食品和环境中短链氯化石蜡的定量测定

前言

       氯化石蜡是烃类物质经过氯化处理后得到的一系列复杂的衍生物。被广泛用于金属加工、纺织品和皮革处理、密封剂和润滑剂原料等,是一种重要的工业产品。根据其碳链的长度,可分为短链(C10-C13)、中链(C14-C17)、长链(C18-C30)氯化石蜡。由于短链氯化石蜡(SCCPs)在环境中具有较强的传输能力和生物富集作用,2017年被列入斯德哥尔摩公约控制的持久性有机物名单。目前在欧盟、北美、日本等发达国家,短链氯化石蜡的使用被严格控制甚至禁止。我国对食品和环境中的氯化石蜡的研究、检测和相关政策也逐渐起步。

       对短链氯化石蜡的检测一直以来都是具有挑战性的工作。由于氯化石蜡单体众多,在一维色谱上呈现大量共流出峰的多指鼓包(宽驼峰),其中不同碳链长度的氯化石蜡相互重叠。由于不同氯取代单体在检测器的响应相差较大,需要将不同单体尽量分离才能实现准确定量。而且,市面上氯化石蜡标样都是多种单体的混合物质,而且实际样品中存在的氯化石蜡也可能不包含在标样中。这对氯化石蜡的定量工作带来很大困难。

       近年来,全二维气相色谱法应用于氯化石蜡分析的工作受到广泛关注。得益于其强大的分离能力,可以实现对复杂氯化石蜡样品中不同单体的分离,相比常规一维色谱,准确性得以极大提高。另外,使用高分辨质谱,可以进一步减少其他含氯污染物质的干扰,最终得到较为可靠的定量结果。

       本方法采用全二维气相色谱技术,结合静电轨道场高分辨质谱,开发了针对食品和环境中短链氯化石蜡的定量测定方法,配合定制化的氯化石蜡专用数据处理软件包,形成一套方便易用的短链氯化石蜡分析解决方案


实验条件

样品和试剂

       短链氯化石蜡标样(标称含氯量51.5%,55.5%,63%),将三种不同氯含量标样进行混合,配置成5种不同氯含量梯度的标准溶液,53.5%,55.5%,56.25%,57.75%,59.25%。浓度均为100mg/L。

       葵花籽油样品(Sunflower oil)。前处理方法如下:

       用正己烷和二氯甲烷溶剂(1:1)进行提取,提取液经GPC净化除去脂质分子,再通过组合填充柱(从下到上分别为Florisi,活化硅胶,用硫酸酸化后的硅胶),依次用正己烷和正己烷二氯甲烷溶剂进行洗脱,收集第二段洗脱液,氮吹至0.5mL。

所有标样和样品在进样前加入反式氯丹(trans-chlordane,CHL)作为内标,浓度均为1mg/L。


仪器

使用赛默飞(Thermo ScientificTM) Q Exactive GC Orbitrap质谱仪,配备赛默飞TriPlus RSH自动进样器及赛默飞Trace 1310 气相色谱仪进样样品分析。

调制器为雪景科技(J&X Technologies)固态热调制器SSM1810,安装在气相色谱顶部。

本方法使用的一维柱和二维柱以及调制柱如下

      一维柱:TG-5SILMS 30m 0.25mm 0.25um

      二维柱:DB-17ms, 1.5m, 0.25mm, 0.15um(含0.5m质谱传输线)

      调制柱:DV(C9-C40+)


全二维气相色谱分析条件

气相色谱

      进样口温度:250°C

      进样量:1µL

      不分流进样

      柱温:100°C保持1min,以30°C /min升高到 160°C,保持5min,以1.5°C /min 升高到262°C,保持2min

      载气:He

      流量:1.2ml/min

静电轨道阱高分辨质谱

      电离模式:负化学电离源(NCI)

