同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法测定氯化石蜡工业品中二噁英

何蕴琛，高丽荣,3，贾天琪，邓静霖，刘文彬,3*

(1.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085；2.中国科学院大学，北京 100049；3.国科大杭州高等研究院, 浙江 杭州 310024)

氯化石蜡(CPs)是一种用途广泛且产量丰富的有机氯化学工业品，它是烷烃的氯化衍生物，按碳链长度分为短链氯化石蜡(SCCPs)、中链氯化石蜡(MCCPs)和长链氯化石蜡(LCCPs)。我国是世界上CPs的主要生产国和出口国之一，年产量近百万吨。由于 2017年《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》(简称POPs公约)将SCCPs列为持久性有机污染物名单[1-4]，CPs的生产和使用引起了广泛关注。

二噁英(PCDD/Fs)是多氯代二苯并二噁英和多氯代二苯并呋喃的统称，它也是POPs公约中一类重要的有机氯污染物，通常在废物焚烧、有机氯化工生产、金属冶炼等过程中产生和排放[5-6]。我国是世界上最大的PCDD/Fs排放国家之一，2018年PCDD/Fs国际毒性当量(TEQ)的排放量为9 267.7 g，其中化学品的生产使用排放PCDD/Fs的TEQ为336.2 g[7]。CPs由石蜡在催化剂或热能的作用下氯化生产而成，由于该生产过程中存在有机物、氯源、热等因素，满足了PCDD/Fs的生成条件，PCDD/Fs可能作为CPs生产的副产物存在于CPs产品中。

PCDD/Fs检测方法中的前处理过程通常是以环境样品(水体、土壤、大气)为基础进行的。由于CPs溶于多数有机溶剂，和PCDD/Fs的性质有一定相似性，因此CPs的去除成为PCDD/Fs分析的难点[8-10]。现建立了同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法测定CPs中PCDD/Fs的方法，实现了定性和定量分析[11]。

1 实验部分

1.1 标准溶液与试剂

标准溶液：PCDD/Fs标准品，13C12标记的 PCDD/Fs 净化内标物(EPA 1613 LCS)和进样内标物(EPA 1613 IS)，均购自加拿大威灵顿实验室。

其他试剂：正己烷(HEX)(农残级，美国Fisher公司)；二氯甲烷(DCM)(农残级，美国Tedia公司)；甲苯(TOL)(农残级，美国Dikma公司)；活性炭(10 g/瓶，美国Supelco公司)；无水硫酸钠(500 g/瓶，天津科密欧公司)。

1.2 仪器及设备

气相色谱(GC)(美国Agilent公司)-高分辨质谱(HR-MS)(美国Waters公司)联用仪，配CTC PAL自动进样器(瑞士CTC Analytics公司)；DB-5色谱柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Agilent公司)。全二维气相色谱(GC-GC)-电子捕获负化学电离源质谱(ECNI-MS)联用仪(美国Agilent公司)，配ZX 2004 环形调制器(美国Zoex公司)。DB-5MS色谱柱(第一维)(30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Agilent公司)，BPX-50色谱柱(第二维)(1 m×0.1 mm×0.1 μm，美国SGE公司)。N-EVAP氮吹仪(美国Organomation 公司)；DT5-4B离心机(北京北利公司)；Hei-VAP旋转蒸发仪(德国Heidolph公司)；PTFE滤膜(0.22 μm×25 mm，天津津腾公司)。

1.3 仪器条件

气相色谱-高分辨质谱联用仪：离子源为EI源，电压为35 eV，离子源温度为270 ℃。采用选择离子监测(SIM)模式，分辨率>10 000。进样方式为不分流进样，进样量为1 μL。载气为氦气，流速为1.2 mL/min。

全二维气相色谱-电子捕获负化学电离源质谱联用仪：采用 SIM 模式。离子源温度为 200 ℃，进样口和传输线的温度为 280 ℃。进样方式为不分流进样，进样量为1 μL。载气为氦气，流速为 0.8 mL/min。柱箱的升温程序为：初始温度 100 ℃下保持 1 min，以 10 ℃/min 升至 140 ℃，然后以 1.5 ℃/min升至 310 ℃，保持 5 min。

1.4 活性炭填料制备

将活性炭(美国CarbopackTM公司)和分散剂(Celite 545，美国Sigma公司)按照18/82(m/m)混合，在摇床上充分混匀后，放入烘箱，在130 ℃下烘6 h，得到活性炭填料备用。

