气相色谱法测定指示性多氯联苯纯度比较

黄林艳，赵彦辉，赵亚娴，鲁炳闻，杨 刚，刘海萍，房丽萍

(国家环境保护污染物计量和标准样品研究重点实验室 环境保护部标准样品研究所，北京 100029)

0 引 言

多氯联苯（PCBs）为一类在环境中广泛存在的持久性有机污染物，具有致癌、致畸、致突变的“三致毒性”[1]，是环境污染监测的重要指标之一。监测过程中使用的环境标准样品是环境监测与分析过程中进行量值传递与量值溯源的标准量具[2]，其中量值准确是环境标准样品的重要特性之一。在环境标准样品研制过程中，标准样品原料的纯度是影响标准样品量值准确的关键因素。

有机物纯品的纯度测定通常采用色谱法，其中配备氢火焰离子化检测器的气相色谱（GC-FID）通常用于分析挥发性和半挥发性有机物纯度[3-4]；配备紫外检测器或二极管阵列检测器的液相色谱（HPLC-UV/Vis或HPLC-PDA）通常用于分析难挥发或热不稳定的有机物纯度[5]。然而，采用GC-FID和HPLC法时，为了尽可能检出样品中的杂质，通常要求样品配制浓度高达几千μg/mL，甚至更高。气相色谱-质谱法（GC-MS）除了能在样品浓度相对较低的条件下测定纯度外，还能对主要杂质进行定性分析[6-7]。对于一些含有特定元素的有机物，如含卤素的有机物，使用配备电子捕获检测器的气相色谱（GC-μECD）能够在主成分浓度较低的情况下进行纯度测定[8]。由于PCBs纯品在制备时的纯化难度大、成本高，且为高毒物质，商品化的PCBs纯品包装单元一般较小。因此，在研制PCBs溶液标准样品时，PCBs纯品的纯度测定应尽可能选择在较低进样浓度下检出杂质的方法，以减少纯品用量。本文以7种指示性PCBs纯品为例，研究了常规的GC-FID法测定纯品纯度，并探索了GC-MS和GC-μECD方法在PCBs纯品纯度测定中的应用，为含卤素有机物纯品纯度测定提供借鉴。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

7890A型气相色谱仪（美国Agilent公司）；7890A/5975C型气相色谱/质谱联用仪（美国Agilent公司）；XP240 型精密电子天平（精密度为 0.01 mg，瑞士Mettler-Toledo公司）。

异辛烷，HPLC 级，美国 J.T.Baker公司；PCB 28、52、101、118、138、153、180 纯品均为美国Accustandard公司；7种指示性PCBs混合标准溶液，质量浓度为10 μg/mL，美国 Wellington Laboratories公司。

1.2 纯度测定条件

GC-MS 条件：色谱柱：HP-5MS（30 m×250 μm×0.25 μm）；进样口温度：290 ℃；进样体积：1 μL；进样方式：不分流进样；程序升温：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）；离子源温度：230 ℃；四级杆温度：150 ℃；全扫描方式：50～550m/z。

GC-FID 条件：色谱柱：HP-5MS UI（30 m×250 μm×0.25 μm）；进样口温度：280 ℃；进样体积：1 μL；进样方式：不分流进样；空气流量：100 mL/min；氢气流量：30 mL/min；程序升温：150 ℃，以 15 ℃/min 升到 180 ℃，后以 3 ℃/min 升到 240 ℃，再以 10 ℃/min升到 280 ℃；检测器温度：290 ℃。

GC-μECD 条件：色谱柱：HP-5MS UI（30 m×250 μm×0.25 μm）；进样口温度：280 ℃；进样体积：1 μL；进样方式：分流进样，分流比为15:1；程序升温：150 ℃，以 15 ℃/min 升到 180 ℃，后以 3 ℃/min 升到 240 ℃，再以 10 ℃/min 升到 280 ℃；检测器温度：290 ℃。

1.3 标准溶液配制

GC-FID 法：分别称取 10 mg PCB 28、52、101、118、138、153、180纯品，并分别溶于 4 mL 异辛烷中，制得样品质量浓度均为 2 500 μg/mL，用于纯度测定；质量浓度为10 μg/mL的7种指示性PCBs混合标准溶液用于GC-FID法的信噪比测定。

