气相色谱－质谱法分析水和土壤中化学毒剂模拟剂

李 红，田福林，刘成雁，王志嘉，赵海波，王晓东，尤海丹，王歆睿

（辽宁省分析科学研究院，辽宁省标准化体系建设工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110015）

气相色谱－质谱法分析水和土壤中化学毒剂模拟剂

李 红，田福林，刘成雁，王志嘉，赵海波，王晓东，尤海丹，王歆睿

（辽宁省分析科学研究院，辽宁省标准化体系建设工程技术研究中心，辽宁 沈阳 110015）

为了快速处理化学毒剂的突发性事故，建立了水和土壤中4种化学毒剂模拟剂的气相色谱－质谱（GC／MS）快速分析检测方法。水样用二氯甲烷和乙腈分两步进行萃取，土壤样品用二氯甲烷萃取，萃取液经HP－5MS色谱柱（30m×0.25mm×0.25μm）分离，利用GC／MS的选择离子（SIM）模式进行定性和定量检测。结果表明：本方法可对水和土壤样品中的化学毒剂模拟剂进行分析，在0.1～10mg／L质量浓度范围内，线性关系良好，相关系数为0.998 4～0.999 9。4种化合物在水中的检出限为0.3～2.1μg／L，定量限为1.1～7.1μg／L；在土壤中的检出限为1.0～2.7μg／kg，定量限为3.4～8.8μg／kg；4种化学毒剂模拟剂在水和土壤中的相对标准偏差（RSD）分别小于11.5%、11.8%；水和土壤中高、中、低3个加标水平的回收率分别为70.5%～101.9%、70.8%～112.9%。该方法快速准确、背景干扰少、分析灵敏度较高，适用于水和土壤样品中化学毒剂的快速分析。

气相色谱－质谱；化学毒剂模拟剂；水；土壤

神经性毒剂和糜烂性毒剂是两种主要的化学毒剂，毒性极强，不但对人类有较强的杀伤性，且对生态环境存在着巨大的威胁［1］。发生化学毒剂的突发事件时，水体和土壤等自然环境极易被污染。因此，建立环境样品中化学毒剂的快速分析检测方法，对化学毒剂突发性事故的毒剂种类识别及应急处理具有重要的意义。

目前，化学毒剂的分析检测方法较多，有气相色谱法［2－3］、红外光谱 法［4－5］、表 面 增 强 拉 曼 散射（SERS）法［6］、毛细管电泳法［7］、气相色谱－质谱法［8－14］等。其中气相色谱－质谱法灵敏度高，选择性好，已被广泛应用于化学毒剂分析［15－17］及化学武器核查［18］等领域。

本研究根据相关文献［19－20］，选用与化学毒剂含有相同特征结构的4种模拟剂作为研究对象，利用气相色谱－质谱联用选择离子监测法（GC／MS－SIM）建立化学毒剂模拟剂在水体和土壤中的快速检测方法。模拟剂与化学毒剂含有相同的特征结构，在物理和化学性质上比较接近，可以用来模拟化学毒剂，进而建立化学毒剂的分析检测方法，旨在为化学毒剂的突发性事故提供技术支持和科学依据。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

6890N－5975i型气相色谱－质谱联用仪：美国Agilent公司产品；Millipore超纯水机：美国Millipore公司产品；XK96－B快速混匀器：姜堰市新康医疗器械有限公司产品；CT 14RD离心机：天美科技有限公司产品；RE－52旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂产品。

4种模拟剂：1，2－二氯乙烷为分析纯；N，N－二甲基乙酰胺纯度大于99.0%；磷酸三甲酯为分析纯，甲基磷酸二甲酯纯度大于99.0%；乙酸乙酯、二氯甲烷、乙腈、丙酮：均为色谱纯，天津市康科德科技有限公司产品；超纯水：电导率为18.2MΩ·cm。

1.2 样品前处理

1.2.1 染毒水样中毒剂的提取 准确移取10 mL染毒水样置于50mL具塞离心管中，加入5 mL二氯甲烷，漩涡振荡2min，以9 700r／min离心5min，移取二氯甲烷于圆底烧瓶中，取1 μL二氯甲烷上机分析，测定1，2－二氯乙烷。水相中加入5g NaCl，再用5mL乙腈萃取一次，合并乙腈与二氯甲烷提取液，于30℃下旋转蒸发至约1mL，乙腈定容至2mL，供GC／MS分析，测定N，N－二甲基乙酰胺、甲基磷酸二甲酯和磷酸三甲酯。

