯、甲苯、乙苯和二甲苯[53])。與傳統(tǒng)的分流/不分流進(jìn)樣模式相比,該裝置提供了更好的結(jié)果,靈敏度高,檢出限低,準(zhǔn)確度和精確度良好。

Cai等[54]報(bào)道了基于磁性固相萃取(MSPE)和HS的新型樣品預(yù)處理方法。用3-氨基丙基三乙氧基硅烷和膽固醇修飾Fe3O4納米粒子來制備磁性吸附劑。良好的分子識別能力和膽固醇?xì)さ氖杷允沟么判约{米粒子對多環(huán)芳烴顯示出高選擇性。該方法可用于飲用水中多環(huán)芳烴的測定。

隨著環(huán)境污染的不斷加劇,環(huán)境治理顯得尤為重要。最近,Finnegan等[55]利用S-HS-GC-MS技術(shù)研究了微生物降解沉積物三丁基錫的能力,證實(shí)了微生物可有效去除沉積物中的三丁基錫,該方法不產(chǎn)生污染物,操作成本低,在原位降解而不污染環(huán)境。

3.3 S-HS-GC-MS在生物樣品中的應(yīng)用

3.3.1植物樣品

S-HS-GC-MS對生物體內(nèi)的揮發(fā)性化合物測定具有重大的意義。S-HS-GC-MS可用于藤蔓和橡木皮中揮發(fā)物的分析[56],將收集的藤蔓和橡木片以不同溫度加熱,比較兩種物質(zhì)形成的揮發(fā)性化合物,對維恩圖和主成分分析結(jié)果進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析,表明溫度對藤蔓和橡木片揮發(fā)性化合物的組成具有較大的影響。Alcudia-Leon等[57]利用番茄斑潛蠅中(3E,8Z,11Z)-十四碳三烯乙酸酯和(3E,8Z)-十四碳二烯乙酸酯兩種信息素組分作為標(biāo)記物鑒定此害蟲。實(shí)驗(yàn)中使用S-HS-GC-MS分別測定了水和番茄樣品中的這兩種組分含量,其檢出限范圍分別為25～32 ng/L 和89～111 ng/kg,精密度(以RSD表示)分別高于4.6%和7.1% ,相對回收率為94% ～100%和83% ～99% 。利用S-HS-GC-MS結(jié)合精確重量測量的方法可實(shí)現(xiàn)可靠的鑒別,并且在分析復(fù)雜樣品中揮發(fā)性組分方面具有廣泛的應(yīng)用。

3.3.2動物樣品

2H2O作為非放射性、穩(wěn)定的標(biāo)記物質(zhì),通常用于臨床研究,可以用作測定全身水分、合成脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的示蹤劑,所以精確測定生物樣品中的2H2O濃度是至關(guān)重要的。雖然測定生物樣品中2H2O濃度時(shí)用同位素法比質(zhì)譜法準(zhǔn)確度高,但是相當(dāng)耗時(shí)且成本高。Eberl等[58]建立并驗(yàn)證了一種快速直接的方法,使用S-HS-GC-四極桿質(zhì)譜法準(zhǔn)確測定大鼠腦組織間液和血漿中2H的富集。實(shí)驗(yàn)表明,該方法快速、穩(wěn)健、準(zhǔn)確度高,證明了可使用2H2O作為腦開放流微灌注(cOFM)探針的性能標(biāo)記。Ganguly等[59]使用S-HS-GC-MS研究Hilsa(孟加拉灣周邊國家重要的商業(yè)魚類食品)中揮發(fā)性組分,共鑒定了41種化合物。其中確定了魚類新鮮和腐敗的指示物,有利于魚的質(zhì)量評估。

