氣相色譜法測定指示性多氯聯(lián)苯純度比較

黃林艷，趙彥輝，趙亞嫻，魯炳聞，楊 剛，劉海萍，房麗萍

(國家環(huán)境保護(hù)污染物計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)樣品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，北京 100029)

0 引 言

多氯聯(lián)苯（PCBs）為一類在環(huán)境中廣泛存在的持久性有機(jī)污染物，具有致癌、致畸、致突變的“三致毒性”[1]，是環(huán)境污染監(jiān)測的重要指標(biāo)之一。監(jiān)測過程中使用的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品是環(huán)境監(jiān)測與分析過程中進(jìn)行量值傳遞與量值溯源的標(biāo)準(zhǔn)量具[2]，其中量值準(zhǔn)確是環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品的重要特性之一。在環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品研制過程中，標(biāo)準(zhǔn)樣品原料的純度是影響標(biāo)準(zhǔn)樣品量值準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素。

有機(jī)物純品的純度測定通常采用色譜法，其中配備氫火焰離子化檢測器的氣相色譜（GC-FID）通常用于分析揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物純度[3-4]；配備紫外檢測器或二極管陣列檢測器的液相色譜（HPLC-UV/Vis或HPLC-PDA）通常用于分析難揮發(fā)或熱不穩(wěn)定的有機(jī)物純度[5]。然而，采用GC-FID和HPLC法時(shí)，為了盡可能檢出樣品中的雜質(zhì)，通常要求樣品配制濃度高達(dá)幾千μg/mL，甚至更高。氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）除了能在樣品濃度相對較低的條件下測定純度外，還能對主要雜質(zhì)進(jìn)行定性分析[6-7]。對于一些含有特定元素的有機(jī)物，如含鹵素的有機(jī)物，使用配備電子捕獲檢測器的氣相色譜（GC-μECD）能夠在主成分濃度較低的情況下進(jìn)行純度測定[8]。由于PCBs純品在制備時(shí)的純化難度大、成本高，且為高毒物質(zhì)，商品化的PCBs純品包裝單元一般較小。因此，在研制PCBs溶液標(biāo)準(zhǔn)樣品時(shí)，PCBs純品的純度測定應(yīng)盡可能選擇在較低進(jìn)樣濃度下檢出雜質(zhì)的方法，以減少純品用量。本文以7種指示性PCBs純品為例，研究了常規(guī)的GC-FID法測定純品純度，并探索了GC-MS和GC-μECD方法在PCBs純品純度測定中的應(yīng)用，為含鹵素有機(jī)物純品純度測定提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

7890A型氣相色譜儀（美國Agilent公司）；7890A/5975C型氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀（美國Agilent公司）；XP240 型精密電子天平（精密度為 0.01 mg，瑞士Mettler-Toledo公司）。

異辛烷，HPLC 級，美國 J.T.Baker公司；PCB 28、52、101、118、138、153、180 純品均為美國Accustandard公司；7種指示性PCBs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，質(zhì)量濃度為10 μg/mL，美國 Wellington Laboratories公司。

1.2 純度測定條件

GC-MS 條件：色譜柱：HP-5MS（30 m×250 μm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：290 ℃；進(jìn)樣體積：1 μL；進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣；程序升溫：100 ℃（保持 2 min），以 15 ℃/min 升到 180 ℃，后以 3 ℃/min 升到 240 ℃，再以 10 ℃/min 升到 285 ℃（保持 3 min）；離子源溫度：230 ℃；四級桿溫度：150 ℃；全掃描方式：50～550m/z。

GC-FID 條件：色譜柱：HP-5MS UI（30 m×250 μm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：280 ℃；進(jìn)樣體積：1 μL；進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣；空氣流量：100 mL/min；氫氣流量：30 mL/min；程序升溫：150 ℃，以 15 ℃/min 升到 180 ℃，后以 3 ℃/min 升到 240 ℃，再以 10 ℃/min升到 280 ℃；檢測器溫度：290 ℃。

GC-μECD 條件：色譜柱：HP-5MS UI（30 m×250 μm×0.25 μm）；進(jìn)樣口溫度：280 ℃；進(jìn)樣體積：1 μL；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣，分流比為15:1；程序升溫：150 ℃，以 15 ℃/min 升到 180 ℃，后以 3 ℃/min 升到 240 ℃，再以 10 ℃/min 升到 280 ℃；檢測器溫度：290 ℃。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

