基于GC-MS的工作场所空气中4种氯苯化合物的高灵敏同时检测

尹雪花 颜海龙2 陈 阳 李元星

(1. 湖南有色冶金劳动保护研究院， 长沙 410014； 2. 香港中文大学(深圳)， 深圳 518172)

氯苯化合物，指苯环上只含氢、氯原子的单环芳香族化合物，理化性质稳定，有较强的气味，被视为一种非天然化合物。同时，自然界缺乏可降解氯苯化合物的生物酶，阻碍了其分解与代谢，易在体内累积。研究发现，与非取代芳香烃相比，氯苯化合物的分子结构引入强电负性的氯原子，导致苯环电子云密度降低，生物氧化困难，可降解性差，因而氯苯化合物在自然环境中难以实现有效的分解[1]。作为电子、化工及医药等多个行业广泛使用的有机物质，氯苯化合物具有广泛性、高毒性、易挥发等特点，属于持久性有机污染物[2]。同时，氯苯化合物具有较强的生物累积性，能够在特定的器官中蓄积，进而损害人体肝脏和肾脏等主要代谢功能器官，甚至存在致癌、致畸、致突变等严重后果[3]。目前，1，4-二氯苯已被世界卫生组织和国际癌症研究机构认定为可疑致癌物质，国家卫生部发布的《工作场所有害因素职业接触限值》中明确规定空气中氯苯化合物的浓度不得高于50mg·m-3 [4]。因此，发展一种针对空气中低浓度氯苯化合物的高灵敏检测方法是极其重要的。

迄今为止，氯苯化合物检测方法的研究报道主要集中在土壤与水样领域[5-9]。工作场所空气中氯苯化合物检测的有关研究报道较少，且局限于常规气相色谱法[10-14]。然而，常规气相色谱法通常以保留时间对目标物进行定性分析，操作时具有一定的复杂性，难以满足事故现场空气中氯苯化合物的快速、准确检测。气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometer，GC-MS)技术具有快速定性、操作简单、重现性好、精密度高等优点，从性能上比较，气相色谱-质谱联用法定性远比气相色谱法可靠，且由于自身能降低化学噪音，其检测灵敏度也远高于常规气相色谱法[15，16]，为发展工作场所空气中氯苯化合物的实际检测方法打下了基础。目前，气相色谱-质谱联用技术被广泛应用于环境分析、药物检测、司法鉴定等领域[17]，而在职业卫生检测领域的应用范围仍相对较窄，同时，基于气相色谱-质谱联用技术检测工作场所空气中多种氯苯化合物的研究尚未见报道。

基于此，本研究发展了一种基于GC-MS的工作场所空气中氯苯化合物的高灵敏同时检测新方法。通过优化实验条件，本研究实现了对实际样品中4种氯苯化合物(氯苯、1，2-二氯苯、1，4-二氯苯、1，2，4-三氯苯)的高灵敏同时测定。

1 实验部分

1.1 试剂

1，2-二氯苯标准溶液(1000 μg·mL-1，ST-018-03Y-25Y)、1，2，4-三氯苯、1，4-二氯苯、氯苯标准溶液(1000 μg·mL-1，ST-017-12Y-85Y)均购自中国四川SITAER公司；氯苯质量控制样品(10.02 ± 0.52 μg·mL-1，CR-Y17-Y16-07X)、1，2-二氯苯质量控制样品(53.6 ± 2.3 μg·mL-1，CR-Y18-Y18-09X)、1，4-二氯苯质量控制样品(10.03 ± 0.53 μg·mL-1，CR-Y17-Y16-07X)、1，2，4-三氯苯质量控制样品(9.78 ± 0.48 μg·mL-1，CR-Y17-Y16-07X)均购自韩国Chem Round公司；甲醇(色谱纯)、苯(色谱纯)、甲苯 (色谱纯)、对硝基氯苯(色谱纯)均购自天津市光复精细化工研究所；1，3-二氯苯(分析标准品)、1，2，3-三氯苯(分析标准品)均购自阿拉丁(上海)；环己烷 (色谱纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)；丙酮(色谱纯，天津市化学试剂研究所)；1，3，5-三氯苯(色谱纯，国药集团化学试剂有限公司)；二硫化碳(色谱纯，CNW Technologies，德国)。以上试剂均可从商业途径获得。

实际空气样品采自本市某化工厂(湖南长沙)，于4℃条件下保存，24 h内测定。

1.2 仪器

气相色谱仪(Clarus680，Perkin Elmer，美国)；气相色谱-质谱联用仪(GCMS-QP2010SE，Shimadzu，日本)，带AOC-20s型自动进样器；高纯氦气(纯度99.999%)；毛细管色谱柱(Rtx-1701型，30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)；具塞解吸瓶(2 mL，Shimadzu)；活性炭管(装填100 mg / 50 mg活性炭，江苏盐城)；振荡器(XY-5A，常州越新仪器制造有限公司)；空气采样器(QC-4S，0.1-1.5 L·min-1，北京劳动保护科学研究院)。