3.3.3人體尿液、血液

Serrano等[60]使用S-HS-GC-MS測定了人體尿液中的內(nèi)源性醛,使用O-2,3,4,5,6-五氟芐基羥胺在堿性介質(zhì)(碳酸氫鹽-碳酸鹽緩沖液,pH 10.3)中衍生人體尿液樣品(無需稀釋)。結(jié)果表明:檢出限為1～15 ng/L, RSD為6.0% ～7.9% ,平均回收率為92%～95%。另外,可在PTV進(jìn)樣模式下分析人體尿液中的醛類[61]、氨基酸[62]、生物標(biāo)志物[63]等。該方法快速、靈敏度高,此儀器裝置使樣品操作最小化,從而減少了溶劑消耗以及相關(guān)的誤差,并且具有良好的線性、低定量限和適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度。該方法是用于分析尿樣中內(nèi)源性化合物的復(fù)雜、繁瑣的萃取和濃縮技術(shù)(例如固相萃取和中空纖維液相微萃取)良好的替代方法。

Xiao等[64]用正丙醇作為內(nèi)標(biāo),使用S-HS-GC-MS定量測定了血液中的乙醇,該方法具有選擇性高、運(yùn)行時(shí)間短(5.0 min)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),有利于生物樣品中的高通量分析。Giuliani等[65]利用S-HS-GC-MS分析血液中全氟碳化合物(PFCs)濃度,由于PFCs具有攜氧能力,所以可用于興奮劑和運(yùn)動中藥物濫用。實(shí)驗(yàn)確定了這些化合物的檢出限,可用于體育賽事中PFCs的檢測。Varlet等[66]使用格氏試劑丁基氯化鎂(C4H9MgCl)和氘代水原位生成的氘化丁烷(C4H9D)作為內(nèi)標(biāo)物,利用S-HS-GC-MS測定生物基質(zhì)中的丁烷。該方法可避免取樣過程中可能出現(xiàn)的氣體損失,類似地,也衍生出丙烷的分析方法[67]。

3.4 S-HS-GC-MS在其他樣品中的應(yīng)用

3.4.1生活用品

生活用品中VOCs的潛在毒性也已被人們廣泛意識到,其含量的測定很必要。Ohno等[68]利用S-HS-GC-MS鑒定和定量檢測聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)廚房用具中揮發(fā)性有機(jī)物,在PMMA廚房用具中發(fā)現(xiàn)了除甲基丙烯酸甲酯以外的15種揮發(fā)性化合物。Lee等[69]利用S-HS-GC-MS對濕巾中的14種烷氧基醇進(jìn)行了測定,實(shí)驗(yàn)中加入2,3-二甲基-1-丁醇和2-苯氧基乙醇-d5作為內(nèi)標(biāo)溶液,并且對實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化,該方法具有較低的檢出限。

3.4.2中藥樣品

水蒸氣蒸餾和溶劑萃取法結(jié)合GC或GC-MS是分析中草藥中揮發(fā)油的傳統(tǒng)方法。但是,它需要相對大量的樣品,并且會造成部分分析物的損失。而Zhang等[70]使用基于S-HS-GC-MS的分析方法以分離和鑒定白術(shù)炒制前后的揮發(fā)油,發(fā)現(xiàn)此方法快速、準(zhǔn)確,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足。S-HS-GC-MS在中草藥中揮發(fā)油的分離和鑒定方面具有廣闊的前景。

