GC-MS法与NTD联用快速测定环境空气中硝基苯类化合物

孙 明

(苏交科集团(江苏)安全科学研究院有限公司，江苏 南京 211100)

硝基苯类化合物是一类被广泛用于医药、染料和化工等领域的半挥发性有机物[1]，其毒性是一般有毒化合物的40～50倍，属于高毒性物质，且化学性质稳定，不易降解[2]。对皮肤、消化道和呼吸道有极强侵入性，对现场人员有重大危害。

通过对色谱参数和质谱参数进行优化，建立NTD-GC-MS同时测定测七种硝基苯类化合物(硝基苯NB、邻硝基甲苯ONT、间硝基甲苯MNT、对硝基甲苯PNT、邻硝基氯苯ONCB、间硝基氯苯MNCB、对硝基氯苯PNCB)的方法。该方法便于快速地制定应急处置方案，而且能尽可能减少对环境和人体的损害，是一种快速高效检测痕量硝基苯类化合物的方法。

1 材料与方法

1.1 仪器

气相色谱质谱仪(Agilent 8890-5977B，FID检测器)，毛细管色谱柱DB-5MS(Agilent 30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)，毛细管色谱柱Equit-5MS(Agilent 30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)，毛细管色谱柱HP-5MS(Agilent 30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)，针捕集阱装置(德国PAS公司)，热风枪(德国STEINEL司登利公司，HG-2320E)，烘箱(德国Binder公司，FD260)。

1.2 试剂

7种硝基苯类化合物混合标液(坛墨质检科技股份有限公司，2 000 μg/mL)，正己烷(德国Merck公司，农残级)，甲醇(德国Merck公司，色谱纯),乙醇(德国Merck公司，分析纯),氦气(南京特种气体厂有限公司，99.999%)，氮气(南京特种气体厂有限公司，99.999%)，微量注射器(瑞士Hamilton公司，10 μL、50 μL、100 μL、1 000 μL)，特氟龙 FEP气体采样袋(上海申源科学仪器有限公司，100 mL/500 mL/1 L)，商用吸附针(Agilent Carboxen1000)。

1.3 标准溶液配制

利用正己烷(农残级)为溶剂，将2 000 μg/mL七种硝基苯类化合物配制成200 μg/mL的中间液，储存于棕色容量瓶中。将中间液配制成0.01 μg/mL、0.02 μg/mL、0.05 μg/mL、0.1 μg/mL，0.2 μg/mL、0.5 μg/mL、1.0 μg/mL、2.0 μg/mL、5.0 μg/mL不同梯度的标准溶液，待用。

1.4 混合标准气体配制

将不同浓度的标准液，用微量注射器打1 μL进入100 mL气袋，加热10 min，直到其全部变为气体，冷却后用NTD采集气袋中的标样，直接进行GC-MS检测。

2 结果

2.1 GC-MS参数优化

2.1.1 色谱柱选择

DB-5MS适合分离弱碱性化合物，Equity-5MS适合分离弱酸性化合物，尤其适合分离7种硝基苯类化合物。所以，最佳色谱柱为Equity-5MS。

2.1.2 柱温选择

初始温度设定为50 ℃时，能够有效分开七种硝基苯类化合物，且全部都在10 min前出峰结束；当初始温度设定为60 ℃和70 ℃时，色谱峰有明显拖尾现象，温度过高影响分离效果。所以，本实验最佳初始温度为50 ℃。

初始温度设定为50 ℃，进样浓度为20 μg/mL，进样体积保持1 μL不变，观察分离效果。分别以8 ℃/min、9 ℃/min、10 ℃/min、11 ℃/min、12 ℃/min的升温速率升至220 ℃，然后以15 ℃/min升至 250 ℃，保持5 min。当升温速率大于10 ℃/min时，硝基苯NB的色谱峰存在严重拖尾，分离效果差。所以，最佳程序升温速率为10 ℃/min。

2.1.3 进样口温度选择

试验设定进样口温度为220 ℃、230 ℃、240 ℃、250 ℃、260 ℃、270 ℃、280 ℃，当进样口温度为250 ℃ 时，七种硝基苯类化合物的响应值达到最大，进样口温度在250 ℃～270 ℃之间时，七种硝基苯类化合物的响应值平衡，但温度太高不利于低沸点化合物的检测，降低检测效率。所以，最佳进样口温度为250 ℃。

