气相色谱柱对多溴联苯醚分析的影响

张 炜 ，冯 灏 ，张 冰 ，杨永坛

（1.国家粮食和物资储备局 科学研究院，北京 100037；2.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

多溴联苯醚（polybrominated diphenyl ethers,PBDEs）是一类添加型溴代阻燃剂[1]，被广泛应用于电子、化工、建材、纺织、石油、采矿等领域[2-3].多溴联苯醚是典型的持久性有机污染物，其分子结构稳定（如图1所示），可以通过挥发、渗出等方式从各种工业品释放到环境之中，并长期存在，且能通过食物链进入生物体并蓄积[4].根据研究，多溴联苯醚具有潜在的神经毒性和肝毒性，会造成人和动物的内分泌失调，免疫障碍，而且可能导致癌症[5].目前，在大气、土壤、水等环境介质[6-7]及动植物体内[8]都检出了多溴联苯醚.因此，对多溴联苯醚的检测成为了环境、食品和生物安全领域的重要内容[9-10].

图1 多溴联苯醚基本分子结构Fig.1 General molecular structure of polybrominated diphenyl ethers

多溴联苯醚通常采用色谱方法进行检测.气相色谱结合电子捕获检测器（electron capture detector,ECD）或质谱检测器（mass spectrometry detector, MS）是最主要的方法[9].但多溴联苯醚属于弱极性化合物，沸点一般比较高，且根据其上溴原子个数和取代位置不同，不同单体的沸点相差较大，对气相色谱的温度控制要求较高.另外，多溴联苯醚的稳定性差别较大，特别是高取代溴联苯醚，在高温下容易发生分解[11-12]，造成色谱定性定量准确性较差，因此采用气相色谱分析多溴联苯醚仍然面临着挑战[13].其中色谱柱是影响气相色谱分析结果最重要的因素之一[14-18]，色谱柱的性质决定色谱分析效率，如果色谱柱的选用不适当，将影响到定性和定量结果的准确性.在实际工作中，色谱柱的选择是一项十分重要且困难的工作，需要结合分析目的，根据目标分析物的性质及含量进行选择.

本研究以11种代表性多溴联苯醚为目标，系统探讨8种不同型号的气相色谱柱对其分析结果的影响，旨在为不同研究领域中多溴联苯醚的检测分析提供参考.

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

GC 7890A气相色谱仪配有7683自动进样器和电子捕获检测器（安捷伦科技有限公司，美国）.11种多溴联苯醚（如表1所列）的单独标准溶液（50 μg/mL，溶于异辛烷，北京百灵威公司）.异辛烷（农残级，北京百灵威公司）.

表 1 11种代表性多溴联苯醚Table 1 11 Representative polybrominated biphenyl ethers

1.2 试验方法

1.2.1 标准溶液配制

分别精确移取11种多溴联苯醚单独标准品混合后，加入异辛烷进行稀释，配制为每个单体的质量浓度均为50 ng/mL的混合工作液，置于-18 ℃下避光保存.

1.2.2 气相色谱分析基本条件

采用不分流进样模式，进样口温度设为295 ℃，进样量为1.0 μL，采用毛细管色谱柱，载气为高纯氮气，流速设为1.5 mL/min.升温程序：初始温度90 ℃，以升温速率20 ℃/min升至320 ℃，并保持一定时间.电子捕获检测器温度为325 ℃，补偿气为高纯氮气，流速为30 mL/min.

1.2.3 试验气相色谱柱

选用8根毛细管气相色谱柱进行试验，具体型号、参数及品牌如表2所列.分析条件与1.2.2中气相色谱分析基本条件一致.

2 结果与讨论

2.1 色谱柱的选择

选择3种液膜组成不同的气相色谱柱进行比较，包括DB-5MS、DB-XLB、DB-35MS，色谱柱规格均为长度30 m，内径0.25 mm，液膜膜厚0.25 μm（如表2所列，柱2、6、7）.在DB-5MS色谱柱上，11种多溴联苯醚全部有响应，并全部基线分离[如图2（a）所示].在DB-XLB色谱柱上，BDE-206和BDE-209没有响应，BDE-203的响应较低，其它单体可以很好的分开，保留时间相对于在DB-5MS柱上均有所延后，并且响应均出现不同程度的下降[如图2（e）所示].在DB-35MS色谱柱上，其上液膜对多溴联苯醚的保留能力进一步增加，多溴联苯醚单体的保留时间明显延后，BDE-203、BDE-206、BDE-209在这根色谱柱上均没有响应，可出峰单体的响应值均下降[如图2（g）所示].