4 D-HS-GC-MS聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

4.1 D-HS-GC-MS在食品樣品中的應(yīng)用

Ochiai等[71]建立了一種多重?fù)]發(fā)方法(multi-volatile method, MVM),使用連續(xù)動態(tài)頂空萃取均勻萃取和富集水樣中的各種氣味化合物,依次用多個(gè)填充有不同材料的捕集器在不同條件下進(jìn)行采樣。分別在25 ℃下使用碳基吸附劑捕集器對高蒸氣壓(>20 kPa)的揮發(fā)性溶質(zhì)進(jìn)行第1次D-HS萃取,在25 ℃下用相同類型的碳基吸附劑捕集器對中等蒸氣壓(1～20 kPa)揮發(fā)性溶質(zhì)進(jìn)行第2次萃取,在80 ℃下使用Tenax TA捕集阱進(jìn)行第3次全蒸發(fā)動態(tài)頂空(FEDHS)萃取以收集低蒸氣壓(<1 kPa)及親水性的溶質(zhì)[72]。從同一HS樣品瓶中萃取后,將3個(gè)捕集器按照D-HS萃取的相反順序依次進(jìn)行熱解吸,收集的分析物在線傳輸至GC-MS系統(tǒng)進(jìn)行分析。該方法可以富集蒸氣壓為8.8×10-5～120 kPa的各種氣味化合物,同時(shí)不受低揮發(fā)性基質(zhì)的干擾。該方法的回收率為91% ～111% ,顯示出良好的線性關(guān)系(R2>0.991 0)和高靈敏度(檢出限為1.0～7.5 μg/L)。與傳統(tǒng)D-HS和HS-SPME技術(shù)相比,該方法可以富集較寬范圍的氣味化合物,并能獲得較高的回收率。Ochiai等[73]對MVM進(jìn)行擴(kuò)展,使用5種不同的D-HS萃取裝置分析1 mL樣品,使用附加真空裝置可更快地去除疏水閥和DHS排氣管中的水,完全蒸發(fā)1 mL的水樣僅需5 L的吹掃氣,3個(gè)連續(xù)的D-HS萃取用于回收親水性及低蒸氣壓物質(zhì)。通過分析釀造綠茶中μg/L水平的香味化合物,發(fā)現(xiàn)與改進(jìn)前的MVM方法相比,該方法可檢測近兩倍的氣味化合物,且靈敏度提高了3.4～15倍。

Ha等[74]將攪拌棒吸附萃取和D-HS結(jié)合,減少了對吸附劑的影響,分析了傳統(tǒng)的韓國發(fā)酵米酒中的揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物,分離和定量了41種化合物。該方法具有良好的線性,定量限低,適于測定酒中的揮發(fā)性有機(jī)物。Wang等[75]利用D-HS-GC-MS建立了測定大米中己醛的簡便方法,將研磨均勻的大米中的己醛吸附到Tenax TA填充的濃縮管上,然后通過GC-MS分析。該方法簡單、快速,適用于大米中己醛的測定。

4.2 D-HS-GC-MS在生物樣品中的應(yīng)用

在研究化學(xué)生態(tài)學(xué)(昆蟲-昆蟲、昆蟲-植物關(guān)系)時(shí),選擇合適的萃取方法和正確的優(yōu)化條件非常重要。因此,有必要收集足夠量的揮發(fā)性化合物用來分析它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)和行為活性化合物。

D-HS因具有活體植株取樣方便、對色譜柱傷害較小等優(yōu)點(diǎn)[76],可用來收集植物花的氣味,如算盤子花[77]、巴西西番蓮[78]以及土耳其唇形科植物[79]等。此外,Durenne等[80]建立了實(shí)驗(yàn)室高通量玻璃容器分析歐洲油菜幼苗揮發(fā)性有機(jī)物的方法,以更好地了解誘導(dǎo)萜烯和鎘低排放相關(guān)的非生物脅迫。這種廉價(jià)的玻璃容器在實(shí)驗(yàn)室無菌條件和重復(fù)研究中具有廣泛的應(yīng)用潛力。

Rodriguez等[81]利用D-HS技術(shù)研究了吸附劑的性質(zhì)對分析昆蟲信息素的影響。在該研究中,評估了傳統(tǒng)的吸附劑TenaxTA、Porapak Q、Hayesep Q和活性炭;提出了一些廉價(jià)的替代品,如Porapak Rxn RP、親水親脂平衡(HLB)柱、強(qiáng)陽離子交換(SCX)柱和硅膠。結(jié)果表明,Porapak Q表現(xiàn)出最佳的回收率和吸附劑性能;盡管Porapak Q和Porapak Rxn RP的化學(xué)組成不同,但獲得了相似的結(jié)果;HLB可識別全部化合物,類似于活性炭;而SCX主要測定了丁香酚和α-紫羅蘭酮的濃度;硅膠的吸附能力最差。當(dāng)Porapak Rxn RP用于分析桉樹揮發(fā)物時(shí),獲得了優(yōu)異的結(jié)果,與水蒸氣蒸餾法測定的結(jié)果一致。

