全二維氣相色譜-質(zhì)譜對(duì)噴氣燃料的特征篩選分析

張景順，張冠男，王 穩(wěn)，張 原，朱 軍，姜 紅，劉占芳

(1.中國人民公安大學(xué)刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100038；2.公安部物證鑒定中心，北京 100038； 3.河南警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系，河南 鄭州 450046)

汽油、煤油、柴油是縱火案件中犯罪嫌疑人常使用的易燃液體，在實(shí)際案件檢驗(yàn)中經(jīng)常需要確定易燃液體的來源，以提供偵查線索或作為法庭上的證據(jù)。由于國內(nèi)外普遍生產(chǎn)和廣泛使用的噴氣燃料多屬于煤油型，所以噴氣燃料又稱航空煤油，我國現(xiàn)在主要使用3號(hào)噴氣燃料，其理化性質(zhì)有具體標(biāo)準(zhǔn)[1]。而根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)對(duì)易燃液體的分類，噴氣燃料屬于重組分(C9～C20+)的石油餾出物[2](heavy petroleum distillate, HPD)。馬晨菲等[3]發(fā)現(xiàn)噴氣燃料由正、異構(gòu)鏈烷烴，單環(huán)環(huán)烷烴，二環(huán)、三環(huán)環(huán)烷烴及烷基苯，茚滿，萘滿和萘類9種烴類物質(zhì)組成。然而在火場(chǎng)高溫作用下，許多痕跡和生物物證被嚴(yán)重?fù)p壞，失去證據(jù)價(jià)值，因此火場(chǎng)殘留物中易燃液體的分離鑒定及分析研判成為確定火災(zāi)性質(zhì)、證實(shí)犯罪事實(shí)的有力證據(jù)[4]。

目前，分析噴氣燃料的方法主要有氣相色譜-質(zhì)譜法[5]、紅外光譜法[6]、平面激光誘導(dǎo)熒光法[7]、火焰原子吸收光譜法[8]等。這些方法基于一維色譜分離技術(shù)、官能團(tuán)紅外特征或無機(jī)元素對(duì)組分進(jìn)行分析和識(shí)別。但由于噴氣燃料組分復(fù)雜、相似成分較多，大量的組分難以識(shí)別或共洗脫，區(qū)分、鑒別難度較大。

全二維氣相色譜-串聯(lián)單四極桿質(zhì)譜儀(GC×GC-qMS)具有強(qiáng)大的分離檢測(cè)效果，它將兩套柱系統(tǒng)串聯(lián)，在調(diào)制器作用下，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜待測(cè)物的正交分離，大大提高了色譜的峰容量，有效減少了待測(cè)物組分的共洗脫現(xiàn)象。Westhuizen等[9]使用全二維氣相色譜(GC×GC)檢測(cè)一種合成航空煤油，發(fā)現(xiàn)比原油制成的航空煤油含有更少的芳香烴和含硫等雜原子化合物。Sampat等[10]綜述了GC×GC在法庭科學(xué)中的應(yīng)用；Frysinger和Gaines[11-12]為驗(yàn)證GC×GC在火場(chǎng)殘留物分析中的應(yīng)用做了大量工作；Tranchida等[13]評(píng)估了GC×GC串聯(lián)單四極桿質(zhì)譜的優(yōu)勢(shì)，其特征是譜庫齊全，雖然犧牲了部分分辨率、噪音增強(qiáng)，但其通量大，適用于組分較多的樣品檢測(cè)。

復(fù)雜體系中往往有許多因素相互制約又相互依存，方差分析(ANOVA)的目的是通過數(shù)據(jù)分析找出對(duì)事物有顯著影響的因素。本工作將使用基于百分比響應(yīng)值(percentage response)的ANOVA從色譜圖中篩選出差異組分。ANOVA計(jì)算提供了F比值(F-ratio)，該值作為區(qū)分組別的指標(biāo)適用于指紋圖譜分析[14-16]。色譜圖中顯示出類別差異的峰，將其保留為特征，以識(shí)別和提取有用信息來增強(qiáng)GC×GC數(shù)據(jù)的模式識(shí)別，提供一種用于分析復(fù)雜色譜圖的工具。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