上述结果表明，色谱柱液膜的极性是决定多溴联苯醚保留时间及响应的关键因素.DB-5MS色谱柱液膜组成为5%苯基-95%二甲基聚硅氧烷，DB-35MS色谱柱的液膜组成为35%苯基-65%二甲基聚硅氧烷，DB-XLB色谱柱的液膜组成未知.根据安捷伦公司的信息，上述色谱柱液膜的极性由弱到强顺序为：DB-5MS＜DB-XLB＜DB-35MS.比较每个单体的保留时间和响应值与色谱柱液膜极性之间的关系可以发现，色谱柱液膜的极性越强，每个单体的保留时间越长，响应值降低的趋势越明显[如图3（a）（b）所示].比较长度较短（15 m），液膜更薄（0.1 μm）的两种色谱柱（DB-5MS和DB-XLB）（如表2所列，柱1、5），结果呈现相同的趋势[如图3（c）（d）所示].进一步证明液膜极性是多溴联苯醚有效分离分析的关键因素.在进行多溴联苯醚的分析时，应尽量选择极性较小的色谱柱，以降低方法检出限.

图3 不同液膜组成对11种多溴联苯醚保留时间和响应的影响( a ) 11种PBDEs在不同液膜组成的较长色谱柱上保留时间比较，( b ) 11种PBDEs在不同液膜组成的较长色谱柱上响应值比较，( c ) 11种PBDEs在不同液膜组成的较短色谱柱上保留时间比较，( d ) 11种PBDEs在不同液膜组成的较短色谱柱上响应值比较(1) DB-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm), (2) DB-XLB (30 m×0.25 mm×0.25 μm), (3) DB-35MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm),(4) DB-5MS (15 m×0.25 mm×0.10 μm), (5) DB-XLB (15 m×0.25 mm×0.10 μm)Fig.3 Effect of stationary phase type on retention time and response of 11 PBDEs

表 2 色谱柱型号，品牌及柱参数Table 2 Type, brand and parameter of columns

2.2 色谱柱品牌

不同生产厂家的色谱柱即使有相同的液膜组成，但因其制柱工艺的不同，在进行分析时也可能存在差异.DB-5MS（J&W）、HP-5MS（Agilent）、TR-5MS（Thermo）（如表2所列，柱2、3、4）的液膜组成均为5%苯基-95%聚二甲基硅氧烷.采用3根色谱柱对11种多溴联苯醚分析后发现[如图2（a） （c）（d）所示]，在这3根色谱柱上，可出峰多溴联苯醚单体的保留时间基本相同，说明3个色谱柱液膜的极性基本一致，但在3根色谱柱上的多溴联苯醚的响应相差较大[如图4(a） （b）所示].

图2 11种多溴联苯醚在8根色谱柱上的色谱图比较(a) DB-5MS (30 m×0.25 mm× 0.25 μm), (b) DB-5MS(15 m×0.25 mm×0.1 μm), (c) HP-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm), (d) TR-5MS (30 m× 0.25 mm×0.25 μm),(e) DB-XLB (30 m×0.25 mm×0.25 μm), (f) DB-XLB(15 m×0.25 mm×0.1 μm), (g) DB-35MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm), (h) TR-35MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm)(1) BDE-25, (2) BDE-28, (3) BDE-47, (4) BDE-100, (5) BDE-99, (6) BDE-154, (7) BDE-153, (8) BDE-183, (9) BDE-203,(10) BDE-206, (11) BDE-209Fig.2 Chromatograms of 11 PBDEs on 8 columns

在DB-5MS色谱柱上，11种多溴联苯醚单体都可以出峰，而HP-5MS和TR-5MS这2个色谱柱均无法找到BDE-203、BDE-206、BDE-209的色谱峰，六溴联苯醚BDE-153、BDE-154和七溴联苯醚BDE-183在后两根色谱柱上的响应值下降较多，其值分别为DB-5MS色谱柱上响应的63%，70%和30%[如图4（a）（b）所示].比较液膜极性略强的DB-35MS和TR-35MS色谱柱（如表2所列，柱7、8），在这两根色谱柱上虽然BDE-203、BDE-206、BDE-209仍无响应，但其它多溴联苯醚单体的保留时间和响应值基本一致[如图4（c） （d）所示]，这一结果与弱极性的DB-5MS和TR-5MS的结果有所不同.不同生产厂家的色谱柱的结果表明分析多溴联苯醚时，最主要的影响因素是色谱柱液膜的极性，其次是色谱柱的制柱工艺.

