全二维气相色谱－飞行时间质谱测定PBAT生物降解膜中挥发性有机物

崔 欢，高维常，刘艳霞，李洪勋，周淑平，陈文生，蔡 凯*

（1．贵州师范大学 贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵州 贵阳 550001；

2．贵州省烟草科学研究院，贵州 贵阳 550081）

近年来，塑料残留污染所带来的安全性问题备受关注，由聚乙烯、聚丙烯为原料人工合成的传统农用地膜很难在自然条件下降解，并以碎片的形式长时间存在于环境中。地膜长期残留会造成土壤板结，影响作物根系的生长发育，导致农作物减产等问题［1］。高分子聚合物聚己二酸－对苯二甲酸丁二酯（PBAT）生物降解膜是一种能在1～2个植物生长周期内完全被微生物降解的新型地膜，是一种能从源头上攻克聚乙烯或聚丙烯残膜污染的技术，在农业生产中具有广泛的应用前景［2］。虽然PBAT纯料的化学结构（如图1）中无毒性单元，且表现出环境无毒性，但在PBAT生物降解膜生产过程中，不可避免地存在不同程度的溶剂或挥发性物质添加，可在较低温度下释放到空气中，从而产生较大气味，威胁环境和人类健康［3］。因此，有必要建立PBAT生物降解膜中挥发性有机物（VOCs）的组成与含量的分析方法。

图1 PBAT的结构式Fig．1 Chemical structure of PBAT

传统塑料中VOCs定性与定量分析主要采用液－液萃取（LLE）、固相萃取（SPE）、顶空固相微萃取（HS－SPME）等前处理方法［4-5］，其中HS－SPME集采样、萃取、浓缩和进样于一体，具有处理时间短，样品用量小，操作可自动化，无需有机溶剂等优点，被应用到越来越多的分析领域［6-8］。目前，塑料中VOCs的检测方法主要有气相色谱法（GC）［9］及气相色谱-质谱联用法（GC－MS）［10］，但这些方法检测复杂基质时通常会出现严重的峰重叠，且灵敏度低，可检测物质偏少。全二维气相色谱－飞行时间质谱（GC×GC－TOF MS）技术的出现极大地提高了样品分离度，且能够获得化合物碎片离子的精确质量和结构信息［11］。基于此，本研究利用HS－SPME结合GC×GC－TOF MS测定了PBAT生物降解膜中的55种主要VOCs（包括苯系物21种、萘类11种、醛酮类8种、醇类4种、酯类3种、茚类2种、胺类2种、酚类1种、其它类3种），并分析了不同PBAT生物降解膜中VOCs的差异。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

GC×GC－TOF MS由Agilent 7890A气相系统、Zoex Zx－1环形调制器（美国Zoex公司）、Zoex Fas－TOF高分辨飞行时间质谱（美国Zoex公司）以及多功能自动进样器（瑞士CTC公司）组成；固相微萃取仪（美国Supelco公司）；固相微萃取纤维头：聚二甲基硅氧烷－二乙烯基苯（PDMS－DVB）、聚二甲基硅氧烷－二乙烯基苯－碳分子筛羧乙基（PDMS－DVB－CAR）、聚二甲基硅氧烷－碳分子筛羧乙基（PDMS－CAR）、聚丙烯酸酯（PA）、聚乙二醇（PEG）（美国Supelco公司）。乙腈（色谱纯）及内标乙酸苯乙酯（纯度＞98%）均购于Sigma公司。

1.2 标准溶液配制

精确称取22．9 mg乙酸苯乙酯，用乙腈溶解并定容至100 mL容量瓶中，稀释10倍得22．9μg/mL乙酸苯乙酯溶液，置于4℃冰箱保存，备用。

1.3 样品前处理

将PBAT生物降解膜粉碎至2 mm×2 mm碎片，精确称取50．0 mg于22 mL顶空样品瓶中，加入1μL乙酸苯乙酯内标，密封后用多功能自动进样器在80℃平衡10 min进行顶空固相微萃取，以固相微萃取纤维头（PDMS－DVB－CAR）顶空吸附40 min，萃取完毕后在260℃解吸3 min，待分析。

1.4 全二维气相色谱－飞行时间质谱条件

色谱条件：一维柱为DB－5MS石英毛细管柱（30 m×0．25 mm，1．0μm），二维柱为BP－50石英毛细管柱（1．5 m×0．1 mm，0．1μm）；程序升温：初始温度60℃，保持2 min，以3℃/min升至240℃，保持1 min；进样口压力：初始压力0．207 MPa，保持2 min，以2．07 kPa/min升至0．331 MPa，保持1 min；样品运行时间：63 min；进样口温度：260℃；进样模式：不分流进样；吹扫时间：3．5 min；调制周期：7 s；持续周期：300 ms；热喷口温度：370℃；冷喷口流速：18 L/min；热喷口压力：0．275 MPa。