QP2020一維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、QP2010全二維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：日本Shimadzu公司產(chǎn)品；ZX1冷噴調(diào)制器：美國Zoex公司產(chǎn)品；氦氣(純度≥99.999%)：北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司產(chǎn)品；氮?dú)獍l(fā)生器：北京綠綿科技有限公司產(chǎn)品；液態(tài)氮?dú)猓罕本╇逃駳怏w技術(shù)有限公司產(chǎn)品；GC software2.6數(shù)據(jù)處理軟件：美國Zoex公司產(chǎn)品，配置NIST11譜庫。

乙醚(色譜純)：美國Honeywell公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

GC×GC-qMS一維色譜柱：DB-WAX(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，美國J&W Scientific公司產(chǎn)品；二維色譜柱：BPX-1(2.5 m×0.1 mm×0.1 μm)，澳大利亞SGE公司產(chǎn)品。一維柱升溫程序：起始溫度40 ℃，保持3 min，以3 ℃/min升至180 ℃，保持4.34 min；二維柱升溫程序：起始溫度45 ℃，保持3 min，以3 ℃/min升至185 ℃，保持4.34 min；進(jìn)樣口溫度260 ℃；進(jìn)樣量1 μL；分流進(jìn)樣，分流比40∶1；載氣(He)流速1 mL/min，恒流模式；調(diào)制周期6 s，其中熱噴350 ms；傳輸線溫度260 ℃；電子轟擊(EI)電離源，電離能量70 eV；全掃描模式：掃描間隔0.03 s，m/z40～400；離子源溫度230 ℃；采集延遲時(shí)間5.1 min。

GC-MS色譜柱：DB-5柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，美國J&W Scientific公司產(chǎn)品；升溫程序：起始溫度40 ℃，保持3 min，以6 ℃/min升至280 ℃，保持5 min；進(jìn)樣口溫度260 ℃；進(jìn)樣量1 μL；分流進(jìn)樣，分流比40∶1；載氣(He)流速1 mL/min，恒流模式；傳輸線溫度260 ℃；電子轟擊(EI)電離源，電離能量70 eV；全掃描模式：掃描間隔0.03 s，m/z40～400；離子源溫度230 ℃；采集延遲時(shí)間5.1 min。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

噴氣燃料樣品：取自東北、華東、華南、西北各地?zé)捰蛷S生產(chǎn)的21個(gè)樣品，采集地和所屬區(qū)域信息列于表1。每個(gè)噴氣燃料樣品取10 μL，用乙醚稀釋至1 mL，制成濃度為1%的實(shí)驗(yàn)樣品。

表1 噴氣燃料樣品信息Table 1 Information of jet fuel samples

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 氣相色譜-質(zhì)譜法

建立GC×GC-qMS法需要考慮的參數(shù)主要包括色譜柱、升溫程序、載氣流速及調(diào)制周期等。一維色譜柱為非極性固定相，二維色譜柱為極性或中等極性固定相的色譜柱配置稱為非極性-極性系統(tǒng)，常用于石油基產(chǎn)品的族分離[17]；反之，色譜柱的配置稱為極性-非極性系統(tǒng)。極性-非極性系統(tǒng)擴(kuò)展了分離空間，比非極性-極性系統(tǒng)能更好地提高色譜峰容量[18]，在分離飽和鏈烷烴、環(huán)烷烴和芳烴上具有優(yōu)勢(shì)，但因其工作溫度范圍(30～260 ℃)相對(duì)有限，所以對(duì)碳數(shù)高的烷烴分離能力有限。噴氣燃料的碳原子數(shù)一般為6～17，餾程范圍為130～280 ℃[3]，因此極性-非極性系統(tǒng)可以滿足噴氣燃料的分離需求。由于需要篩選樣品間差異的指紋圖譜分析，本實(shí)驗(yàn)一維柱選用DB-WAX(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，二維柱選用BPX-1(2.5 m×0.1 mm×0.1 μm)，可實(shí)現(xiàn)更多組分的比對(duì)分析，也可以用于后續(xù)數(shù)據(jù)的批量處理。