GC-MS和GC-μECD法：以异辛烷为稀释溶剂，分别将配制的质量浓度2500 μg/mL的 PCB 28、52、101、118、138、153、180 溶液稀释至 10 μg/mL，用于纯度测定。将10 μg/mL的7种指示性PCBs混合标准溶液稀释至20 ng/mL，用于GC-MS法的信噪比测定；类似方法配制10 ng/mL 的PCBs混合标准溶液，用于GC-μECD法的信噪比测定。

2 结果与讨论

2.1 GC-MS法测定纯度

GC-MS法可以根据化合物的分子离子和碎片离子的质荷比对未知化合物进行定性分析，因此，本研究采用全扫描方式对7种指示性PCBs纯品主成分及其杂质进行分析。结果表明，GC-MS法测定质量浓度为20 ng/mL的7种指示性PCBs混合标准溶液，当进样量为20 pg时，7种指示性PCBs能够在GC-MS上得到很好的分离，且有明显的响应，信噪比（Pk-pkS/N）为 10～20。因此，当进样量达到10 ng时，含量在0.01%以上的低氯代和0.02%以上的高氯代PCBs同类物杂质完全能够检出。

图1 GC-MS法测定7种指示性PCBs纯度色谱图

当进样量达到10 ng时，7种指示性PCBs的全扫描色谱图如图1所示。通过NIST谱库检索，对各样品中的主要杂质进行定性分析。通过质荷比分析和NIST谱库检索，推测PCB 28中存在的主要杂质为二氯联苯，PCB 52中存在的主要杂质为三氯联苯和四氯联苯，PCB 101中存在的主要杂质为两种六氯联苯，PCB 118中存在的主要杂质为羟基代四氯联苯、三氯联苯、四氯联苯。PCB 138和PCB 153中除了主成分和柱流失峰，未明显检出其他杂质。PCB 180中存在的主要杂质为两种六氯联苯。由于不同氯取代数的PCBs同分异构体较多，在色谱条件有限及缺乏足够标准品的情况下，很难确定杂质具体为哪种PCBs同分异构体。上述分析可知，7种PCBs纯品中的主要杂质均为相同或相近氯取代数的PCBs或结构类似物。PCBs同类物高达209种，在PCBs纯品的生产和纯化过程中，难免会有其同类物或结构类似物杂质存在[8]。

由于各PCBs纯品的主要杂质均为相同或相近氯取代数的PCBs或结构类似物，因而主分成与主要杂质在GC-MS上的响应因子差异不大。因此，在采用峰面积归一化法计算PCBs纯度时，在杂质含量很低的情况下，响应因子差异带来的误差可以忽略不计。根据峰面积归一化法计算各PCBs纯品的纯度值如表1所示，PCB 28、52、101、118、138、153、180的纯度分别为 99.75%、99.44%、99.76%、99.18%、100.0%、100.0%、99.68%。

2.2 GC-FID法测定纯度

如图2所示，GC-FID测定10 μg/mL的7种指示性PCBs混合标准溶液，当进样量为10 ng时，7种指示性PCBs在色谱上能够很好的分离，且PCB 28、52、101、118、138、153、180 的信噪比分别为 242、234、264、280、255、259、268。因此，当进样量达到2.5 μg时，含量在 0.015%以上的其他PCBs同类物杂质完全能够检测出来。

进 样 量 为 2.5 μg的 PCB 28、52、 101、118、138、153、180的GC-FID色谱图如图2所示。从图中可以看到，每种PCBs纯品中均有少量的杂质检出。通过比对出峰时间和质荷比，发现PCB 101和PCB 180中可能存在PCB 153杂质。然而，由于PCBs共有209种同类物，有限的色谱条件不能将所有的同类物完全分开，PCB 101和PCB 180中存在PCB 153杂质只能是推测。所有样品重复测定6次，通过峰面积归一化法计算PCBs纯品纯度，结果见表2。从混合标准溶液的GC-FID色谱图中发现，7种指示性PCBs在GC-FID上的响应因子是相近的，因而推测其他PCBs同类物的响应因子也相近。因此，采用峰面积归一化法计算纯度，尤其是杂质含量很低时，响应因子差异带来的影响可以忽略不计。GC-FID 法测定 PCB 28、52、101、118、138、153、180的纯度分别为 98.63%、98.46%、98.28%、97.28%、99.57%、99.91%、98.39%。