质谱条件：EI电离源，电离电压：70 eV；离子源温度：280℃；传输线温度：300℃；质量扫描范围m/z50～500；分辨率：4 000，FWHM（半峰全宽）；采集频率：100 Hz。谱图采用GC Image软件分析，通过NIST17谱库检索并结合目标物的准确分子量、特征离子碎片峰对VOCs进行鉴定，采用乙酸苯乙酯按照校正因子F=1进行内标法相对定量。

2 结果与讨论

2.1 HS－SPME条件优化

2.1.1 萃取纤维头的优化 固相微萃取纤维头是影响HS－SPME萃取效率的重要因素之一［12］。实验考察了不同类型5种萃取纤维头（PDMS－DVB、PDMS－DVB－CAR、PDMS－CAR、PA、PEG）对萃取效率的影响。结果显示，PDMS－DVB－CAR萃取纤维对大部分VOCs具有更高的吸附性，萃取效率最高。这是因为PDMSDVB－CAR为中等极性、高度交联涂层，能兼顾各类化合物，更有利于复杂VOCs的吸附。其余4种涂层对分子的大小、极性强弱各有偏重。其中，PDMS－CAR对烷烃及醛酮类化合物具有较高选择性，PA对酸类和醛酮类化合物具有较高选择性，PDMS－DVB对烷烃、烯烃和醛酮类化合物具有较高选择性，PEG更适用于极性物质的萃取。基于本研究中低极性VOCs种类较多，因此选择综合性更强的PDMS－DVB－CAR为最佳萃取纤维头。

2.1.2 平衡温度的选择 固相微萃取中样品的提取和富集是一个动力学过程，样品中各相分配系数决定萃取效率。在选择平衡温度条件时，温度不宜过高也不宜过低［13］，实验考察了平衡温度分别为60、70、80、90℃时对萃取效率的影响。结果显示，PDMS－DVB－CAR随着平衡温度的升高，顶空瓶中蒸气压逐渐增加，顶部空间中VOCs浓度增大，萃取效率明显提高。但由于吸收和吸附均为放热过程，当平衡温度达到90℃时，虽有利于高沸点化合物的蒸发，但同时降低了样品在涂层中的分配，部分挥发性强的物质萃取量反而降低。因此，选取80℃为最佳平衡温度。

2.1.3 平衡时间的选择 目标物从样品中挥发到顶空空间，需一定时间才能达到动态平衡［14］，因此实验考察80℃下平衡时间分别为5、10、15、20 min时对PDMS－DVB－CAR萃取效率的影响。结果显示，随着平衡时间从5 min增至10 min，萃取效率明显增加，且平衡时间10 min时的萃取效率最高，继续延长平衡时间达到15 min时，萃取效率呈下降趋势。因此，选取最佳平衡时间为10 min。

2.1.4 萃取时间的选择 目标物在样品溶液、顶空和纤维头涂层三相达到平衡之前，萃取时间会影响分配平衡状态，萃取时间过短，则吸附不完全；萃取时间过长，则吸附组分可能发生解吸。因此选择合理的萃取时间方能达到最佳的萃取效果［15］。实验考察了萃取时间分别为20、30、40、50 min时对萃取效率的影响，结果显示，萃取效率随着萃取时间的延长而逐渐增加，40 min后增幅不明显。因此，选取40 min为最佳萃取时间。

2.2 定性分析

通过目标物的保留时间、正反匹配度、准确分子量，利用NIST17谱库检索确定了PBAT生物降解膜中55种VOCs的组成，其保留时间、匹配度、准确分子量等参数如表1所示。

表1 55种VOCs定性与相关参数Table 1 Qualitative analysis and parameters of 55 VOCs

由表1数据可见，PBAT生物降解膜中共分离鉴定出55种主要VOCs，其正（SI）、反（RSI）匹配因子均在700以上。进一步利用准确质量数来确定元素的组成，以确保VOCs定性的准确度，如4-甲基联苯的理论质量数为168．093 9，实际质量数为168．093 8，质量数偏差仅为0．000 1，表明理论值与实际值具有很好的一致性。55种VOCs中包括苯系物21种、萘类11种、醛酮类8种、醇类4种、酯类3种、茚类2种、胺类2种、酚类1种、其它类3种，其典型色谱图如图2所示，充分体现了GC×GC－TOF MS在分离复杂成分中的优势。以PBAT生物降解膜中典型的VOCs——萘为例，GC×GC分离的二维轮廓图见图3，萘（C10H8）与癸醛（C10H20O）、松油醇（C10H18O）很难在常规一维色谱中达到基线分离，但在GC×GC中具有不同的二维保留时间，分别为2DtR=2．09 s、1．46 s和1．82 s，表明GC×GC能有效分离此3种化合物。因此，对于复杂化合物的分离，特别是同系物与同分异构体，全二维色谱能够达到较好的分离效果，有效解决了VOCs的相互干扰，提高了定性与定量的准确性。