為了保證化合物的良好分離并縮短分析時(shí)間，升溫速率為3 ℃/min時(shí)，各化合物在一維時(shí)間和二維時(shí)間都實(shí)現(xiàn)了較好地分離。用GC×GC-qMS分析HPD，需要考慮后洗脫的萘類等物質(zhì)與二維柱的柱流失重合問題，調(diào)制周期為6 s足以滿足分析要求。當(dāng)溶劑延遲時(shí)間/調(diào)制周期不為整數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)周期穿過的現(xiàn)象，考慮到乙醚溶劑峰的出峰時(shí)間，溶劑延遲設(shè)為5.1 min。從GC×GC洗脫的峰都很窄，為保證每個(gè)峰被準(zhǔn)確定性，設(shè)定質(zhì)譜的采集間隔最小為0.03 s。

GC-MS選用非極性柱DB-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，除了升溫速率，控制其他參數(shù)與GC×GC-qMS一致。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入GC image 2.6中，并對(duì)所有樣品進(jìn)行參數(shù)一致的基線校正、背景扣除和自動(dòng)峰積分，將結(jié)果導(dǎo)入GC investigator 2.6中進(jìn)行多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。為了消除由儀器參數(shù)(例如流速和溫度)波動(dòng)引起的相對(duì)較小的保留時(shí)間變化，首先使用保留時(shí)間對(duì)其算法進(jìn)行組分堆疊[19]，得到一張含所有樣品的所有組分加和圖；刪除溶劑峰以及柱流失等干擾后，使用NIST11譜庫自動(dòng)檢索所有峰頂點(diǎn)的質(zhì)譜圖，顯示共1 339個(gè)峰被積分(即所有樣品共有1 339個(gè)不同的組分)，保存檢索結(jié)果到模板；再用模板檢索到的組分信息與所有樣品的組分信息自動(dòng)比對(duì)；最后為了消除濃度和系統(tǒng)誤差，計(jì)算各峰的百分比響應(yīng)值，即各組分的峰體積占總體積的百分比，該方法屬于半定量分析。

對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)集，ANOVA常用于先計(jì)算F比值，然后通過確定顯著性水平α，查表得出p值來確定原假設(shè)是否成立。若一個(gè)數(shù)據(jù)集中，N為樣本總數(shù)，k為因素的組數(shù)，造成樣本方差基本來源有組間差異和組內(nèi)差異。

1) 組間差異，即不同因素造成的差異。用該變量在各組的均值與總均值之偏差平方和的總和表示，記作SSb，組間自由度dfb=k-1，兩者之比為組間均方差MSb，示于式(1)：

(1)

2) 組內(nèi)差異，即誤差造成的差異或個(gè)體間的差異。用各觀測(cè)值與總均值之偏差平方和的總和減去組內(nèi)方差表示，記作SSw，組內(nèi)自由度dfw=N-k，兩者之比為組內(nèi)均方差MSw，示于式(2)：

(2)

其中，xij是第i組的第j個(gè)度量。

F-ratio即為組間均方差與組內(nèi)均方差之比，示于式(3)：

(3)

F-ratio越大，說明組間差異越大，組內(nèi)差異越小。F-ratio作為一個(gè)表現(xiàn)組間方差和組內(nèi)方差關(guān)系的指標(biāo)，其相對(duì)值大小反映出變量在因素下的差異性。在本實(shí)驗(yàn)中，各組分作為變量，采樣區(qū)域作為因素，進(jìn)行單因素多元方差分析(one-way MANOVA)，計(jì)算百分比響應(yīng)F比值，表征不同采樣區(qū)域的噴氣燃料組分差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴氣燃料的GC×GC-qMS色譜圖特征