1.2.2 染毒土壤样品中毒剂的提取 称取5.0 g染毒土壤样品置于50mL具塞离心管中，加入5mL二氯甲烷，漩涡振荡2min，反复萃取二次，合并萃取液于离心管内，以9 700r／min离心5min，移取离心液于10mL容量瓶中，用二氯甲烷定容，供GC／MS分析。

1.3 混合标准溶液配制

分别准确称取4种毒剂模拟剂对照品100 mg，加二氯甲烷定容至100mL，得到浓度为1 000mg／L的对照品储备溶液，用二氯甲烷将对照品储备溶液稀释成100mg／L的二级对照品储备液，于4℃冰箱中冷藏备用。

1.4 色谱条件

分析柱：HP－Innowax色谱柱（30m×0.25 mm×0.25μm）；载气：氦气，恒流模式，流速1.0 mL／min；不分流进样；进样口温度：200℃；传输线温度：200℃；程序升温：50℃保持1min，以25℃／min升至200℃。

1.5 质谱条件

电子轰击源（EI）；电子能量：70eV；电子倍增器电压1240V；离子源温度：230℃；四极杆温度：150℃；扫描方式：选择离子（SIM）模式；1，2－二氯乙烷特征碎片离子为：m／z 62（定量离子），m／z64、m／z98（辅助定性离子）；N，N－二甲基乙酰胺特征碎片离子为：m／z 87（定量离子），m／z44、m／z72（辅助定性离子）；甲基磷酸二甲酯特征碎片离子为：m／z 94（定量离子），m／z 79、m／z109（辅助定性离子）；磷酸三甲酯特征碎片离子为：m／z110（定量离子），m／z140、m／z 95（辅助定性离子）。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的优化

通过对色谱条件的优化，可以达到4种化学毒剂模拟剂的最佳分离效果，使4种模拟剂在短时间内实现基线分离，从而可以进行准确的定性及定量。使用HP－5ms（30m×0.25mm×0.25 μm）色谱柱时，4种毒剂模拟剂的色谱峰均有严重的拖尾现象，这主要是因为毒剂模拟剂的极性较大，而HP－5ms为非极性色谱柱，不适合于强极性物质的分离。改用强极性的HP－Innowax色谱柱（30m×0.25mm×0.25μm）对4种毒剂模拟剂进行分离，得到的总离子流色谱图示于图1。由图1可以看出，4种模拟剂的色谱峰尖锐清晰，没有明显杂质干扰。通过优化色谱条件，4种模拟剂在7min内实现基线分离，可以实现对4种模拟剂的快速定性、定量分析。

图1 4种化学毒剂模拟剂在SIM模式下的总离子流色谱图Fig.1 Total ion current chromatograms of four warfare agents simulants in the SIM mode

2.2 萃取溶剂的选择

分别选用二氯甲烷、丙酮、乙酸乙酯、乙腈对染毒水和土壤样品进行萃取，考察4种毒剂模拟剂的加标回收率，以比较不同溶剂对模拟剂的提取效率。取10mL空白水样若干份，分别加入100μL二级对照品储备液，并加入5g NaCl，用10mL萃取溶剂分两次（每次5mL）萃取样品，合并萃取液并定容至10mL；取5.0g空白土壤样品若干份，分别加入100μL二级对照品储备液，用10mL萃取溶剂分两次（每次5mL）萃取样品，合并萃取液并定容至10mL。不同溶剂所得加标回收率结果列于表1。

由表1可知，对于水样，二氯甲烷对模拟剂1，2－二氯乙烷的提取效果最好，回收率达到101.9%，乙腈对N，N－二甲基乙酰胺、甲基磷酸二甲酯和磷酸三甲酯的提取效果最好，其加标回收率分别达到96.0%、90.6%和98.1%；对于土壤样品，只有二氯甲烷作为提取溶剂时，4种毒剂模拟剂都得到了较好的回收率，为88.6%～106.8%。综合实验结果，水样选用二氯甲烷和乙腈两种萃取溶剂分两次萃取，土壤样品选用二氯甲烷作为提取溶剂。