GC-FID 法：分別稱取 10 mg PCB 28、52、101、118、138、153、180純品，并分別溶于 4 mL 異辛烷中，制得樣品質(zhì)量濃度均為 2 500 μg/mL，用于純度測定；質(zhì)量濃度為10 μg/mL的7種指示性PCBs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液用于GC-FID法的信噪比測定。

GC-MS和GC-μECD法：以異辛烷為稀釋溶劑，分別將配制的質(zhì)量濃度2500 μg/mL的 PCB 28、52、101、118、138、153、180 溶液稀釋至 10 μg/mL，用于純度測定。將10 μg/mL的7種指示性PCBs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋至20 ng/mL，用于GC-MS法的信噪比測定；類似方法配制10 ng/mL 的PCBs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，用于GC-μECD法的信噪比測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 GC-MS法測定純度

GC-MS法可以根據(jù)化合物的分子離子和碎片離子的質(zhì)荷比對未知化合物進(jìn)行定性分析，因此，本研究采用全掃描方式對7種指示性PCBs純品主成分及其雜質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，GC-MS法測定質(zhì)量濃度為20 ng/mL的7種指示性PCBs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，當(dāng)進(jìn)樣量為20 pg時(shí)，7種指示性PCBs能夠在GC-MS上得到很好的分離，且有明顯的響應(yīng)，信噪比（Pk-pkS/N）為 10～20。因此，當(dāng)進(jìn)樣量達(dá)到10 ng時(shí)，含量在0.01%以上的低氯代和0.02%以上的高氯代PCBs同類物雜質(zhì)完全能夠檢出。

圖1 GC-MS法測定7種指示性PCBs純度色譜圖

當(dāng)進(jìn)樣量達(dá)到10 ng時(shí)，7種指示性PCBs的全掃描色譜圖如圖1所示。通過NIST譜庫檢索，對各樣品中的主要雜質(zhì)進(jìn)行定性分析。通過質(zhì)荷比分析和NIST譜庫檢索，推測PCB 28中存在的主要雜質(zhì)為二氯聯(lián)苯，PCB 52中存在的主要雜質(zhì)為三氯聯(lián)苯和四氯聯(lián)苯，PCB 101中存在的主要雜質(zhì)為兩種六氯聯(lián)苯，PCB 118中存在的主要雜質(zhì)為羥基代四氯聯(lián)苯、三氯聯(lián)苯、四氯聯(lián)苯。PCB 138和PCB 153中除了主成分和柱流失峰，未明顯檢出其他雜質(zhì)。PCB 180中存在的主要雜質(zhì)為兩種六氯聯(lián)苯。由于不同氯取代數(shù)的PCBs同分異構(gòu)體較多，在色譜條件有限及缺乏足夠標(biāo)準(zhǔn)品的情況下，很難確定雜質(zhì)具體為哪種PCBs同分異構(gòu)體。上述分析可知，7種PCBs純品中的主要雜質(zhì)均為相同或相近氯取代數(shù)的PCBs或結(jié)構(gòu)類似物。PCBs同類物高達(dá)209種，在PCBs純品的生產(chǎn)和純化過程中，難免會有其同類物或結(jié)構(gòu)類似物雜質(zhì)存在[8]。

由于各PCBs純品的主要雜質(zhì)均為相同或相近氯取代數(shù)的PCBs或結(jié)構(gòu)類似物，因而主分成與主要雜質(zhì)在GC-MS上的響應(yīng)因子差異不大。因此，在采用峰面積歸一化法計(jì)算PCBs純度時(shí)，在雜質(zhì)含量很低的情況下，響應(yīng)因子差異帶來的誤差可以忽略不計(jì)。根據(jù)峰面積歸一化法計(jì)算各PCBs純品的純度值如表1所示，PCB 28、52、101、118、138、153、180的純度分別為 99.75%、99.44%、99.76%、99.18%、100.0%、100.0%、99.68%。