從大連采集的噴氣燃料樣品DLSH的GC×GC-qMS總離子流色譜圖示于圖1。由于噴氣燃料不同族化合物的極性不同，圖1被劃分為多個(gè)不同區(qū)域，DLSH可檢測(cè)的碳原子數(shù)為7～18。因?yàn)槎S色譜柱是非極性柱，所以保留時(shí)間越長(zhǎng)的物質(zhì)其極性越弱，于是從上到下依次為飽和正構(gòu)鏈烷烴(n-paraffins)或異構(gòu)鏈烷烴(isoparaffins)、單環(huán)環(huán)烷烴(monocycloparaffins)、雙環(huán)環(huán)烷烴(dicycloparaffins)、三環(huán)環(huán)烷烴(tricycloparaffins)、烷基苯(alkylbenzenes)和環(huán)芳烴(cycloaromatics)。

用矩形邊框繪制所有正構(gòu)鏈烷烴的邊界，正構(gòu)鏈烷烴與周圍區(qū)域相比顏色明亮，說明其具有較高濃度。從色譜圖的左側(cè)到右側(cè)，隨著碳原子數(shù)的增加，正構(gòu)鏈烷烴以非常清晰的順序洗脫，第一個(gè)化合物為正庚烷，最后一個(gè)為正十八烷。在一維保留時(shí)間上，正構(gòu)鏈烷烴分布較均勻；在二維保留時(shí)間上，正庚烷到正十三烷之間增長(zhǎng)較快，之后開始緩慢減少，說明二維保留時(shí)間不僅由分子極性決定，還受相對(duì)濃度的影響。具有相同碳原子數(shù)的異構(gòu)鏈烷烴在正構(gòu)鏈烷烴的左側(cè)洗脫，大致在2個(gè)正構(gòu)鏈烷烴連線的區(qū)域內(nèi)。環(huán)烷烴(cycloparaffins)在正構(gòu)鏈烷烴和芳香烴之間洗脫，在噴氣燃料中可以發(fā)現(xiàn)單、雙和三環(huán)環(huán)烷烴。單環(huán)環(huán)烷烴在異構(gòu)鏈烷烴和雙環(huán)環(huán)烷烴之間洗脫，單環(huán)環(huán)烷烴的上邊界與同碳數(shù)的異構(gòu)鏈烷烴相接。值得注意的是，相同碳數(shù)的單環(huán)環(huán)烷烴在一維保留時(shí)間上比正構(gòu)鏈烷烴多一段距離，產(chǎn)生一條清晰的脊線。雙環(huán)環(huán)烷烴邊界直接連接到單環(huán)環(huán)烷烴下，并向右下方延伸，說明一些雙環(huán)環(huán)烷烴的極性等于多1個(gè)碳數(shù)的單環(huán)環(huán)烷烴的極性。雙環(huán)環(huán)烷烴和單環(huán)環(huán)烷烴邊界的化合物主要是正烷基環(huán)己烷，只檢測(cè)到了1個(gè)三環(huán)環(huán)烷烴。

極性-非極性柱系統(tǒng)的一維色譜柱是極性相，可以更好地分離芳香族化合物。噴氣燃料中的芳香烴基本上可分為烷基苯和環(huán)芳烴。烷基苯從甲苯開始至C13苯結(jié)束，位于同碳數(shù)烷烴的右下方。環(huán)芳烴主要包括茚滿、四氫化萘及其烷基異構(gòu)體等。

