食品和环境中短链氯化石蜡的定量分析

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背景介绍

氯化石蜡是烃类物质经过氯化处理后得到的一系列复杂的衍生物。被广泛用于金属加工、纺织品和皮革处理、密封剂和润滑剂原料等，是一种重要的工业产品。其中短链氯化石蜡（SCCPs，C10-C13）由于在环境中具有较强的传输能力和生物富集作用，2017年被列入斯德哥尔摩公约控制的持久性有机物名单（Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants）。目前在欧盟、北美、日本等发达国家，短链氯化石蜡的使用被严格控制甚至禁止。我国对食品和环境中的氯化石蜡的研究、检测尚处于起步阶段。

对短链氯化石蜡的检测一直以来都是具有挑战性的工作。首先，氯化石蜡单体（分子式相同）众多，而且每种单体中都包含成百上千个同分异构体分子，色谱上无法全部分开，在谱图上呈现大量共流出的多指型鼓包（宽驼峰），其中不同碳链长度和不同氯取代数目的氯化石蜡单体相互重叠。

其次，不同单体在检测器的响应相差较大（跟氯取代数有关），无法通过峰面积加和进行测定，需要将不同单体尽量分离。另外，市面上没有单一氯化石蜡单体的标样，都是多种单体的混合物质，而且也不能包含实际样品中存在的所有氯化石蜡单体。这对氯化石蜡的定量工作带来很大困难。

近年来，全二维气相色谱法开始应用于氯化石蜡的分析。得益于其强大的分离能力，可以对氯化石蜡中不同单体进行更好的分离，准确性和可靠性相比常规一维色谱得以显著提高。另外，使用高分辨质谱，可以进一步减少其他污染物质的干扰，最终得到较为可靠的定量结果。

雪景科技采用全二维气相色谱技术，结合高分辨质谱，开发了针对食品和环境中短链氯化石蜡的定量测定方法，配合定制化的专用数据处理工具，形成一整套方便易用的短链氯化石蜡分析方案。

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实验方法

样品和试剂

首先将三种不同氯含量的短链氯化石蜡标样（标称含氯量51.5%，55.5%，63%）混合配置成5种不同氯含量梯度的标准溶液，53.5%，55.5%，56.25%，57.75%，59.25%。浓度均为100mg/L。

葵花籽油样品（Sunflower oil）。前处理方法按文献方法进行处理：

用正己烷和二氯甲烷溶剂（1:1）进行提取，提取液经净化除去脂质分子，再通过组合填充柱（从下到上分别为Florisi，活化硅胶，用硫酸酸化后的硅胶），依次用正己烷和正己烷二氯甲烷溶剂进行洗脱，收集第二段洗脱液，氮吹至0.5mL。

所有标样和样品在进样前加入反式氯丹（trans-chlordane，CHL）作为内标，浓度均为1mg/L。

仪器设备

使用Thermo Q Exactive GC Orbitrap质谱仪，以及TriPlus RSH自动进样器及Trace 1310 气相色谱仪进行样品分析。调制器为雪景科技固态热调制器SSM1810，安装在气相色谱顶部两个检测器位置，见下图。如果顶部装有检测器，也可将调制器安装于色谱侧面。

本方法使用的一维柱和二维柱以及调制柱如下

一维柱：TG-5SILMS 30m 0.25mm 0.25um

二维柱：DB-17ms, 1.5m, 0.25mm, 0.15um（含0.5m质谱传输线）

调制柱：DV（C9-C40+）

软件及数据处理

使用赛默飞 Xcalibur软件进行数据采集，数据处理通过雪景科技Canvas全二维色谱数据处理软件，含专用氯化石蜡分析软件包。

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结果与讨论

氯化石蜡标样

由于氯化石蜡样品基质比较复杂，一般采用负化学电离源（NCI）模式，利用定量离子和定性离子进行确认和定量计算。氯化石蜡在NCI电离源上主要产生 [M-Cl]-离子。短链氯化石蜡共包含24种单体，本实验中，这些单体的定量离子、定性离子和按分子式计算的氯含量如下表。