4.3 D-HS-GC-MS在環(huán)境樣品中的應(yīng)用

硫芥是波羅的海傾倒最多的化學(xué)戰(zhàn)劑,可在環(huán)境中生成許多降解產(chǎn)物,對周圍的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成重大的威脅。Magnusson等[82]開發(fā)了一種現(xiàn)場鑒定和定量沉積物樣品中硫芥環(huán)狀降解產(chǎn)物的方法,使用配有頂空進(jìn)樣器的HAPSITE?現(xiàn)場便攜式GC-MS儀器,可從5種選定分析物的加標(biāo)沉淀物樣品中回收高達(dá)60% ～90%的分析物。在博恩霍爾姆盆地化學(xué)彈藥傾倒場收集沉積物后立即進(jìn)行船載分析,在15～308 μg/kg(干重)范圍內(nèi)成功檢測到4種環(huán)狀硫芥子降解產(chǎn)物,證明了該方法用于現(xiàn)場核查硫芥彈藥泄漏情況的可行性。

目前,由于環(huán)境污染問題較為嚴(yán)重,因此測定水和廢水樣品中VOCs含量時(shí),主要使用無溶劑樣品制備技術(shù),如S-HS和D-HS技術(shù)。Boczkaj等[83]采用D-HS-GC-MS測定工業(yè)廢水中低含量的含氧揮發(fā)性有機(jī)化合物(O-VOCs),發(fā)現(xiàn)在所研究的毛細(xì)管色譜柱中,以離子液體作為固定相的極柱SLB-IL 111對O-VOCs的分離效果最好,因?yàn)樗鼘φ龢?gòu)烷烴和含氧揮發(fā)性有機(jī)化合物具有高選擇性。Horii等[84]測定了日本東京灣流域地表水中7種環(huán)狀和線性的揮發(fā)性甲基硅氧烷(VMSs)的濃度,發(fā)現(xiàn)河水和污水處理廠中含量最多的VMSs化合物是廣泛用于個(gè)人護(hù)理品的VMSs,線性VMSs的檢測頻率和濃度遠(yuǎn)低于環(huán)狀VMSs的檢測頻率和濃度。研究結(jié)果表明,VMSs在東京灣流域中的分布廣泛,生活污水的排放會對水生環(huán)境中VMSs的來源造成不良影響。

Christensen等[85]介紹并測試了用于代表云杉、橡木和山毛櫸的土壤樣品中VOCs指紋分析的D-HS-熱解吸-GC-MS法。通過定性和半定量分析優(yōu)化了吸附劑管、吹掃體積、捕集溫度、吸附管的干燥和爐溫等分析參數(shù)。該方法已成功用于比較3個(gè)林區(qū)土壤樣品中的揮發(fā)性有機(jī)化合物,并將萜類作為土地潛在生物標(biāo)志物進(jìn)行檢測。

5 HS-SPME-GC-MS聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

近年來,HS-SPME-GC-MS的應(yīng)用主要集中于飲料中氣味組分和環(huán)境樣品中VOCs的分析。下文分別介紹這兩種樣品的應(yīng)用實(shí)例。