3.2 篩選特征組分

百分比響應(yīng)F比值計(jì)算結(jié)果示于圖2，其中橫坐標(biāo)為一維平均保留時(shí)間，縱坐標(biāo)為二維平均保留時(shí)間，各點(diǎn)代表加和圖中的組分及位置，圓的面積越大代表此組分在因素下的百分比響應(yīng)F比值越大?？梢姡痪S平均保留時(shí)間在25～40 min、二維平均保留時(shí)間在0.5～1 s區(qū)域的芳香族化合物的百分比響應(yīng)F比值相對(duì)較大。

注：n=n-paraffins, iso=isoparaffins, mc=monocycloparaffins, dc=dicycloparaffins, tc=tricycloparaffins, ab=alkylbenzenes, ca=cycloaromatics圖1 DLSH全二維氣相色譜-質(zhì)譜總離子流色譜圖Fig.1 TIC plot of DLSH by GC×GC-qMS

圖2 噴氣燃料樣品百分比響應(yīng)F比值Fig.2 Percent response F-ratio of jet fuel samples

篩選特征組分須先確定F-ratio的閾值，由于有1 339個(gè)變量，每個(gè)變量對(duì)應(yīng)1個(gè)F-ratio，為反映F-ratio的大致分布情況，繪制百分比響應(yīng)F-ratio頻數(shù)分布直方圖，示于圖3?？梢钥吹?，F(xiàn)-ratio大多集中于0～2，大于10的F-ratio較少，需要使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法客觀地確定F-ratio閾值。

圖3 百分比響應(yīng)F-ratio頻數(shù)分布直方圖Fig.3 Frequency distribution histogram of percentage response F-ratio

確定F-ratio閾值的方法有利用F檢驗(yàn)的臨界值(Fcrit)確定顯著性閾值[20-21]、Z得分(Z-score)法[22]和基于置換測(cè)試的零分布分析法[23]。在本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，因素的組數(shù)為4，則自由度為3，樣本總數(shù)為21。取顯著性水平α=0.05時(shí)，F(xiàn)0.05(3,17)=3.197，大于此閾值共有267個(gè)峰，占19.94%；取顯著性水平α=0.01，F(xiàn)0.01(3,17)=5.185，大于此閾值共有82個(gè)峰，占6.12%。這些特征組分過多，沒有減少GC×GC產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，不便于后續(xù)分析。Z代表以標(biāo)準(zhǔn)差為單位計(jì)算原始值和平均值之間的距離，在原始值低于平均值時(shí)，Z為負(fù)數(shù)，反之則為正數(shù)。使用Z-score法描述F-ratio，當(dāng)Z大于2時(shí)，有57個(gè)特征組分，占4.26%；當(dāng)Z大于3時(shí)，有16個(gè)特征組分，占1.2%；當(dāng)Z大于4時(shí)，有6個(gè)特征組分，占0.45%。通過F-ratio的閾值篩選出的特征組分應(yīng)用于樣品區(qū)分的具體分析，應(yīng)在數(shù)據(jù)的分析量和代表性之間提供平衡[15]，因此選擇Z大于3時(shí)的16個(gè)特征組分進(jìn)行分析，列于表2。

綜上，噴氣燃料的主要特征組分集中在C10～C12的烷基苯、茚滿類和四氫化萘類等化合物，這些特征組分有待進(jìn)一步研究。

3.3 特征組分分析

茚滿的相對(duì)分子質(zhì)量是118，四氫化萘的相對(duì)分子質(zhì)量是132，由于在電離過程中可能失去1個(gè)H，用GC image 2.6打開DLXT樣品m/z117～118或131～132的提取離子流色譜圖，廣義數(shù)據(jù)尺度調(diào)整為0.05，保證顏色亮度，結(jié)果示于圖4。

使用NIST11檢索峰頂點(diǎn)的質(zhì)譜后，得到的化合物列于表3。由于單四極桿質(zhì)譜的分辨率有限，可能導(dǎo)致噴氣燃料中保留時(shí)間相近的一些同分異構(gòu)體質(zhì)譜檢索結(jié)果相同，表格中對(duì)其予以合并。其中，C9苯有5個(gè)，C10苯有10個(gè)，C11苯有10個(gè)，C13苯有1個(gè)，茚滿類8個(gè)，四氫化萘類12個(gè)。