2.2 GC-FID法測定純度

如圖2所示，GC-FID測定10 μg/mL的7種指示性PCBs混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，當(dāng)進(jìn)樣量為10 ng時(shí)，7種指示性PCBs在色譜上能夠很好的分離，且PCB 28、52、101、118、138、153、180 的信噪比分別為 242、234、264、280、255、259、268。因此，當(dāng)進(jìn)樣量達(dá)到2.5 μg時(shí)，含量在 0.015%以上的其他PCBs同類物雜質(zhì)完全能夠檢測出來。

進(jìn) 樣 量 為 2.5 μg的 PCB 28、52、 101、118、138、153、180的GC-FID色譜圖如圖2所示。從圖中可以看到，每種PCBs純品中均有少量的雜質(zhì)檢出。通過比對出峰時(shí)間和質(zhì)荷比，發(fā)現(xiàn)PCB 101和PCB 180中可能存在PCB 153雜質(zhì)。然而，由于PCBs共有209種同類物，有限的色譜條件不能將所有的同類物完全分開，PCB 101和PCB 180中存在PCB 153雜質(zhì)只能是推測。所有樣品重復(fù)測定6次，通過峰面積歸一化法計(jì)算PCBs純品純度，結(jié)果見表2。從混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的GC-FID色譜圖中發(fā)現(xiàn)，7種指示性PCBs在GC-FID上的響應(yīng)因子是相近的，因而推測其他PCBs同類物的響應(yīng)因子也相近。因此，采用峰面積歸一化法計(jì)算純度，尤其是雜質(zhì)含量很低時(shí)，響應(yīng)因子差異帶來的影響可以忽略不計(jì)。GC-FID 法測定 PCB 28、52、101、118、138、153、180的純度分別為 98.63%、98.46%、98.28%、97.28%、99.57%、99.91%、98.39%。

表1 GC-MS法測定7種指示性PCBs的純度值 %

圖2 GC-FID法測定7種指示性PCBs純度色譜圖

表2 GC-FID法測定7種指示性PCBs的純度值 %

2.3 GC-μECD法測定純度

如圖3所示，GC-μECD 測定 10 ng/mL 的 7種指示性PCBs標(biāo)準(zhǔn)溶液，當(dāng)進(jìn)樣量為10 pg時(shí)，7種指示性PCBs在色譜上能夠很好的分離，且PCB 28、52、101、118、138、153、180的信噪比分別為66.8、44.0、55.1、61.3、106、129、157。因此，當(dāng)進(jìn)樣量為10 ng時(shí)，含量在0.01%～0.02%以上的其他PCBs同類物雜質(zhì)能夠完全檢出。

圖3 GC-μECD法測定7種指示性PCBs純度色譜圖

進(jìn)樣量為 10 ng 的 PCB 28、52、101、118、138、153、180的GC-μECD色譜圖如圖3所示。從圖中可以看出，每種PCBs純品中均有氯取代雜質(zhì)檢出。電子捕獲檢測器是一種選擇性很強(qiáng)的檢測器，對含氯化合物的響應(yīng)靈敏度非常高。一般來說，對于同一類有機(jī)化合物，含氯原子數(shù)越多，其響應(yīng)因子就越高。根據(jù)GC-MS的分析結(jié)果，除PCB 118純品外，每種指示性PCBs純品中的雜質(zhì)主要為相同或相近氯原子取代的PCBs同類物，PCBs主成分與雜質(zhì)在GC-μECD上的響應(yīng)因子相近。因此，在雜質(zhì)含量很低的情況下，可以忽略響應(yīng)因子存在的差異，進(jìn)而可以采用峰面積歸一化法計(jì)算PCBs純品純度。所有樣品重復(fù)進(jìn)樣6次，通過峰面積歸一化法計(jì)算PCBs純品純度，結(jié)果見表3。從表中可知，GC-μECD 法測定 PCB 28、52、101、118、138、153、180的純度分別為 99.10%、95.93%、97.25%、92.91%、99.49%、99.62%、98.15%。