5.1 HS-SPME-GC-MS在飲料樣品中的應(yīng)用

確定酒中的風(fēng)味成分對于產(chǎn)品的開發(fā)和品質(zhì)控制提供了理論依據(jù)[86-89]。劉敬科等[90]利用HS-SPME-GC-MS對85 μm聚丙烯酸酯(PA)、100 μm聚二甲基硅氧烷(PDMS)、75 μm碳分子篩(CAR)/PDMS、50/30 μm二乙烯基苯(DVB)/CAR/PDMS萃取頭進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)PA和PDMS分別對極性和非極性化合物分別具有較好的吸附效果;而CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS萃取頭適合吸附中等極性化合物。Arcari等[91]利用HS-SPME-GC-MS方法對葡萄酒中55種VOCs進(jìn)行定量分析,并應(yīng)用于12種梅洛紅葡萄酒,確定出具有氣味貢獻(xiàn)的化合物為異戊酸乙酯、己酸乙酯、肉桂酸乙酯、辛酸和1-己醇。Stoj等[92]利用HS-SPME-GC-MS方法發(fā)現(xiàn)丁二酸二乙酯可將波蘭葡萄酒與法國、意大利、西班牙葡萄酒區(qū)分開,這對于檢測波蘭葡萄酒的摻假問題十分關(guān)鍵。

HS-SPME能有效避免在萃取過程中易揮發(fā)或熱不穩(wěn)定性的氣味組分被破壞,減少氣味組分的測定誤差,該方法已成功應(yīng)用于不同類型茶葉(如紅茶[93-96]、綠茶[97-100]、龍井茶[101,102])的揮發(fā)性組分的萃取。Yang等[100]將紅外輔助萃取(IRAE)結(jié)合HS-SPME快速測定了21種綠茶樣品中82種揮發(fā)性化合物,并對萃取參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。與傳統(tǒng)的水浴加熱法相比,該技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn),可大大縮短分析時(shí)間并提高效率。IRAE-HS-SPME-GC-MS技術(shù)與多變量分析相結(jié)合為評估不同綠茶樣品的地理可追溯性提供了一種有價(jià)值的工具。Ma等[95]提出了在HS-SPME程序中使用組合溫度的方法,通過GC-MS分析紅茶中揮發(fā)性化合物。最佳萃取條件為:NaCl飽和度為100% ,茶水比為1∶5.92,總萃取時(shí)間為60 min,分別在30 ℃時(shí)萃取11.9 min,在50 ℃時(shí)萃取17.4 min, 70 ℃時(shí)萃取30.7 min。在此條件下,揮發(fā)性有機(jī)物的總峰面積和所鑒定的化合物數(shù)目都優(yōu)于傳統(tǒng)的方法,說明溫度影響不同揮發(fā)性有機(jī)物的萃取效率。鄭敏等[103]利用HS-SPME-GC-MS方法對市售3種柑普茶不同部位及茶水中揮發(fā)性成分進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性組分主要是烯烴類、酯類、醇類等物質(zhì),可為柑普茶的品質(zhì)提供參考依據(jù)。