1.3 色谱条件

升温程序：初温设置为55 ℃，以8 ℃·min-1升温至80 ℃，再以15 ℃·min-1升至170 ℃；进样口温度为200 ℃；分流，分流比10∶1；流量采用压力控制方式；载气总流量为13.2 mL·min-1；柱流量为0.93 L·min-1；线速度为35.0 cm·sec-1；吹扫流量为3.0 mL·min-1。

1.4 质谱条件

离子源温度设置为200 ℃；接口温度为250 ℃；溶剂延迟时间为1.3 min。GC Solution工作站进行数据后处理。

1.5 标准溶液配制

取混合标准溶液(含氯苯、1，4-二氯苯、1，2，4-三氯苯)1 mL、1，2-二氯苯标准溶液1 mL于2 mL容量瓶中，得浓度为500 μg·mL-1的标准储备液，于4℃避光处保存。将上述溶液稀释成一定浓度梯度的标准系列。

1.6 标准曲线绘制

选择适当的选择离子扫描模式(selected ion scanning mode，SIM)，对标准系列溶液依次进样测定，提取定量离子，获取的峰面积为纵轴，氯苯化合物浓度为横轴，制作标准曲线(y=Ax+B，式中y代表峰面积，x代表浓度)。

1.7 解吸溶剂选择

选取实验室常用的6种解吸溶剂(甲醇、丙酮、环己烷、苯、甲苯、二硫化碳)为实验对象，分别测定其对氯苯化合物的解吸性能。用微量注射器向6组活性炭管中分别注入20 μL的氯苯化合物标准储备液(500 μg·mL-1)，吸附1 小时，随后用空气采样器对吸附后的炭管模拟采样(0.2 L·min-1，15 min)。采毕，将采样管中活性炭全部转移至溶剂解吸瓶中，分别用1 mL甲醇、丙酮、环己烷、苯、甲苯、二硫化碳进行解吸，所得解吸液在最佳分析条件下进样测定，考察不同解吸溶剂对4种氯苯化合物的解吸效能。

1.8 样品的采集和处理

在特定工作场所采集3 L空气(0.2 L·min-1)，采样后立即封闭活性炭管两端，采样注意事项参照GBZ 159—2004[18]。将已吸附样品的活性炭管参照GBZ/T 300.81—2017标准进行解吸[19]。解吸液在与标准品均在相同条件下测定。

2 结果与讨论

2.1 关键分析条件的优化

分离效果和分析时间主要通过调节色谱柱箱温度来优化。待测的4种氯苯化合物的分子质量与极性各不相同，为了尽可能缩短分析时长、确保各组分得到良好分离，本研究采用程序升温。在最佳的程序升温条件下，沸点较低的氯苯最早分离出来，随着温度的升高，沸点较高的组分如1，2，4-三氯苯随后依次分离出来，且峰形良好。实验表明，本方法的最佳升温程序为：初温为55 ℃，以8 ℃·min-1升至80 ℃，再以15 ℃·min-1升至170 ℃。进样口温度影响目标化合物的信号值。在样品不被分解的前提下，可适当提高汽化温度，以利于目标物的分离和定量[20]。经优化，最佳进样口温度为200 ℃，离子源温度为200 ℃，接口温度为250 ℃。在上述条件下，在m/z= 30～450范围内，未见目标物的分解产物，表明目标化合物不会因高温发生分解，质谱图见图1。同时，各氯苯化合物的分离效果良好(图2)。

图1 4种氯苯化合物的质谱优化结果

质谱全扫描可以获得丰富的质谱信息，选择性离子扫描则更具有针对性，且灵敏度更高。本研究利用这两方面的优势来定性定量[16]。在上述最佳色谱条件下，以1666 amu·s-1的扫描速度，在m/z= 30～450范围进行全扫描(Scan)，确定目标氯苯化合物的保留时间、定量离子(最佳定量离子、辅助定量离子)，实现定性检测(图2)。利用选择离子扫描，选取最优选择离子参数。设置选择离子扫描方式，用于高灵敏定量(表1)。

图2 定性总离子流图

表1 保留时间与定量离子

2.2 线性及灵敏度

标准系列在前述最佳条件下进行测定。以响应的峰面积值为y值、组分的浓度值为x值，绘制标准曲线。标准系列浓度梯度为0 μg·mL-1，12.5 μg·mL-1，62.5 μg·mL-1，125 μg·mL-1，250 μg·mL-1，信号峰面积与组分浓度表现出良好的线性关系，且相关系数(R)均大于0.9997，如图3所示。