图4 相同液膜组成不同品牌色谱柱对11种多溴联苯醚保留时间和响应的影响( a ) 11种PBDEs在液膜为5%苯基-95%二甲基聚硅氧烷的不同品牌色谱柱上保留时间比较，( b ) 11种PBDEs在液膜为5%苯基-95%二甲基聚硅氧烷的不同品牌色谱柱上响应值的比较，( c ) 11种PBDEs在液膜为35%苯基-65%二甲基聚硅氧烷的不同品牌色谱柱上保留时间比较，( d ) 11种PBDEs在液膜为35%苯基-65%二甲基聚硅氧烷的不同品牌色谱柱上响应值的比较(1) DB-5MS, (2) HP-5MS, (3) TR-5MS, (4) DB-35MS, (5) TR-35MSFig.4 Effect of column from different vendors to retention time and response of 11 PBDEs

2.3 色谱柱长及液膜厚度的选择

采用DB-5MS和DB-XLB这2种液膜组成的色谱柱，分别比较15 m×0.25 mm×0.1 μm和30 m×0.25 mm×0.25 μm 这2种不同柱长和液膜厚度的色谱柱（如表2所列，柱1、2，柱5、6）对多溴联苯醚的影响.采用DB-5MS类色谱柱，结果显示在柱长更短、液膜更薄的柱上，11种多溴联苯醚可以被更快洗脱出来，保留时间相较于在液膜更厚的长DB-5MS色谱柱上变短[如图2（a） （b）所示]，响应值更高[如图5（a） （b）所示].在极性较强的DBXLB色谱柱上，也得到同样的结果[如图5（c） （d）所示].在柱长更短、液膜更薄的DB-XLB色谱柱上，BDE-206和BDE-209均可出峰响应[如图2（e）（f）所示]，其它多溴联苯醚单体的响应均比长柱上有所提高[如图5（c） （d）所示].表明柱长更短，液膜更薄的色谱柱有利于高取代多溴联苯醚的分析.

图5 气相色谱柱长度与液膜厚度对11种多溴联苯醚保留时间和响应的影响( a ) 11种PBDEs在不同长度和液膜厚度的DB-5MS色谱柱上保留时间比较，( b ) 11种PBDEs在不同长度和液膜厚度的DB-5MS色谱柱上响应值比较，( c ) 11种PBDEs在不同长度和液膜厚度的DB-XLB色谱柱上保留时间比较，( d ) 11种PBDEs在不同长度和液膜厚度的DB-XLB色谱柱上响应值比较(1) DB-5MS (15 m×0.25 mm×0.10 μm), (2) DB-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm), (3) DB-XLB (15 m×0.25 mm×0.10 μm),(4) DB-XLB (30 m×0.25 mm×0.25 μm)Fig.5 Effect of column length and stationary phase thickness on retention time and response of 11 PBDEs

3 结论

探讨了气相色谱柱对多溴联苯醚分离和检测的影响.气相色谱柱的极性不仅是影响分离的主要因素，而且会严重影响不同单体，尤其是高取代溴联苯醚的响应.不同品牌的色谱柱明显影响高取代溴联苯醚的响应，而色谱柱长度和液膜厚度也同样严重影响多溴联苯醚的分析灵敏度.多溴联苯醚在环境和生物体中以不同单体形式广泛存在，对其检测分析时，需要以目标为导向，根据基质和分析目标物选择适当的气相色谱条件.根据目前研究结果，进行多溴联苯醚的分析时一般情况下更宜选择液膜极性较小的气相色谱柱，同时需要对不同品牌的色谱柱进行比较.当进行高取代多溴联苯醚分析时，液膜更薄的短色谱柱可以给出较好的分析结果，但同时这类色谱柱的柱效降低更快，一定程度上限制了其使用时限.当分析低取代多溴联苯醚，或进行更多组分分析时，更长的弱极性色谱柱具有更好的分离效果，是更好的选择.