5.2 HS-SPME-GC-MS在環(huán)境樣品中的應(yīng)用

近年來,環(huán)境樣品水樣中VOCs的測定成為HS-SPME-GC-MS技術(shù)的熱門應(yīng)用。HS-SPME因無需溶劑萃取、綠色、快速方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于水中痕量VOCs的萃取。HS-SPME-GC-MS已被用于分析水中各種各樣的污染物,包括嗅味物質(zhì)[104-106]、農(nóng)藥[107]、醛類[108-110]、酚類[111-113]、有機(jī)金屬化合物[114-116]等。衍生化技術(shù)已用于水樣中的肼[117]、醛[108]、三甲基鉛和三乙基鉛[114]、有機(jī)錫化合物[115]等有機(jī)物的分析。例如,Oh等[117]使用1,1,1-三氟-2,4-戊二酮作為衍生試劑,測定工業(yè)廢水中的肼。檢出限和定量限分別為0.002和0.007 μg/L,準(zhǔn)確度為98.0% ～103% 。該方法具有簡單、易操作、適合自動化,衍生試劑易揮發(fā)等優(yōu)點(diǎn),適合測定廢水中的肼。除了商用的SPME纖維外,纖維頭固定相還可使用新涂層材料,例如:聚合離子液體(PILs)[118-120]用于分析有機(jī)磷酸酯、紫外線過濾劑、揮發(fā)性脂肪酸;分子印跡聚合物纖維[121]用于分析磷酸三甲酯;金屬有機(jī)骨架UiO-67涂層纖維[122]用于分析硝基苯化合物;竹炭@氧化鐵黑[123]用于分析多氯聯(lián)苯。結(jié)果表明,HS-SPEM-GC-MS具有良好的回收率和低檢出限。例如,Liu等[123]制備竹炭@氧化鐵黑并用作HS-SPME涂層材料,成功用于水中多氯聯(lián)苯的富集和測定。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,線性范圍為0.2～1 000 ng/L,檢出限為4.7～22.2 pg/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法是分析環(huán)境中超痕量水平多氯聯(lián)苯的良好選擇。Silva等[124]使用HS-SPME-GC-MS作為分析工具,監(jiān)測直接紫外和UV/過氧化物光解水中酚類化合物的降解物和副產(chǎn)物,發(fā)現(xiàn)能夠降解酚類化合物初始總濃度的99%以上,主要副產(chǎn)物是2,6-二叔丁基苯醌。表明降解過程是由芳香酚環(huán)氧化產(chǎn)生醌、二酚、苯甲酸和苯酮引發(fā)的。

5.3 HS-SPME-GC-MS在其他樣品中的應(yīng)用

5.3.1生活用品

Masoum等[125]采用電化學(xué)聚合技術(shù),在不銹鋼SPME纖維表面,制備了聚吡咯和月桂基乙醚硫酸鈉復(fù)合涂層。采用頂空固相微萃取水性漂白劑樣品中香味,評價(jià)了纖維涂層應(yīng)用和性能,然后采用GC-MS評估家用清潔產(chǎn)品中的香味穩(wěn)定性。這種涂層具有多孔表面結(jié)構(gòu),萃取能力高,熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性好。該涂層將對類似化合物的預(yù)濃縮和測定具有重要的潛在應(yīng)用。

5.3.2植物樣品

HS-SPME-GC-MS可方便、快速、可靠地分析植物樣品中的揮發(fā)性組分[126-128]。例如,Yuan等[129]分析了56個(gè)睡蓮品種花瓣、雄蕊和雌蕊中的VOCs。發(fā)現(xiàn)大部分揮發(fā)物是由雄蕊釋放的,共測定了117種揮發(fā)性有機(jī)化合物。

6 總結(jié)與展望

近年來與HS分析相關(guān)的應(yīng)用越來越多,這證明了HS分析技術(shù)在不同領(lǐng)域測定揮發(fā)性有機(jī)物的綜合潛力。此方法無需有機(jī)溶劑萃取,因而比其他傳統(tǒng)的樣品處理方法更有優(yōu)勢。而GC-MS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化,使HS分析具有更廣闊的前景。將頂空萃取與GC-MS結(jié)合可分析復(fù)雜基質(zhì)中的揮發(fā)性有機(jī)物,該方法簡單、快速、環(huán)保的特點(diǎn)受到了許多研究人員的關(guān)注。對于S-HS和D-HS儀器,最近的研究進(jìn)展通常都是開發(fā)小型化系統(tǒng)或設(shè)備來進(jìn)行更快速、靈敏的測定。但是,它們的使用仍然有限,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能用于常規(guī)分析。從HS-GC-MS的應(yīng)用來看,雖然S-HS和D-HS已經(jīng)較成熟,但應(yīng)用領(lǐng)域仍在擴(kuò)大。HS-SPME最近的進(jìn)展主要集中在新型纖維涂層的開發(fā)以及研究領(lǐng)域的擴(kuò)大。這些領(lǐng)域都需要更多的研究來充分發(fā)揮其潛力,擴(kuò)展可用于HS-GC-MS分析的化合物范圍。基于頂空技術(shù)的獨(dú)特性,HS-GC-MS將在未來科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用方面發(fā)揮更大的作用。