图3 组分浓度与信号峰面积之间的线性关系

此外，选取空白样品的3倍信噪比浓度作为方法检出限(LOD)：氯苯0.07 μg·mL-1、1，4-二氯苯1.84 μg·mL-1、1，2-二氯苯2.40 μg·mL-1、1，2，4-三氯苯3.44 μg·mL-1。方法检出限表明，由表2可知，各组分的LOD在SIM模式下的均低于其Scan模式及常规气相色谱仪的。这是质谱技术固有的优势，其利用高能电子束轰击待测组分，抓取物质结构的碎片离子信息，在一定条件下每种化合物都有其特定的离子碎片谱图，将其谱图与标准谱图进行对比即可实现物质的准确、快速定性。以待测物中特定离子的强度为依据，同时选取若干参比离子作为定量校正手段，以消除杂离子干扰，实现质谱定量检测[16]。本研究利用了选择性质谱的独特优势，成功实现了上述4种氯苯化合物的高灵敏检测。

表2 3种方法对4种氯苯化合物的检出限

2.3 不同溶剂的解吸效率

最佳解吸溶剂是通过考察实验室几种常见有机溶剂对活性炭中氯苯化合物解吸的效率来确定的，实验结果见图4。结果表明，解吸效率(用回收率R%表示)从低到高依次排序为：甲醇、丙酮、环己烷、苯、甲苯、二硫化碳。甲醇对活性炭上氯苯化合物几乎无解吸能力(R% < 0. 7%)，效率最低。丙酮、环己烷的R%均在8%以下，且对1，2，4-三氯苯解吸能力弱；苯、甲苯对氯苯、1，4-二氯苯、1，2-二氯苯的R%在 69.1%～89.2% 之间，但对1，2，4-三氯苯的解吸效果较低(R% < 50%)，且苯、甲苯对操作人员的毒性较大，也不宜作为解吸溶剂。二硫化碳对4种氯苯化合物均具有高效、稳定的解吸能力(R% > 90%)，且毒性相对较小，故本研究选取二硫化碳作为最佳的解吸溶剂。

图4 不同溶剂对氯苯化合物的解吸效率研究

2.4 准确度

方法的准确度通过测定Chem Round公司生产的质量控制样品来评价。取4种氯苯化合物的质量控制样品，进行解吸与测定，取3次采集的平均值，结果见表3。本方法的测定结果均在可控范围内，且准确度明显优于气相色谱法，说明此方法准确度高，检测结果可靠，适用于实际样品的检测。

表3 4种氯苯化合物的检测准确度研究

2.5 精密度

用储备液配制浓度为25 μg·mL-1、50 μg·mL-1、100 μg·mL-1的3组溶液，每组进行7次平行测定，计算相对标准偏差(RSD)，结果见表4。各物质的3种浓度的检测结果重现性较高，RSD均在2%以内，表明本研究方法精密度良好。

表4 4种氯苯化合物的检测精密度研究

2.6 抗干扰性

通过检测与目标物的结构、性质类似的氯苯化合物干扰物来进行评价方法的抗干扰性。干扰物包括：1，3-二氯苯、1，2，3-三氯苯、1，3，5-三氯苯、对硝基氯苯。目标物和干扰物浓度均为125μg·mL-1。结果表明，干扰物对目标氯苯化合物的检测结果均无干扰(图5)，该方法拥有良好的抗干扰性。

图5 4种氯苯化合物的检测抗干扰性研究

2.7 实际样品检测

为了评价该方法在实际样品检测中的适用性，从本市某化工厂采集了作业场所的空气样品，并对其中的氯苯、1，4-二氯苯、1，2-二氯苯、1，2，4-三氯苯进行了检测。在现场利用活性炭管，采集3L空气。样品经二硫化碳解吸后，在上述最优条件下测定。在所取样品中检出了氯苯、1，4-二氯苯、1，2-二氯苯及1，2，4-三氯苯，且含量与现场实际情况相符，结果见图6，说明该方法能够用于实际空气样品中氯苯化合物的检测与分析。

图6 实际样品总离子流图

3 结论

本研究致力于解决工作场所空气中氯苯、1，4-二氯苯、1，2-二氯苯、1，2，4-三氯苯的气相色谱传统检测方法定性方法复杂、分离不完全、采样耗时费力及检测灵敏度低等短板，首次成功建立了以上针对4种氯苯化合物的高灵敏同时测定的气相色谱质谱联用新方法。研究表明，在最优条件下，相较于传统的气相色谱法，该方法更为简单快捷、其检出限更低、精密度更高、准确性更好，且采样及分析过程也更简便、成本更低。该方法为实现空气中多种挥发性有机物的同时、高灵敏检测提供了一种有效的分析方法与参考依据。