2.3 方法的线性关系和检出限

分别移取100mg／L的二级对照品储备液0.1、0.2、0.5、1.0、5.0、10.0mL，置 于 100mL容量瓶中，二氯甲烷定容，得到浓度为0.1、0.2、0.5、1.0、5.0、10.0mg／L的系列标准溶液，按上述实验条件测定，以各组分的峰面积（y）对质量浓度（x）进行线性回归，实验结果表明，在0.1～10mg／L浓度范围内，该方法的线性关系良好，线性相关系数为0.998 4～0.999 9。

表1 不同溶剂对水和土壤中4种化学毒剂模拟剂的萃取率比较（n＝5）Table 1 Comparison of extraction yield of the four warfare agents simulants in water ang soil

取10mL空白水样和5.0g空白土壤样品，分别加入25μL浓度为0.1、0.2、0.5mg／L的标准工作溶液，按1.2方法进行处理，每个水平重复3次。以最低检出浓度计算，3倍信噪比为检出限，10倍信噪比为定量限。结果表明，4种化合物在水中的检出限为0.3～2.1μg／L，定量限为1.1～7.1μg／L；在土壤中的检出限为1.0～2.7μg／kg，定量限为3.4～8.8μg／kg，详细结果列于表2。

2.4 方法的回收率和精密度

分别取5μL、20μL和100μL 100mg／L的混合标准溶液，添加于10mL空白水样中，分别做6个平行样，按1.2的前处理方法处理样品，并在1.4和1.5的仪器参数条件下进行分析。回收率及RSD实验结果列于表3。

表3中的数据表明，4种化合物的加标回收率为70.5%～101.9%，相对标准偏差（RSD）均不大于11.5%（n＝6）。

表2 4种化学毒剂模拟剂的线性范围、相关系数、检出限及定量限（n＝3）Table 2 Linear ranges，correlation coefficients（r），limits of detection（LODs）and limits of quantification（LOQs）of four warfare agents simulants

表3 水中4种化学毒剂模拟剂的回收率及精密度（RSD，n＝6）Table 3 Recoveries and precisions（RSD，n＝6）of four warfare agents simulants in water

分别取20μL、100μL和500μL 100mg／L的混合标准溶液，添加于5.0g空白土壤样品中，分别做6个平行样，按1.2的前处理方法处理样品，并在1.4和1.5的仪器参数条件下进行分析。回收率及RSD实验结果列于表4。

表4中的数据表明，4种化合物的加标回收率为70.8%～112.9%，相对标准偏差（RSD）均不大于11.8%（n＝6）。

表4 土壤中4种化学毒剂模拟剂的加标回收率、相对标准偏差（RSD，n＝6）Table 4 Recoveries and precisions（RSD，n＝6）of four warfare agents simulants in soil

2.5 实际样品的测定

采用本实验建立的方法，对沈阳市人口居住密集地区及地铁1、2号线沿途的7个水样和8个土壤样品进行了分析，结果表明，4种化学毒剂模拟剂在所有的样品中均未检出。

3 结 语

本研究采用液液萃取，结合气相色谱－质谱的方法，建立了水和土壤中4种神经性和糜烂性化学毒剂模拟剂的快速分析检测方法。该方法使用二氯甲烷和乙腈进行直接萃取，方法简便、快速、易于操作，溶剂用量少，灵敏度高，是化学毒剂突发性事故中实用的检测手段。

［1］ 郁宝宁，朱勇兵.战争污染与环境保护［J］.环境保护，2002（11）：46－48.

［2］ BRUCE A，TOMKIN.Determination of Iewisite oxide in soiIusing soIid－phase microextraction followed by gas chromatographywith fIame photometric or mass spectrometricdetection［J］.J Chromatogr A，2001，909：13－28.

［3］ 王红英，牟瑛琳，郝焕明.气相色谱／脉冲式火焰光度检测器测定几种有毒化学品［J］.分析仪器，2009（4）：61－63.

［4］ 边归国.环境科学中傅立叶变换红外光谱法的应用［J］.分析测试技术与仪器，2003，9（3）：136－140.

［5］ BEII A，BAUM R.Detection of chemical agents in the atmosphereby passive IR romote sensing［J］.Proc SPLE－Int Soc Opt，1999，3856：44－56.