2.1.4 离子源温度选择

设定离子源温度为230 ℃时，响应值达到最大，离子源温度大于230 ℃后，响应值逐渐降低。所以，最佳离子源温度为230 ℃。

2.2 GC-MS的方法验证

七种硝基苯类化合物在特征扫描(SIM)模式下进行检测，选择Equity-5(30 m×0.25 mm，df 0.25 μm)为最佳气相色谱柱，250 ℃为进样口温度，设定分流比为15，不分流进样，柱流量为1.3 mL/min。设定起始温度50 ℃，以10 ℃/min程序升温至220 ℃保持1 min，再以15 ℃/min升至250 ℃保持2 min。离子源温度230 ℃，用全扫描(SCAN)方式定性，特征扫描模式下定量，溶剂峰时间5 min。

将8个不同浓度梯度(0.01～2 μg/mL)的标准溶液从低到高，依次上GC-MS检测，1 μL进样体积，每个样品检测至少3次以上。检测限为3倍信噪比，定量限为10倍信噪比，用浓度为2.0 μg/mL的样品至少重复测试8次的RSD比较仪器稳定性。在0.01～2 μg/mL范围内，七种硝基苯类化合物有良好线性，线性系数在0.999 0～0.999 5之间，仪器检测限在0.000 1～0.001 4 μg/mL之间，定量限在0.001～0.007 μg/mL之间，相对偏差在5.3～9.8%之间，能满足分析痕量硝基苯类化合物的要求。

表1 仪器方法的线性、检测限、定量限

2.3 液体转化为气体条件优化

吸取1 μL的标准溶液(1 μg/mL)到100 mL特氟龙采样袋中，保持采样条件及解吸条件不变，依次设定烘箱温度为50、100、120、150、200、220、250 ℃，加热5 min，通过七种硝基苯类化合物的峰面积，评价转化效果。

试验结果如图1，加热温度在50 ℃～150 ℃之间，峰面积均呈上升趋势。加热温度低于最佳转化温度时，会导致不完全挥发，150 ℃时，峰面积达到最高点。加热温度在150 ℃～180 ℃之间时呈下降趋势，可能是高温下特氟龙采样袋对七种硝基苯类化合物有吸附导致。180 ℃～250 ℃时基本趋于平衡，说明化合物转化率已经达到最高点。所以，烘箱最佳加热温度为150 ℃。

图1 不同加热温度下七种硝基苯类化合物的峰面积

将1 μg/mL标准溶液打入1 μL至100 mL特氟龙采样袋，在采样参数和解吸参数不变的条件下，加热温度为150 ℃，设定烘箱加热时间为0.5 min、1 min、1.5 min、2 min、2.5 min、3 min、5 min。

试验结果如图2，加热时间为0.5 min～2 min，各化合物的峰面积均呈上升趋势，可能是由于加热时间过短导致液体挥发不完全。加热时间为2 min时，七种硝基苯类化合物峰面积达到最大值。加热2 min～2.5 min时，都有下降趋势，可能是加热时间过长导致气袋对目标物有吸附。加热时间为2.5 min～5 min时，七种硝基苯类化合物的峰面积不再增加。所以，烘箱最佳加热时间为2 min。

图2 不同加热时间下七种硝基苯类化合物的峰面积

2.4 解吸参数优化

2.4.1 解吸温度优化

解吸温度在250 ℃到300 ℃之间，进样量不变，色谱峰面积越大，则浓度越大，说明解吸越完全。解吸时间统一控制在5 min，试验结果如图3。解吸温度为250 ℃时，峰面积值均最低，可能是该解吸温度下各物质没有完全气化；当温度为270 ℃时，峰面积值达到最大，说明七种硝基苯类化合物在270 ℃下解吸效果达到最佳；解吸温度在270 ℃到300 ℃时逐渐呈下降的趋势，可能是高温条件下部分分析物还未经过载气进入毛细柱就已经发生气化了。所以，烘箱最佳解吸温度为270 ℃。