表1 GC-MS法测定7种指示性PCBs的纯度值 %

图2 GC-FID法测定7种指示性PCBs纯度色谱图

表2 GC-FID法测定7种指示性PCBs的纯度值 %

2.3 GC-μECD法测定纯度

如图3所示，GC-μECD 测定 10 ng/mL 的 7种指示性PCBs标准溶液，当进样量为10 pg时，7种指示性PCBs在色谱上能够很好的分离，且PCB 28、52、101、118、138、153、180的信噪比分别为66.8、44.0、55.1、61.3、106、129、157。因此，当进样量为10 ng时，含量在0.01%～0.02%以上的其他PCBs同类物杂质能够完全检出。

图3 GC-μECD法测定7种指示性PCBs纯度色谱图

进样量为 10 ng 的 PCB 28、52、101、118、138、153、180的GC-μECD色谱图如图3所示。从图中可以看出，每种PCBs纯品中均有氯取代杂质检出。电子捕获检测器是一种选择性很强的检测器，对含氯化合物的响应灵敏度非常高。一般来说，对于同一类有机化合物，含氯原子数越多，其响应因子就越高。根据GC-MS的分析结果，除PCB 118纯品外，每种指示性PCBs纯品中的杂质主要为相同或相近氯原子取代的PCBs同类物，PCBs主成分与杂质在GC-μECD上的响应因子相近。因此，在杂质含量很低的情况下，可以忽略响应因子存在的差异，进而可以采用峰面积归一化法计算PCBs纯品纯度。所有样品重复进样6次，通过峰面积归一化法计算PCBs纯品纯度，结果见表3。从表中可知，GC-μECD 法测定 PCB 28、52、101、118、138、153、180的纯度分别为 99.10%、95.93%、97.25%、92.91%、99.49%、99.62%、98.15%。

2.4 纯度值确定及不确定度评定

2.4.1 纯度值确定

7种指示性PCBs的标称纯度和3种气相色谱法的测定纯度如图4所示，其中标称纯度采用的是GC-MS法测得，标称纯度不确定度均为5%。实验结果与标称值对比发现，GC-MS法测得的各PCBs纯度值均与标称值最接近，这与标称纯度也采用GC-MS法测得有关。除了PCB 28，3种气相色谱法测定其他6种指示性PCBs的纯度值大小关系为：GC-MS＞GC-FID＞GC-μECD。根据GC-MS 对主要杂质定性分析结果可知，7种指示性PCBs中的主要杂质均为主成分之外的其他含氯化合物。由于GC-μECD对氯取代的物质灵敏度很高，能检出的杂质种类更多，且氯取代数不同的化合物的响应因子差异相对较大，因而计算的纯度值最小。而GCFID进样的浓度高，因而杂质的检出率略高于GCMS，这可能是导致GC-FID法测定纯度值略低于GC-MS法测定纯度值的原因。此外，值得注意的是，GC-μECD测定的PCB 118纯度值明显低于其他方法的测定值，原因是4.8 min处有一峰面积百分比为5.2%的杂质峰。根据GC-MS分析结果，该杂质可能为羟基代四氯联苯。该物质在GC-μECD的响应因子可能与PCB 118存在较大差异，因而在用峰面积归一化法计算PCB 118纯度时，响应因子差异对纯度计算结果产生较大影响。因此，用GC-μECD法测定纯度时，对于杂质含量不同的PCBs纯品，峰面积归一化法带来的不确定度是不同的，需要进一步研究。