為了比較GC×GC-qMS對(duì)噴氣燃料的特征組分分離定性的優(yōu)勢(shì)，控制其他變量保持不變，使用GC-MS檢測(cè)相同DLXT樣品后，打開m/z117～118或131～132的EIC，結(jié)果示于圖5。

對(duì)各色譜峰進(jìn)行質(zhì)譜檢索，結(jié)果列于表4。檢索到的色譜峰有24個(gè)，幾乎比GC×GC-qMS檢測(cè)到的少了1倍，其中C9苯有2個(gè)、C10苯有2個(gè)、C11苯有4個(gè)、茚滿類7個(gè)、四氫化萘類6個(gè)、其他烷烴3個(gè)。說明傳統(tǒng)一維氣相色譜在C10～C12的烷基苯、茚滿類和四氫化萘類上共洗脫現(xiàn)象嚴(yán)重，而且會(huì)提取出其他烷烴。因此，GC×GC-qMS對(duì)噴氣燃料特征組分的分離定性更具優(yōu)勢(shì)，該結(jié)果與文獻(xiàn)[24]報(bào)道一致。

表2 Z得分大于3的16個(gè)組分Table 2 16 components with Z-score above 3

圖4 DLXT全二維氣相色譜-質(zhì)譜選擇離子流色譜圖Fig.4 Extracted ion chromatogram plot of DLXT by GC×GC-qMS

表3 DLXT全二維氣相色譜-質(zhì)譜選擇離子流色譜峰Table 3 Chromatographic peaks of EIC of DLXT by GC×GC-qMS

圖5 DLXT一維提取離子流色譜圖Fig.5 EIC plot of DLXT by GC-MS

表4 DLXT一維提取離子流色譜峰Table 4 Chromatographic peaks of EIC of DLXT by GC-MS

保持圖形參數(shù)一致，打開FS2、AQSH、GZSH、KLMY、THLH、YAYP樣品m/z117～118或131～132的EIC，結(jié)果示于圖6，可以明顯觀察到FS2的特征組分較少，且在42 min后無組分洗脫，與圖4區(qū)別較大，二維保留時(shí)間0.7～1.2 s之間的組分較多，具體表現(xiàn)為C13和C14的烷基苯和四氫化萘類組分。AQSH的噴氣燃料特征組分濃度相對(duì)較高，而GZSH的特征組分更接近于DLXT，同為西北地區(qū)采集的YAYP、THLH、KLMY特征組分濃度、色譜峰分布都較相近。因此，篩選出的特征組分有一定區(qū)分效果，可用做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。

4 結(jié)論

使用傳統(tǒng)的GC-MS法定性分析噴氣燃料等復(fù)雜樣品，大量化合物在色譜柱上沒有完全分離，出現(xiàn)共洗脫等現(xiàn)象。GC×GC-qMS與之相比，具有峰容量大、分離效果好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)使用極性-非極性柱系統(tǒng)進(jìn)一步提高了色譜峰容量，建立了噴氣燃料組分的指紋圖譜分析方法，并通過計(jì)算百分比響應(yīng)F-ratio，篩選噴氣燃料的特征組分。通過實(shí)驗(yàn)確定C10～C12的烷基苯、茚滿類和四氫化萘類等是不同噴氣燃料樣品間差異最大的組分，并結(jié)合提取離子流色譜圖驗(yàn)證了特征組分的區(qū)分效果。此方法可以在保留最大特征的前提下，有效減少GC×GC-qMS產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的特征分析或數(shù)據(jù)處理。

注：a.FS2；b.AQSH；c.GZSH；d.KLMY；e.THLH；f.YAYP圖6 噴氣燃料全二維氣相色譜-質(zhì)譜選擇離子流色譜圖Fig.6 EIC plots of jet fuel by GC×GC-qMS