氯化石蜡的不同单体在二维谱图上可产生相比一维色谱更好的分离效果 [1-2]，形成层次分明的“瓦片效应”。和文献报道类似，碳数和氯数之和相同的单体在同一层内，在下图中用同一种颜色显示。同一层内的不同单体可以用定量离子和定性离子进行区分定量。而每种单体都含有大量的同分异构体，一般将属于同一个单体的氯化石蜡归为一个族类，将峰面积全部加和进行计算（同一单体内化合物响应基本一致）。

研究发现，不同氯化石蜡单体之间在质谱检测器上的响应差异较大，如果采用统一的响应因子，实际结果会产生误差 [3]。考虑到响应因子主要和氯含量相关，本方法首先测定了不同氯含量氯化石蜡标样的响应因子，绘制成标准曲线。然后根据实际样品中测得的平均氯含量（对不同单体的峰面积按其氯含量进行归一化），在标准曲线中得到样品的平均响应因子，最终测定样品中的短链氯化石蜡含量。该方法首先由Reth等提出 [4]，并在最近的全二维色谱氯化石蜡分析中得到广泛应用 [1-2]，取得不错的效果。该方法所涉及的公式如下：

对五种不同氯含量的氯化石蜡标样所做的相对响应因子标准曲线如下图。线性回归系数R2>0.99。

葵花籽油样品

对葵花籽油样品进行同样条件的全二维色谱分析，经过定量离子和定性离子确认后得到24种不同单体的峰面积，根据公式（4）计算平均氯含量，然后从标准曲线中得到其平均响应因子，再根据公式（3）反推计算出样品中短链氯化石蜡的含量。

样品中短链氯化石蜡单体分布

另外，本方法还可以对样品中不同短链氯化石蜡单体的含量分布进行考察。下图展示的两张图分别是未经氯含量校正（响应因子）的各单体峰面积相对比例（归一化百分含量），和经过氯含量（响应因子）校正的峰面积比例。两者差异不大，和文献报道相符 [3-4]。结果表明，该样品中主要包括C10、C11、C13的短链氯化石蜡，其中C13的含量最高。而C12的氯化石蜡没有在样品中检出。

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总结

全二维色谱法相较传统的一维色谱方法，对短链氯化石蜡单体的分离效果更好，可排除中链氯化石蜡和其他含氯化合物的干扰，再加上高分辨质谱的精确质量数，进一步减少不同分子式单体间的干扰，定量准确可靠。

基于固态热调制全二维气相色谱高分辨质谱的短链氯化石蜡定量测定方法，无需液氮或任何制冷剂，使用方便，操作简单，适合于常规实验室使用。

结合专用的氯化石蜡数据处理工具，实现了便利的短链氯化石蜡流程化定量，减少人工干预和手工计算，极大提高了实验室分析效率。

参考文献

[1] D. Xia, L. Gao, M. Zheng, Q. Tian, H. Huang, L. Qiao, A novel method for profiling and quantifying short- and medium-chain chlorinated paraffins in environmental samples using comprehensive two-dimensional gas chromatography-electron capture negative ionization high-resolution time-of-flight mass spectrometry, Environ. Sci. Technol. 50 (2016) 7601–7609.

[2] Y. Zou, S. Niu, L. Dong, N. Hamada, Y. Hashi, W. Yang, P. Xu, K. Arakawa, J. Nagata, Determination of short-chain chlorinated paraffins using comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled with low resolution mass spectrometry, J.Chromatogr. A 1581–1582 (2018) 135-143.

[3] G.A.S.G.T. Tomy, D.C.G. Muir, A.T. Fisk, C.D. Cymbalistry, J.B. Westmore, Quantifying C10-C13 polychloroalkanes in environmental samples by high-resolution gas chromatography/electron capture negative ion high-resolution mass spectrometry, Anal. Chem. 69 (1997) 2762-2771.

[4] M. Reth, Z. Zencak, M. Oehme, New quantification procedure for the analysis of chlorinated paraffins using electron capture negative ionization mass spectrometry, J. Chromatogr. A 1081 (2005) 225–231.

本应用成果得到了上海市疾病预防控制中心的大力支持，特别感谢冯超、乐孙阳在方案开发过程中提供设备、样品、技术支持、以及定制化数据处理方法建议。