      化学源气体:甲烷

      传输线温度:280°C

      电离源温度:200°C

      扫描模式:全扫,60-900m/z

      分辨率:7500

      扫描速率:约25Hz

固体热调制器

      进口热区:和柱箱温度偏置 -50°C(最低50°C)

      出口热区:柱箱温度偏置0°C

      调制器冷区: 9°C

      调制周期:12秒


软件及数据处理

       使用赛默飞 Xcalibur软件进行数据采集,数据处理使用雪景科技Canvas全二维色谱数据处理软件。


结果与讨论

由于氯化石蜡样品基质比较复杂,一般采用负化学电离源(NCI)模式,利用定量离子和定性离子进行确认和定量计算。氯化石蜡在NCI电离源上主要产生 [M-Cl]-离子。本实验使用的短链氯化石蜡24种单体的定量离子、定性离子和按分子式计算的氯含量如表1所示。

氯化石蜡的不同单体在二维谱图上可产生相比一维色谱更好的分离效果 [1-2],形成层次分明的“瓦片效应”(如图)。碳数和氯数之和相同的单体在同一层内,在图中用同一种颜色显示。同一层内的单体可以用定量离子和定性离子进行区分定量。而每种单体都含有大量的同分异构体,一般将属于同一个单体的氯化石蜡归为一个族类,将峰面积全部加和进行计算。

研究发现,不同氯化石蜡单体之间在质谱检测器上的响应差异较大,如果采用统一的响应因子,实际结果会产生误差 [3]。为了克服这一缺点,本研究中首先测定了不同氯含量氯化石蜡标样的响应因子,对其氯含量绘制成标准曲线。然后根据实际样品中测得的平均氯含量在标准曲线中计算得到其响应因子,最终测定样品中的短链氯化石蜡含量。该方法首先由Reth等提出 [4],并在之后的全二维色谱分析方法中得到广泛应用 [1-2],取得不错的效果。


