静态顶空-气相色谱-质谱法测定烟用丝束中丙酮残留量
2020-01-14王加忠姬厚伟赖东辉
罗 熹， 云 雪， 王加忠， 姬厚伟， 赖东辉， 刘 剑
(贵州中烟工业有限责任公司技术中心， 贵州 贵阳 550009)
丙酮作为一种常用的工业溶剂，在烟用二醋酸纤维丝束生产过程中主要被用来将二醋酸纤维素片溶解成浆液，经过一系列工序加工成产品[1]。由于烟用二醋酸纤维丝束具有特殊的形态结构和化学组成，使其完全去除残留的丙酮较为困难，而烟用二醋酸纤维丝束作为卷烟滤嘴主要生产加工原料，其中的丙酮又具一定的危害[2]，其在丝束中的残留会直接影响到卷烟的吸食安全。行业标准YC/T 26-2008明确规定：残留丙酮量应≤0.3%[3]，但YC/T 169.10-2009所规定的残留丙酮的检测方法较为繁琐、耗时，已不能满足当前检测需求[4]，因此寻求快速、简便、准确的检测方法尤为重要。目前丙酮含量的测定方法主要有气相色谱[5-7]、气相色谱-质谱法[8-9]、高效液相色谱法[10-11]及激光光谱法[12]等。高效液相色谱法通常需要衍生化，较为繁琐。目前使用较多的是气相色谱法，因丙酮低沸点的特点，溶剂萃取的前处理方法逐渐被顶空[13-15]、吹扫捕集[16]、吸附管采集[17]、顶空固相微萃取[18-19]和顶空液相微萃取[20]等方法取代。而静态顶空分析(Static headspace，SHS)是在密闭容器中和一定温度下，试样中的挥发性有机化合物在气相和基质(液相或固相)之间达到平衡时，将气相部分导入仪器分析的一种前处理手段[21-22]，因其快速、高效及无需复杂的样品前处理，近年来在食品、医药和化工等多领域得到广泛应用[23]。针对现有烟用丝束中残留丙酮含量分析方法的不足，笔者等将SHS与气相色谱-质谱(GC-MS)结合，以建立一种简便、准确、快速检测烟用丝束中残留丙酮含量的分析测定方法，旨在为烟用丝束的产品质量安全提供技术支撑。
1材料与方法
1.1材料
试验材料：烟用二醋酸纤维丝束，贵阳卷烟厂提供。
试剂：丙酮(99%，北京百灵威科技有限公司)，三乙酸甘油酯(AR，国药集团化学试剂有限责任公司)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(HPLC，北京百灵威科技有限公司)，二甲基亚砜(DMSO)(HPLC，北京百灵威科技有限公司)。
仪器：TriplusRSH-Trace1310-ISQLT型气相色谱-质谱联用仪(美国thermofisher公司)，ML204型电子分析天平(感量：0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司)，Milli-Q Integral纯水/超纯水系统(德国默克公司)，移液枪1 000 μL(美国eppendorf公司)。
1.2方法
1.2.1标准溶液配制准确称取丙酮0.3 g(精确至0.1 mg)置于50 mL容量瓶中，再以三乙酸甘油酯配制定容，配制成浓度为6 mg/mL的标准储备液。
系列标准工作溶液以三乙酸甘油为溶剂。分别取5 mL、2 mL、1 mL的标准溶液储备液于3个50 mL容量瓶中，用三乙酸甘油酯定容，摇匀，分别得到0.6 mg/mL、0.24 mg/mL、0.12 mg/mL的标准工作溶液。分别取5 mL、3 mL、1 mL的0.6 mg/mL的标准工作溶液于3个50 mL的容量瓶中，用三乙酸甘油酯定容，摇匀。分别得到0.06 mg/mL、0.036 mg/mL、0.012 mg/mL的标准工作溶液。
1.2.2仪器工作条件
1) SHS条件。样品平衡温度80℃，样品环温度160℃，传输线温度180℃；样品平衡时间20 min。样品瓶加压压力130 Kpa，加压时间0.20 min，充气时间0.5min。样品环平衡时间0.2 min，进样时间1.0 min。