表3 GC-μECD法测定7种指示性PCBs的纯度值 %

图4 7种指示性PCBs纯度的标称值和测定值

值得注意的是，对于标称纯度越高的PCBs纯品，3种气相方法测得的纯度值越接近，与标称纯度的差异也越小。对于纯度值稍低的PCBs纯品，GC-μECD法测得的纯度值与标称纯度值差异较大，这可能与不同杂质组分在GC-μECD上响应因子差异相对较大有关。考虑到不同气相色谱方法在测定PCBs纯品纯度时各自存在的局限性，减少测量方法带来的误差，本研究中除PCB 118外的其他6种指示性PCBs的纯度测定值采用GC-MS、GCFID和GC-μECD 3种方法测定结果的平均值。由于GC-μECD法测定PCB 118的纯度值与GC-MS和GC-FID法的测定值存在较大差异，PCB 118的纯度测定值采用GC-MS和GC-FID法的测定均值，结果如表4所示。

表4 7种指示性PCBs的纯度测定结果

2.4.2 纯度不确定度评定

根据测量不确定度的评定方法[9-10]，分别计算GC-MS、GC-FID 和 GC-μECD 3种测定方法的纯度不确定度。

1）GC-MS法测定纯度不确定度评定

①测量重复性引入的不确定度u1

色谱仪器的稳定性、色谱峰积分面积的重复性，样品浓度和进样体积的差异等对测量结果造成的误差均体现在测量重复性中，测量重复性引入的不确定度用多次重复测量结果的相对标准偏差表示，即u1=RSD。

②响应因子产生的不确定度u2

根据GC-MS法对7种PCBs中主要杂质的定性分析结果，7种PCBs主要杂质均为相邻1～2个氯取代数的PCBs同类物，主要杂质与主成分在GC-MS法测量条件下的灵敏度不同，对杂质测量带来的误差估计为100%，则对主成分纯度测量带来的误差为杂质含量的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仪器的测量线性引入的不确定度u3

由于采用GC-MS测定7种PCBs纯品纯度定值方法研究过程中所确定的样品进样量均在各检测器的检测线性范围内，故该部分不确定度忽略不计。

④合成GC-MS法测定纯度标准不确定度

合成上述各项不确定度分量得到GC-MS法纯度不确定度为：

则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法测定纯度不确定度评定

评定响应因子产生的不确定度u2时，PCBs纯品主成分与同类物杂质在GC-FID法测量条件下的灵敏度不同，对杂质测量带来的误差估计为50%，则对主成分纯度测量带来的误差为杂质含量的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%。

与GC-MS法测定纯度不确定度评定方法类似，GC-FID法测定纯度合成标准不确定度为：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法测定纯度不确定度评定

评定响应因子产生的不确定度u2时，由于PCBs纯品主成分与同类物杂质在GC-μECD法测量条件下的灵敏度不同，对杂质测量带来的误差估计为100%，则对主成分纯度测量带来的误差为杂质含量的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%。

与GC-MS法测定纯度不确定度评定方法类似，最终GC-μECD法测定纯度合成标准不确定度为 ：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）标准品纯度合成不确定度

除PCB 118外的其他6种指示性PCBs的纯度不确定度为 GC-MS、GC-FID 和 GC-μECD 3种测定方法不确定度的合成，计算公式如式（2）所示。PCB 118的纯度不确定度为GC-MS和GC-FID测定方法不确定度的合成，计算公式如式（3）所示。纯度不确定度计算结果如表4所示。

3 结束语

标准样品纯度测定技术是赋予标准样品准确量值的关键。通过多种气相色谱法对7种指示性多氯联苯纯品纯度进行测定，对其中的主要杂质进行定性分析，并评价了测定纯度的不确定度。经测定，7种指示性PCBs纯品的主要杂质均为氯取代数相同或相近、取代位置不同的PCBs或结构类似物。由于PCBs在不同检测器上的灵敏度不同，且不同PCBs的响应因子也存在差异，GC-MS、GC-FID和GC-μECD测得的PCBs纯品纯度存在一定差别，基本为：GC-MS＞GC-FID＞GC-μECD。在使用峰面积归一化法计算纯度时，当杂质与主成分的结构存在较大差异时，应研究不同的响应因子带来的差异。