［6］ 刘 鹏，王小力，姜进军.化学战剂的SERS检测及应用前景研究［J］.光谱实验室，2011，28（2）：955－958.

［7］ CHEICANTA R L.Arsenic－containing signature compoundsfrom the hydroIytic decomposion of Iewisite by capiIIaryeIetrophoresis［J］.Pro ER－DEC Sci Conf Chem BoiI Def Res，1997，671－678.

［8］ 胡绪英，谢剑炜.气相色谱－质谱法分析土壤中神经性毒剂及糜烂性毒剂［J］.分析测试学报，2003，22（5）：64－66.

［9］ 林 缨，刘 勤，谢剑炜.固相萃取及GC－MS分析环境水体中神经性毒剂水解产物［J］.分析测试学报，2007，26：197－202.

［10］ 胡绪英，周永新，冯翠玲，等.水中主要毒剂GC／MS／SIM方法的研究［J］.军事医学科学院院刊，1999，23（3）：215－217.

［11］ 胡绪英，娄艳红，周永新.水中芥子气水解产物硫二甘醇的分析［J］.分析测试学报，2001，20（3）：81－83.

［12］ 顾惠芬，周黎明，蔡冠梁，等.含磷毒剂及其降解产物的气相色谱一质谱测定方法研究［J］.色谱，1996，14（1）：41－43.

［13］ 胡绪英，娄艳红，周永新.染毒水样中神经性毒剂水解产物的分析［J］.分析化学，2001，29（8）：957－960.

［14］ 胡绪英，娄艳红，周永新.固相萃取GC／MS方法分析水中神经性毒剂水解产物［J］.质谱学报，2000，21（3）：93－94.

［15］ 李志军，林爱华，赵莹雪.GC／MS定量分析芥子气［J］.质谱学报，2000，21（4）：121－122.

［16］ 胡绪英，谢剑炜.应用气相色谱一质谱分析土壤中芥子气及其降解产物［J］.质谱学报，2004，25（1）：45－48.

［17］ 胡绪英，周永新，冯建林.水和粮食中化学战剂的分析［J］.分析测试学报，2000，19（3）：37－39.

［18］ 陈志升.GC－MS在化学裁军核查水平测试中的应用［J］.防化研究，1997，（4）：1－6.

［19］ 蔡冠梁，顾惠芬，周黎明.土壤中的含磷毒剂及其相关化合物的气相色谱－质谱法测定［J］.分析化学，1996，24（8）：886－889.

［20］ 应智花.甲基膦酸二甲酯质量敏感型气体传感器的制备及特性研究［D］，电子科技大学，2008.

GC／MS Analysis of Chemical Agent Simulants in Water and Soil

LI Hong，TIAN Fu－lin，LIU Cheng－yan，WANG Zhi－jia，ZHAO Hai－bo，WANG Xiao－dong，YOU Hai－dan，WANG Xin－rui
（Liaoning Province Academy of Analytic Sciences，Standard System Engineering Research Center of Liaoning Province，Shenyang110015，China）

In order to rapid deal with the unexpected incidents of chemical agents，a method based on gas chromatography spectrometry（GC／MS）was developed for the determination of nerve warfare agent and vesicant agent simulants in water and soil.The water was extracted by dichloromethane and acetonitrile，the soil was extracted by dichloromethane，then the extract was separated on a HP－5MS column（30m×0.25mm×0.25μm）and the identification and quantification of the analytes were carried out in the choice ion（SIM）mode.The six point calibration curves showed a good linearity for all the congeners（0.998 4～0.999 9）.Limits of detection（LODs）of the water ranged from 0.3to 2.1μg／L and the soil ranged from 1.0to 2.7μg／kg.The relative standard deviations（RSDs）of water and soil were below 11.5%、11.8%respectively.The spiked recoveries of water and soil were in the range of 70.5%～101.9%、70.8%～112.9%respectively.The developed analytical methodis rapid and accurate，remove the pigments effieient and improve sensitivity，suitable for the determination of warfare agents in water and soil.

gas chromatography－mass spectrometry（GC／MS）；warfare agents simulants；water；soil

O 657.63

A

1004－2997（2012）04－0247－05

2012－03－21；

2012－06－01

沈阳市科技项目（2007gx－31）资助

李 红（1978～），硕士研究生。E－mail：lh＿9214＠163.com