图3 不同解吸温度下七种硝基苯类化合物的峰面积

2.4.2 解吸时间优化

在采样参数和仪器参数不变的情况下，设定解吸温度在270 ℃，用NTD吸取相同体积量的目标物，试验结果如图4。解吸时间为2 min时，七种分析物响应值最低，第二次检测吸附针内目标物时，发现针内有残留物，解吸不完全；解吸时间时为4 min，峰面积达到最大值，再次解吸吸附针内目标物无残留；继续延长解吸时间到6 min，发现七种分析物响应基本趋于平衡。所以，最佳解吸时间为4 min。

图4 不同解吸时间下七种硝基类化合物的峰面积

2.5 NTD采样参数优化

2.5.1 NTD采样速率优化

样品浓度为1 μg/mL，注入量为1 μL，采集体积为100 mL，设定2 mL/min至8 mL/min的采样速率，保持解吸参数和加热参数不变。试验结果如图5，设定NTD采样速率在2 mL/min、3 mL/min、4 mL/min时，七种硝基类化合物的响应值呈缓慢增加的趋势，可能是采样速率较低导致样品捕集不完全；采样速率大于5 mL/min后，七种硝基类化合物的响应均呈下降的趋势。所以，最佳采样速率为4 mL/min。

图5 不同采样速率下七种硝基苯类化合物的峰面积

2.5.2 NTD采样后检测方法线性、检测限与定量限

选择实验优化后的最佳参数，设定范围在1～200 ng/L之间，将不同浓度梯度的标准液体打入气袋中，在同等条件下进行萃取和解吸。试验结果如表2，七种硝基苯类化合物在1～200 ng/L有良好的线性，其中检测限为3倍信噪比(S/N)，定量限为10倍信噪比(S/N)。七种硝基苯类化合物的检测限在0.1 ng/L～1.0 ng/L之间，定量限在0.5 ng/L～1.6 ng/L之间。

表2 NTD采样后检测方法的线性、检测限、定量限

2.6 针捕集阱用于空气中硝基苯类化合物的检测方法验证

选取实验室空气作为加标样品，进行不同浓度的加标实验(如表3所示)，原始空气中未检测出七种硝基苯类化合物，回收率在89.4%～99.5%之间，相对标准偏差在3.2%～9.7%。

表3 七种硝基苯类化合物不同浓度的加标回收率

2.7 样品分析

将8种不同浓度梯度(1～200 ng/L)的溶液从低到高进行检测，进样量为1 μL，每个样品重复3次以上，保证标线性均在0.999以上，能完全有效地分离出七种硝基苯类化合物，如图6。

图6 七种硝基苯类化合物SIM模式下标准液体色谱图

绘制混合标准气体标准曲线时，将不同浓度的液体(1～200 ng/L)注入充满氮气的100 mL特氟龙采样袋中，每次注入量为1 μL，每种浓度重复三次以上，烘箱加热成气体后，将气袋取出冷却至室温，NTD吸附针插入装有标准品的密闭特氟龙气袋进行采样，采完样品立即用GC-MS分析检测。优化NTD采样条件时，将1 μL浓度为2 μg/mL的标准混合液体摄入500 mL的气袋中，每次采样体积为100 mL。七种硝基苯类化合物标准气体在SIM模式下的色谱图如图7所示。

图7 七种硝基苯类化合物标准气体色谱图

采集空气样品时，将NTD调节好采样参数，直接放置于采样点进行空气样品的采集。采样结束后，样品立刻进行GC-MS检测。

实验过程中用空白实验、空白加标和平行数据严格对实验数据进行质量控制。每组数据为平行3次的平均值，保证七种硝基苯类化合物线性系数>0.999，RSD<10%，线性如表4。特氟龙采样袋需经过反复加热和氮气吹扫，保证空白采样袋中化合物浓度为0。吸附针每次解吸完样品都需要在GC-MS上老化6 min，确保针内没有残留物。

表4 七种硝基苯类化合物线性值

3 结论

通过优化GC-MS色谱和质谱参数，建立了NTD与GC-MS联用新型快速采样测定环境空气中的7种硝基苯类化合物的方法，该法仪器检测限低，灵敏度高。实验中NTD采样到GC-MS解吸仅需30 min，仪器携带方便，采样速度快，无需溶剂萃取，色谱峰分离较好，且互不干扰。该方法比常规检测方法更加绿色环保，，可广泛用于工作场所空气中痕量硝基苯类化合物的检测分析，也可为环境中其他痕量的VOCs提供检测参考依据。