1.5 固体CPs样品净化

经过条件优化后，得到的最佳前处理净化方法如下：称取5 g固体CPs粉末样品，用玻璃棒搅拌至完全溶解于50 mL的DCM和HEX(V/V=1/9)混合溶剂中，加入13C12标记的PCDD/Fs 净化内标物，使用50 ℃水浴旋转蒸发仪将溶液浓缩至10 mL，将溶液离心后，取上层液体经PTFE滤膜过滤得到清液，进一步用活性炭柱进行净化。

取1.5 g活性炭填料和6～8 g无水硫酸钠装填活性炭柱，先后使用30 mL甲苯和30 mL正己烷预淋洗，再用80 mL的HEX和DCM混合溶液(V/V=95/5)洗脱其中的CPs、多氯联苯及多氯萘等组分，最后用100 mL甲苯洗脱PCDD/Fs 。甲苯洗脱液经旋转蒸发仪浓缩至2 mL，再经第2根活性炭柱(装填以及淋洗、洗脱方式均与第1根一致)净化，收集甲苯洗脱液，经旋转蒸发仪浓缩后，使用氮吹仪浓缩至20 μL，加入13C12标记的PCDD/Fs 进样内标物，待测。

1.6 液体CPs样品净化

经过条件优化后，得到的最佳前处理净化方法如下：取5 g黏稠液体CPs样品，溶解于50 mL的DCM和HEX混合溶液(V/V=1/9)混合溶剂中，加入13C12标记的PCDD/Fs 净化内标物，采用与固体CPs样品相似的净化方法，经2根活性炭净化后，加入13C12标记的PCDD/Fs 进样内标物，待测。

2 结果与讨论

为了达到对CPs工业品中所含PCDD/Fs 浓度检测的目标，需要去除CPs基质的干扰，现主要通过提取溶剂优化和双重活性炭柱净化实现。CPs工业品常见有2种性状：氯化度为70%的CPs(70#)，常温下为白色或淡黄色固体粉末；氯化度为42%和52%的CPs(42#和52#)，常温下为浅黄色至黄色的油状黏稠液体。对于液体样品和固体样品采用了不同的前处理净化措施。

2.1 提取溶剂的选择

由于在同一溶剂中，样品中各组分会有不同的溶解度，相同的物质在不同的溶剂中溶解度也不同，因此可以利用组分在不同溶剂中溶解度的差异，去除部分CPs基质的干扰。称取15 g的 70#固体CPs粉末，量取10 mL不同有机试剂溶解CPs粉末，溶解度及未完全溶解部分的性状见表1。

表1 70#固体CPs粉末在不同溶剂中的溶解情况

相对于HEX，CPs在DCM中更易于溶解，选择用HEX和DCM混合溶液作为溶剂，加入CPs溶解后，其中的PCDD/Fs 进入溶剂，经过旋转蒸发后，DCM优先挥发，CPs基质随着溶剂蒸发析出，将PCDD/Fs 保留在剩余溶液中，将剩余溶液进行离心过滤，CPs固体从体系中去除。由表1可见，50 mL 的DCM和HEX混合溶液(V/V=1/9)提取试剂中，5 g CPs样品可以完全溶解。旋转蒸发后，在少量DCM组分中溶解的大量CPs基质去除，而HEX组分中溶解的PCDD/Fs 可最大限度地被浓缩。因此选择DCM和HEX混合溶液(V/V=1/9)作为提取溶剂。

2.2 层析柱填料的选择

由于CPs烷烃的氯代衍生物，因其取代氯原子的数目及位置不同，同类物质可达上万种，会严重干扰PCDD/Fs 的测定分析，因此需要采用层析柱净化，以达到PCDD/Fs 与CPs基质分离的目的。为量化体现出层析柱净化过程对样品中CPs基质的去除效果，考虑到SCCPs本身浓度不高，LCCPs检测难度较高，因此选择MCCPs作为指示物，采用全二维气相色谱-电子捕获负化学电离源质谱联用仪进行分析。