2) GC-MS条件。色谱柱为TG-624 毛细管柱(60 m×0.32 mm×1.8 μm)，进样口温度180℃，载气为高纯氦气(99.999%)，流速1.0 mL/min(恒流模式)，分流比为10∶1。升温程序：40℃保持2 min，以4℃/min的速率升温至80℃，再以30℃/min的速率升温至200℃，保持10 min。传输线温度280℃，离子源温度290℃，溶剂延迟5 min。电离方式为EI源，电离能量70 eV。扫描方式：全扫描(Scan)和选择离子检测(SIM)。
1.2.3目标检测物的定性与定量采用比较保留时间、标样加入法定性，SIM模式下外标法定量。其中丙酮的保留时间为7.74 min，定量离子m/z为43，辅助定性离子m/z为58。
1.2.4基质校正剂选择为能有效地消除样品的基质效应，准确地进行定量分析，选择定量分析样品与标准溶液具有相同的基质。试验以水、三乙酸甘油酯、DMF和DMSO溶剂为基质校正剂，考察不同基质校正剂对气相色谱-质谱联用仪响应面积的影响。
1.2.5顶空条件的优化
1) 平衡时间的选择。将0.12 mg/mL丙酮标准溶液1 mL加入到0.1 g丝束样品中，平衡温度为80℃，平衡时间分别为5 min、10 min、15 min、20 min和25 min，进色谱柱进行检测，考察不同平衡时间对丙酮含量的影响。
2) 平衡温度选择。将0.12 mg/mL丙酮标准溶液1 mL加入到0.1 g丝束样品中，平衡时间20 min，平衡温度分别为50℃、60℃、70℃、80℃和90℃，进色谱柱进行检测，考察不同平衡温度对丙酮含量的影响。
1.2.6试样重量选择由于顶空瓶体积是固定的，样品称取量的大小决定其占有顶空瓶中的体积大小，其将直接影响待测组分的分配系数，也直接影响顶空分析灵敏度。样品量越大待测组分的分配系数越小，则样品体积波动所造成的结果误差就越大；反之，影响就越小。因此通过不同称样量对比分析，确定最佳称样量。分别称取0.05 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g和0.3 g丝束样品于顶空瓶中，加入1 mL三乙酸甘油酯，进行SHS-GC-MS分析，考察不同试样重量对丙酮响应面积的影响。
1.2.7方法学考察
1) 工作曲线及检测限。分别对6个不同浓度的标准溶液(0.6 mg/mL、0.24 mg/mL、0.12 mg/mL、0.06 mg/mL、0.036 mg/mL和0.012 mg/mL)进行SHS-GC/MS分析，采用外标法定量，用丙酮色谱峰面积对其质量浓度进行回归分析，得到回归方程及其相关系数，其中y为目标化合物色谱峰峰面积，x为相应目标化合物质量浓度。检出限(LOD)和定量限(LOQ)分别是采用3倍信噪比和10倍信噪比计算。
2) 回收率和重复性。在已知浓度样品(0.06 mg/mL)中分别加入0.01 mL、1.2 mg/mL、3.6 mg/mL、6 mg/mL的丙酮溶液，采用SHS-GC-MS法测定相应的丙酮并进行回收率和重复性测定，每个质量浓度水平测定6次(n=6)，并根据测定量、加标量和原含量计算回收率。
1.2.8样品的测定选取不同的5种样品进行检测，称取一定量的样品置入20 mL顶空瓶中，在筛选的最佳条件下进行测定。
式中:X为试样中丙酮残留量(mg/g)，C为标准工作曲线上读取的试样溶液中丙酮的浓度(mg/mL)，C0为标准工作曲线上读取的空白试验中丙酮的浓度(mg/mL)，V为基质校正剂的体积(mL)，m为试样的质量(g)。
2结果与分析
2.1烟用丝束中的丙酮色谱形态