2.4 純度值確定及不確定度評定

2.4.1 純度值確定

7種指示性PCBs的標(biāo)稱純度和3種氣相色譜法的測定純度如圖4所示，其中標(biāo)稱純度采用的是GC-MS法測得，標(biāo)稱純度不確定度均為5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)稱值對比發(fā)現(xiàn)，GC-MS法測得的各PCBs純度值均與標(biāo)稱值最接近，這與標(biāo)稱純度也采用GC-MS法測得有關(guān)。除了PCB 28，3種氣相色譜法測定其他6種指示性PCBs的純度值大小關(guān)系為：GC-MS＞GC-FID＞GC-μECD。根據(jù)GC-MS 對主要雜質(zhì)定性分析結(jié)果可知，7種指示性PCBs中的主要雜質(zhì)均為主成分之外的其他含氯化合物。由于GC-μECD對氯取代的物質(zhì)靈敏度很高，能檢出的雜質(zhì)種類更多，且氯取代數(shù)不同的化合物的響應(yīng)因子差異相對較大，因而計(jì)算的純度值最小。而GCFID進(jìn)樣的濃度高，因而雜質(zhì)的檢出率略高于GCMS，這可能是導(dǎo)致GC-FID法測定純度值略低于GC-MS法測定純度值的原因。此外，值得注意的是，GC-μECD測定的PCB 118純度值明顯低于其他方法的測定值，原因是4.8 min處有一峰面積百分比為5.2%的雜質(zhì)峰。根據(jù)GC-MS分析結(jié)果，該雜質(zhì)可能為羥基代四氯聯(lián)苯。該物質(zhì)在GC-μECD的響應(yīng)因子可能與PCB 118存在較大差異，因而在用峰面積歸一化法計(jì)算PCB 118純度時(shí)，響應(yīng)因子差異對純度計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此，用GC-μECD法測定純度時(shí)，對于雜質(zhì)含量不同的PCBs純品，峰面積歸一化法帶來的不確定度是不同的，需要進(jìn)一步研究。

表3 GC-μECD法測定7種指示性PCBs的純度值 %

圖4 7種指示性PCBs純度的標(biāo)稱值和測定值

值得注意的是，對于標(biāo)稱純度越高的PCBs純品，3種氣相方法測得的純度值越接近，與標(biāo)稱純度的差異也越小。對于純度值稍低的PCBs純品，GC-μECD法測得的純度值與標(biāo)稱純度值差異較大，這可能與不同雜質(zhì)組分在GC-μECD上響應(yīng)因子差異相對較大有關(guān)。考慮到不同氣相色譜方法在測定PCBs純品純度時(shí)各自存在的局限性，減少測量方法帶來的誤差，本研究中除PCB 118外的其他6種指示性PCBs的純度測定值采用GC-MS、GCFID和GC-μECD 3種方法測定結(jié)果的平均值。由于GC-μECD法測定PCB 118的純度值與GC-MS和GC-FID法的測定值存在較大差異，PCB 118的純度測定值采用GC-MS和GC-FID法的測定均值，結(jié)果如表4所示。

表4 7種指示性PCBs的純度測定結(jié)果

2.4.2 純度不確定度評定

根據(jù)測量不確定度的評定方法[9-10]，分別計(jì)算GC-MS、GC-FID 和 GC-μECD 3種測定方法的純度不確定度。

1）GC-MS法測定純度不確定度評定

①測量重復(fù)性引入的不確定度u1

色譜儀器的穩(wěn)定性、色譜峰積分面積的重復(fù)性，樣品濃度和進(jìn)樣體積的差異等對測量結(jié)果造成的誤差均體現(xiàn)在測量重復(fù)性中，測量重復(fù)性引入的不確定度用多次重復(fù)測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，即u1=RSD。

②響應(yīng)因子產(chǎn)生的不確定度u2

根據(jù)GC-MS法對7種PCBs中主要雜質(zhì)的定性分析結(jié)果，7種PCBs主要雜質(zhì)均為相鄰1～2個(gè)氯取代數(shù)的PCBs同類物，主要雜質(zhì)與主成分在GC-MS法測量條件下的靈敏度不同，對雜質(zhì)測量帶來的誤差估計(jì)為100%，則對主成分純度測量帶來的誤差為雜質(zhì)含量的100%，即u2(PCB 28)=0.25%，u2(PCB 52)=0.56%，u2(PCB 101)=0.24%，u2(PCB 118)=0.82%，u2(PCB 138)=0.00%，u2(PCB 153)=0.00%，u2(PCB 180)=0.32%。