  表1. 24种短链氯化石蜡单体的分子式、定量离子、定性离子和氯含量

单体分子式

定量离子

定性离子1

定性离子2

定性离子3

氯含量%

C10H17Cl5

279.0049

277.0079

281.0020

282.0090

56.40

C10H16Cl6

312.9660

314.9630

310.9689

316.9601

61.00

C10H15Cl7

346.9270

348.9240

344.9299

350.9211

67.90

C10H14Cl8

380.8880

382.8851

378.8910

384.8821

54.00

C10H13Cl9

416.8461

414.8490

418.8431

420.8402

68.50

C10H12Cl10

450.7885

448.7915

446.7944

452.7856

60.40

C11H19Cl5

293.0206

291.0235

295.0176

297.0147

64.80

C11H18Cl6

326.9816

328.9787

324.9846

330.9757

70.60

C11H17Cl7

360.9426

362.9397

358.9456

364.9367

58.70

C11H16Cl8

394.9037

396.9007

398.8978

392.9066

70.90

C11H15Cl9

430.8617

428.8647

432.8588

426.8676

63.70

C11H14Cl10

464.8228

462.8257

466.8198

468.8169

49.80

C12H21Cl5

307.0368

305.0397

309.0333

311.0303

72.90

C12H20Cl6

340.9973

339.0002

342.9943

344.9914

62.50

C12H19Cl7

374.9583

376.9553

372.9612

378.9524

51.80

C12H18Cl8

408.9193

410.9146

412.9143

406.9223

66.50

C12H17Cl9

444.8774

442.8803

446.8744

440.8803

54.50

C12H16Cl10

478.8348

476.8414

480.8355

482.8325

61.70

C13H23Cl5

321.0524

319.0554

323.0489

325.0460

65.70

C13H22Cl6

355.0135

357.0105

353.0159

359.0070

56.50

C13H21Cl7

388.9739

390.9710

386.9769

392.9680

68.90

C13H20Cl8

422.9350

424.9320

426.9291

420.9379

58.40

C13H19Cl9

458.8930

456.8960

460.8901

454.8989

64.60

C13H18Cl10

492.8546

490.8576

494.8511

496.8482

67.10


氯化石蜡标样的全二维色谱提取离子图



响应因子标准曲线

对不同氯含量的氯化石蜡标样进行混合后得到5个氯含量梯度(标称值)的短链氯化石蜡样品,进行全二维分析后,各单体经过定量离子和定性离子确认,同样分子式的单体物质峰面积加和得到单体总峰面积,然后计算出平均响应因子和按色谱计算的平均氯含量。这些流程都可通过雪景科技定制化的氯化石蜡专用数据处理软件包完成,其中使用的公式如下:

 

 


 然后做出不同氯含量梯度和平均响应因子的标准曲线,如图所示。该标样实验表明线性较好,线性回归系数R2>0.99。



样品定量测定

对样品进行同样条件的全二维色谱分析,经过定量离子和定性离子确认后得到不同单体的峰面积,根据公式(4)计算平均氯含量,然后从标准曲线得到其平均响应因子,再根据公式(3)反推计算出样品中短链氯化石蜡的含量,结果见表2。

 

表2. 样品中短链氯化石蜡含量


葵花籽油样品

平均氯含量%

62.65

平均响应因子

0.124

含量 mg/L

43.50

 

样品中短链氯化石蜡单体分布

       另外,本方法还可以对样品中不同短链氯化石蜡单体的含量分布进行考察。未经氯含量校正(响应因子)的各单体峰面积相对比例相比经过氯含量(响应因子)校正的峰面积比例,两者差异不大,和文献报道相符 [3-4]。结果表明,该样品中主要包括C10、C11、C13的短链氯化石蜡,其中C13的含量最高。而C12的氯化石蜡没有检出。



总结

       基于固态热调制全二维气相色谱高分辨质谱的氯化石蜡定量测定方法,无需液氮或任何制冷剂,使用方便,维护简单,适合于实验室常规使用。

       全二维色谱法相较传统的一维色谱方法,对氯化石蜡不同单体具有更好的分离效果,可排除中链和其他含氯化合物的干扰,再加上高分辨质谱的精确质量数确认,进一步减少不同分子式单体间的干扰,定量准确可靠。

       结合专用的氯化石蜡数据处理软件工具,实现了精确的氯化石蜡流程化定量过程的数据处理,减少人工干预和手工计算,极大提高实验室分析效率。


参考文献

[1] D. Xia, L. Gao, M. Zheng, Q. Tian, H. Huang, L. Qiao, A novel method for profiling and quantifying short- and medium-chain chlorinated paraffins in environmental samples using comprehensive two-dimensional gas chromatography-electron capture negative ionization high-resolution time-of-flight mass spectrometry, Environ. Sci. Technol. 50 (2016) 7601–7609.

[2] Y. Zou, S. Niu, L. Dong, N. Hamada, Y. Hashi, W. Yang, P. Xu, K. Arakawa, J. Nagata, Determination of short-chain chlorinated paraffins using comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled with low resolution mass spectrometry, J.Chromatogr. A 1581–1582 (2018) 135-143.

[3] G.A.S.G.T. Tomy, D.C.G. Muir, A.T. Fisk, C.D. Cymbalistry, J.B. Westmore, Quantifying C10-C13 polychloroalkanes in environmental samples by high-resolution gas chromatography/electron capture negative ion high-resolution mass spectrometry, Anal. Chem. 69 (1997) 2762-2771.

[4] M. Reth, Z. Zencak, M. Oehme, New quantification procedure for the analysis of chlorinated paraffins using electron capture negative ionization mass spectrometry, J. Chromatogr. A 1081 (2005) 225–231.

 

本应用成果得到了上海市疾病预防控制中心的大力支持,特别感谢冯超、乐孙阳在方案开发过程中提供设备、样品、技术支持、以及定制化数据处理方法建议。