图2 GC×GC－TOF MS鉴定PBAT生物降解膜中VOCs的分析色谱图Fig．2 GC×GC－TOF MS contour plot of VOCs in PBAT biodegradable film sample the peak number（1－55）was the same as that denoted in Table 1

图3 GC×GC－TOF MS分离复杂VOCs的轮廓图Fig．3 GC×GC－TOF MS contour plot of the separating of VOCs 22：decanal；23：terpineol；24：naphthalene

2.3 相对定量及方法学验证

采用内标法以校正因子F=1对PBAT生物降解膜VOCs进行相对定量，对方法的日内（1 d内重复5次）和日间相对标准偏差（RSD，5 d内重复5次）进行考察，结果如表1所示。主要VOCs的日内RSD不高于13%，日间RSD不高于19%。由此可见，方法具有良好的稳定性和可重复性，能较好对不同来源PBAT生物降解膜中的VOCs进行相对含量组成分析。

2.4 实际样品分析

主成分分析（PCA）是一种无监督的模式识别方法，通过对数据进行降维处理后，可从整体上直观显示各组样品的差异［16］。为区分不同来源PBAT生物降解膜中VOCs的差异，采集不同厂家的PBAT生物降解膜（A、B、C与D），利用MetaboAnalyst 4．0对样品中VOCs进行主成分分析（图4A）。结果显示，PC1（主成分1）和PC2（主成分2）分别解释变量方差的51．8%和13．2%，PC1和PC2的累计贡献率为65．0%，可以解释原始变量的部分信息。不同降解膜在PC轴上出现了明显分化，PBAT A+B、PBAT C与PBAT D有明显差异，VOCs差异较大，PBAT A与PBAT B样品重叠，VOCs差异较小，表明该方法可区分不同来源的PBAT生物降解膜。为进一步找出对差异区分有重要贡献的VOCs，选择偏最小二乘判别分析模型变量投影重要度（Variable importance projection，VIP）值大于1．2的变量，结合方差分析Fisher's LSDp值小于等于0．01，获得13种（其中化合物No．28与No．23差异不显著）具有重要贡献的VOCs。对VIP值大于1．2的变量使用热图分析（图4B），发现PBAT C中的VOCs含量普遍偏低；PBAT D中1-甲基萘（No．32）、癸醛（No．22）、邻二甲苯（No．8）、六甲基苯（No．35）、对二甲苯（No．5）、1，3-二甲基-2-乙基苯（No．17）、1，3-二乙基-5-甲基苯（No．20）含量普遍较高，主要为苯系物；PBAT A+B中4，7-二甲基茚满（No．27）、1，2，3，4-四氢-2，5，8-三甲基-萘（No．36）、2-乙基萘（No．40）、2，6-二异丙基苯胺（No．42）、1，7-二甲基萘（No．43）、2，6-二叔丁基对甲苯酚（No．49）等萘、胺、酚类VOCs含量普遍较高。另外，2，6-二异丙基苯氰酸酯常作为封端剂使用，异氰酸酯能与水反应形成胺和二氧化碳，PBAT生物降解膜与一定湿度的空气接触，能对应生成水解产物2，6-二异丙基苯胺，而2，6-二叔丁基对甲苯酚主要作为抗氧化剂使用［17-18］。

图4 PBAT生物降解地膜中VOCs的主成分分析图（A）及其对差异区分有重要贡献的VOCs热图分析（B）Fig．4 PCA scores plot of VOCs from PBAT biodegradable films（A）and heatmap analysis of VOCs with important contribution to differentiation in PBAT biodegradable film（B）

3 结 论

本研究建立了一种HS－SPME结合GC×GC－TOF MS技术测定PBAT生物降解膜中55种VOCs的分析方法，优化了HS－SPME条件，并结合化学计量学分析了VOCs化学成分的变化，区分了不同来源4种PBAT生物降解膜中VOCs的差异。方法前处理简单、灵敏度高、分离能力强，可用于PBAT生物降解膜中VOCs的安全评价。