③儀器的測量線性引入的不確定度u3

由于采用GC-MS測定7種PCBs純品純度定值方法研究過程中所確定的樣品進(jìn)樣量均在各檢測器的檢測線性范圍內(nèi)，故該部分不確定度忽略不計(jì)。

④合成GC-MS法測定純度標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成上述各項(xiàng)不確定度分量得到GC-MS法純度不確定度為：

則uGC-MS(PCB 28)=0.25%，uGC-MS(PCB 52)=0.56%，uGC-MS(PCB 101)=0.24%，uGC-MS(PCB 118)=0.82%，uGC-MS(PCB 138)=0.00%，uGC-MS(PCB 153)=0.00%，uGC-MS(PCB 180)=0.32%。

2）GC-FID法測定純度不確定度評定

評定響應(yīng)因子產(chǎn)生的不確定度u2時(shí)，PCBs純品主成分與同類物雜質(zhì)在GC-FID法測量條件下的靈敏度不同，對雜質(zhì)測量帶來的誤差估計(jì)為50%，則對主成分純度測量帶來的誤差為雜質(zhì)含量的50%，即u2(PCB 28)=1.37%，u2(PCB 52)=1.54%，u2(PCB 101)=1.72%，u2(PCB 118)=2.72%，u2(PCB 138)=0.43%，u2(PCB 153)=0.09%，u2(PCB 180)=1.61%。

與GC-MS法測定純度不確定度評定方法類似，GC-FID法測定純度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uGC-FID(PCB 28)=1.37%，uGC-FID(PCB 52)=1.54%，uGC-FID(PCB 101)=1.74%，uGC-FID(PCB 118)=2.72%，uGC-FID(PCB 138)=0.43%，uGC-FID(PCB 153)=0.09%，uGC-FID(PCB 180)=1.61%。

3）GC-μECD法測定純度不確定度評定

評定響應(yīng)因子產(chǎn)生的不確定度u2時(shí)，由于PCBs純品主成分與同類物雜質(zhì)在GC-μECD法測量條件下的靈敏度不同，對雜質(zhì)測量帶來的誤差估計(jì)為100%，則對主成分純度測量帶來的誤差為雜質(zhì)含量的100%，即u2(PCB 28)=0.90%，u2(PCB 52)=4.07%，u2(PCB 101)=2.73%，u2(PCB 138)=0.52%，u2(PCB 153)=0.39%，u2(PCB 180)=1.86%。

與GC-MS法測定純度不確定度評定方法類似，最終GC-μECD法測定純度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 ：uGC-μECD(PCB 28)=0.90%，uGC-μECD(PCB 52)=4.11%，uGC-μECD(PCB 101)=2.73%，uGC-μECD(PCB 138)=0.52%，uGC-μECD(PCB 153)=0.39%，uGC-μECD(PCB 180)=1.86%。

4）標(biāo)準(zhǔn)品純度合成不確定度

除PCB 118外的其他6種指示性PCBs的純度不確定度為 GC-MS、GC-FID 和 GC-μECD 3種測定方法不確定度的合成，計(jì)算公式如式（2）所示。PCB 118的純度不確定度為GC-MS和GC-FID測定方法不確定度的合成，計(jì)算公式如式（3）所示。純度不確定度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3 結(jié)束語

標(biāo)準(zhǔn)樣品純度測定技術(shù)是賦予標(biāo)準(zhǔn)樣品準(zhǔn)確量值的關(guān)鍵。通過多種氣相色譜法對7種指示性多氯聯(lián)苯純品純度進(jìn)行測定，對其中的主要雜質(zhì)進(jìn)行定性分析，并評價(jià)了測定純度的不確定度。經(jīng)測定，7種指示性PCBs純品的主要雜質(zhì)均為氯取代數(shù)相同或相近、取代位置不同的PCBs或結(jié)構(gòu)類似物。由于PCBs在不同檢測器上的靈敏度不同，且不同PCBs的響應(yīng)因子也存在差異，GC-MS、GC-FID和GC-μECD測得的PCBs純品純度存在一定差別，基本為：GC-MS＞GC-FID＞GC-μECD。在使用峰面積歸一化法計(jì)算純度時(shí)，當(dāng)雜質(zhì)與主成分的結(jié)構(gòu)存在較大差異時(shí)，應(yīng)研究不同的響應(yīng)因子帶來的差異。