由图1可知，待测物的色谱峰峰形良好，无干扰峰，达到基线分离，能满足定量分析的要求。
图1标准样品(A)和试验样品(B)选择离子色谱图
Fig.1 Selected ion chromatogram of standard sample (A) and test sample (B)
2.2不同基质校正剂对气相色谱-质谱联用仪响应面积的影响
从图2可知，在顶空温度为80℃，三乙酸甘油酯作为基质校正剂时，气相色谱-质谱联用仪响应面积最大，水作为基质校正剂的响应面积最低。可能是在80℃下水不能溶解丝束形成均匀液体，而三乙酸甘油酯、DMF和DMSO均可在平衡温度下将丝束溶解并形成均匀液体，使丙酮更容易扩散出来形成气液平衡，而三乙酸甘油酯作为校正剂待测物的响应面积略高于DMF和DMSO的响应面积。因此，选用三乙酸甘油酯作为基质校正剂。
图2 不同顶空校正剂的气相色谱-质谱联用仪的响应面积
Fig.2 Response area of SHS-GC-MS under different matrix correction agents
2.3不同顶空条件对丙酮含量的影响
2.3.1平衡温度从图3可知，丙酮的响应随平衡温度的升高而增大。为避免温度越高对色谱柱造成的负担和其他挥发性成分的干扰，同时保证目标分析物的灵敏度，选择80℃作为顶空平衡温度。
图3不同顶空条件下的丙酮含量
2.3.2平衡时间从图3可知，在试验条件下，丙酮响应色谱图峰面积平衡时间10～20 min略有上升，20～25 min略有下降。由于丙酮沸点较低，易挥发，相对平衡时间影响较小，当平衡时间为20 min时，即可在气相和基质之间达到平衡。因此，选择平衡时间为20 min。
2.4不同试样质量的丙酮响应面积
由图4可知，当称样量由0.05 g增加到0.15 g时，丙酮的响应面积呈线性增加，而0.15 g增加到0.3 g时，丙酮的响应面积增加趋缓，主要是由于随着称样量增加，待测组分的分配系数越小，丙酮气液分布逐渐达到饱和所导致。因此，选择0.1 g称样量较为合适。
图4 不同试样质量的丙酮响应面积
2.5工作曲线及方法的检测限、回收率和精密度
2.5.1工作曲线及方法的检测限经检测与计算，烟用丝束中丙酮的线性回归方程为y=-126 470+192 812 000x相关系数r=0.999 8，检出限(LOD)为0.12 μg/g，定量限(LOQ)为0.4 μg/g，测定方法具有较好的线性关系和较高的灵敏度。
2.5.2加标回收率、精密度从表1可知，在已知浓度样品中加入低(0.012 mg)、中(0.036 mg)、高(0.06 mg)浓度标准溶液的加标回收率为102.22%～120.56%，相对标准偏差RSD为2.03%～4.13%，表明测定方法的准确性和精密度较好。
表1丙酮的加标回收率和精密度(n=6)
2.6样品中的丙酮含量
随机抽取5个样本进行测定，其丙酮含量分别为0.37 mg/g、0.46 mg/g、0.20 mg/g、0.10 mg/g和0.41 mg/g。可见，被检测样品均未超标，满足生产需求。
3结论
试验通过对顶空基质校正剂、顶空平衡温度和时间、试样重量等条件的优化选择，建立了烟用丝束中残留丙酮含量的静态顶空-气相色谱-质谱联用方法。最终确定以三乙酸甘油酯作为基质校正剂，样品经80 ℃、20 min静态顶空后，采用TG-624柱，GC-MS/选择离子监测(SIM)模式检测，外标法定量。该方法加标回收率为102.22%～120.56%，相对标准偏差RSD<4.13%，具有重复性好、准确性高、快速灵敏等特点，同时该方法避免了低沸点待测物溶剂萃取步骤繁琐、耗时且溶剂萃取时容易导致待测物损失的缺陷，适合于烟用丝束中残留丙酮含量的测定。