层析色谱柱法对PCDD/Fs 的处理具有高效净化的作用，常见的填料包括氧化铝、弗罗里硅土和活性炭等。氧化铝可以单独用来去除一些弱极性物质的干扰，偏向于保留芳香族和脂肪胺类等富电子化合物，因此常用于PCDD/Fs 的分离[12-13]，但是在湿度较大的情况下，氧化铝不稳定，吸水后容易失活，会大大影响PCDD/Fs 的分离效果。弗罗里硅土由于其粒径大，允许大体积样品快速流过，在检测脂肪含量高的样品时有显著优势，因此不适用于大分子含量少的样品[14]。活性炭的非极性吸附作用以及对共平面物质的保留性强，可以将含有PCDD/Fs的组分和CPs组分分离开，减少对PCDD/Fs测定的干扰。因此，针对PCDD/Fs与多氯联苯等组分的测定，层析色谱柱的填料常采用活性炭[14-15]。经过合理装填，活性炭层析柱对CPs基质的去除效率见表2。

表2 CPs样品中MCCPs基质去除效果

由表2可见，固体CPs样品经过溶剂提取，MCCPs基质被大量去除；经第1根活性炭柱净化后，MCCPs基质在HEX和DCM混合溶液(V/V=95/5)中剩余1.5%；经第2根活性炭柱净化后，未检出MCCPs基质，以MCCPs测算的去除率达到100%。液体CPs由于完全溶解后，基质剩余部分处于胶状，因此不能被完全去除；经第1根活性炭柱净化后，MCCPs基质在DCM和HEX混合溶液(V/V=1/9)中剩余53.2%；经第2根活性炭柱净化后，MCCPs基质仅剩余1.8×10-7%，以MCCPs测算的去除率达到99.999 999%。由上可见，经过活性炭柱净化后，固体和液体CPs样品中的基质都显著减少。

2.3 色谱条件与质量控制

样品前处理前，加入13C12标记的2,3,7,8位氯取代的PCDD/Fs类毒性同系物，由于13C12标记的化学性质与被分析组分的化学性质一致，在样品前处理过程中损失是相同的，最后根据内标物对样品中17种2,3,7,8位氯取代的PCDD/Fs类毒性同系物进行定量分析。17种PCDD/Fs类毒性同系物的定性条件是，待测物质的保留时间需要在可利用的同位素内标物保留时间的0.02 s范围内，2个监测的选择离子的同位素比值在理论比值的15%范围内。根据实验部分的仪器条件，得到的17种2,3,7,8位氯取代的PCDD/Fs同系物出峰顺序及出峰时间见图1。

图1 PCDD/Fs单体分离色谱图

检出限(LOD)定义为 3倍的信号噪音比值，研究中各物质的检出限为0.1～3 pg/g。在仪器进样前，加入13C12-1234-TCDD (四氯二苯并二噁英)和13C12-123789-HxCDD(六氯代二苯并呋喃)这2种内标物，计算回收率，结果见表3。由表3可见，15种13C12标记的PCDD/Fs内标物在固体CPs样品中回收率为31.7%～70.5%，因液体CPs样品的前处理过程不存在过滤步骤，因此在液体CPs样品中的回收率更高，为50.9%～97.2%，均满足《水质 二噁英类的测定 同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱法》(HJ 77.1—2008)标准中对提取内标回收率的要求。在固体与液体CPs样品中均发现13C12-2378-TCDF(四氯代二苯并呋喃)的回收率偏低；在固体样品中，5,6,7位氯取代的PCDD/Fs同系物之间回收率差异较小，而在液体样品中，PeCDD(五氯代二苯并二噁英)以及PeCDF(五氯代二苯并呋喃)的回收率都达到90%以上。OCDD(八氯代二苯并二噁英)在液体CPs样品中的回收率优于在固体中的回收率。相较于多氯代二苯并呋喃，多氯代二苯并二噁英同系物具有更好的回收率。

表3 PCDD/Fs内标物在CPs样品中的回收率 %

2.4 实际样品分析

筛选全国6家典型化工产品公司，分别采集粉末状固体CPs(70#)以及黏稠状液体CPs(52#)共6个样品。采用上述方法检测CPs中的PCDD/Fs，结果见图2。由图2可见，6个样品中均检出不同质量分数的PCDD/Fs，实测质量分数为15.8～282.7 pg/g。

图2 CPs样品中PCDD/Fs检出情况

3 结论

采用同位素稀释高分辨气相色谱-高分辨质谱联用技术分离并检测了17种高毒性PCDD/Fs同系物。通过筛选溶剂，去除部分CPs基质，采用双活性炭柱净化样品，固体和液体CPs以MCCPs测算的去除率分别为100%和99.999 999%。运用该方法测定6个CPs实际样品，均检出不同质量分数的PCDD/Fs，毒性当量范围为0.69～28.9 pg/g，内标回收率为31.7%～100%，能够满足国家标准方法对PCDD/Fs检测的要求。