氯化石蜡的分析方法和定量流程

2022-07-15 23:11:42, 老白 雪景电子科技(上海)有限公司


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背景介绍

氯化石蜡是一类正构烷烃氯化产生的工业混合产品,具有低挥发性,阻燃,电绝缘,价格低廉等优点,广泛用于增塑剂,橡胶和纺织品阻燃剂,金属加工液等,自从20世纪30年代以来产量一直持续增加,到2016年全球产量已超过100万吨,其中我国是产量最大的国家 [1]。氯化石蜡根据碳链长度可分为短链(C10-C13),中链(C14-C17),和长链(C18-C30),其物理化学性质和环境毒性与碳链长度密切相关。目前短链氯化石蜡(SCCPs)由于其更强的环境稳定性和生物毒性,可在环境中长期迁移并在生物体内富集引发多种环境危害,中链氯化石蜡(MCCPs)次之。为了对这种新型污染物进行更严格的监管,2017年5月,短链氯化石蜡(SCCPs)被列为斯德哥尔摩受控POPs名单。

 


21世纪初我国开始系统性监测环境和食品中短链及中链氯化石蜡的浓度,包括水生生物,极地高原大气,室内空气,饮用水,肉类,母乳等。均发现氯化石蜡,而且其典型浓度比国外同等环境中测得的氯化石蜡高接近一个数量级 [2],这应该引起我们足够的重视。


对氯化石蜡的检测面临诸多技术挑战,主要由于以下原因。

  • 化合物数量繁多(氯化石蜡同族物及同分异构体超过1万种)

  • 性质相似难分离,质谱碎片也非常相近——最好用能保留足够分子离子峰进行区分(NCI源)

  • 检测响应差异较大——NCI源差异特别大

  • 容易受其他环境污染物干扰

  • 缺乏单体标样,且工业混标具体构成不明


经过二十多年的技术发展,环境学界陆续建立了氯化石蜡的检测方法,特别是针对不同化学式的同族化合物(congener, 单体)的组分定量取得了一定的进展,因为不同分子式的氯化石蜡性质和毒性相差较大,其在环境中的行为和影响也各不相同,这种对不同分子式单体的组分进行定量的方式更有利于精确控制和管理这种污染物。但相比有机氯农药,多氯联苯等经典POPs,氯化石蜡检测定量的准确性和可靠性都还有很大差距,这也是氯化石蜡研究和管理的主要技术瓶颈。




氯化石蜡的分析方法

对于氯化石蜡的分析手段,主要使用气相色谱进行分离,少量研究也用液相色谱或质谱直接进样。检测器方面,对含氯化合物有特征响应的ECD检测器是比较常见的选择,也有将氯化石蜡加氢催化返回正构烷烃后进行FID检测(碳骨架分析法),当然应用最多的还是质谱检测器。



从电离方式来说,GC-MS常用的EI电离使用较少,主要因为氯化石蜡在经过70eV电子轰击后,分子离子峰几乎消失不见,而不同的氯化石蜡单体最终的离子碎片高度相似,没有特征性。而使用甲烷做反应气的化学电离源(负离子模式,NCI)则能保持氯化石蜡分子特征,产生碎片较少,主要保留体现分子信息的分子离子碎片 ([M-Cl]-, [M-HCl]-, [M+Cl]-),具有高选择性。但NCI源对不同氯含量的单体的响应差异很大,且对氯取代数少于5的氯化石蜡单体无响应;有学者在甲烷中加入少了二氯甲烷[3],主要离子峰减少为一个([M+Cl]-),进一步提高选择性,减少干扰,另外对不同氯含量的单体响应差异显著减少,同时对氯取代数少于5的单体也有响应。但由于离子源在分析后容易积碳(来源于二氯甲烷),需要经常清洗离子源,影响检测效率和通量。另外,也有部分研究使用最新的APCI源,发现其响应因子对氯化石蜡分子中的氯取代数依赖较小,但对碳取代数依赖较大。由于氯化石蜡不同单体间,或者氯化石蜡和其他含氯化合物之间会出现质量数非常接近的特征离子碎片,使用高分辨率质谱显然会降低干扰,提高准确性。但由于高分辨质谱昂贵的价格和复杂的维护要求,主要使用场景集中在高端科研实验室。




氯化石蜡的定量方法

对于氯化石蜡的定量方法,可以分为总量定量组分定量


总量定量方法

氯化石蜡的GC谱图(以ECD为例)由多个宽峰组成 [4],也被形象地称为“驼峰”或“五指峰”。每个宽峰内部包含了几百上千个化合物,不同单体不同结构的氯化石蜡相互重叠交错排列在几个宽峰内,无法区分。


但因为不同氯化石蜡在ECD上的响应比较一致,所以可以将基线以上部分进行积分加和,得到氯化石蜡的总含量。缺点是无法区分不同种类的氯化石蜡(也无法区分短链和中链氯化石蜡),另外,容易受到到其他含氯化合物的干扰,影响最终检测结果。

为了提高准确性,减少干扰,Zencak等使用EI源的串接质谱分析氯化石蜡[5],监测三个特征MRM通道完成定量。由于该方法的质谱响应跟含氯量影响不大,可以使用一种标样进行定量,而且干扰较少,分析速度快。不过和GC-ECD方法一样,GC-MSMS方法还是无法区分不同分子式的氯化石蜡。


组分定量方法

单标定量法

最先提出组分定量的是Tomy团队[6],他们使用NCI源高分辨质谱,首先系统研究了所有24种短链氯化石蜡单体在NCI源质谱上的特征离子和不同离子的丰度关系,在对已知浓度标样和样品进行检测后,得到不同单体氯化石蜡在标样和样品中的信号比例(以定量离子计算),然后根据以下公式,将实际样品(a)和标样(s)进行比较后,得到最终样品中氯化石蜡的浓度。



该方法优点在于只需要一个标样即可完成样品检测,但后续研究人员发现,选择不同的标样,最终得到的结果相差很大,原因在于NCI源对不同氯含量的氯化石蜡的响应因子有很大的差别。这样就需要分析人员选择和样品中氯含量近似的标样进行分析,而这在实际情况中几乎很难实现。


分组定量法

如果使用的是低分辨质谱,不同氯化石蜡单体间会产生干扰,比如多5个碳原子同时少2个氯原子的单体具有相同的名义质量(比如C10H15Cl7 和 C15H27Cl5),在低分辨质谱上无法区分。为了解决这个问题,实现短链和中链氯化石蜡同时分析,Zeng 等采用了分组定量法[7],将短链和中链氯化石蜡的定量离子分成4组,形成4种不同方法分别进样,每组内包含了容易产生干扰的单体对(一般一个是短链,一个是中链),然后通过保留时间窗口,同位素比例,峰型等特征区分每组内容易干扰的SCCPs 和 MCCPs,利用这些干扰单体的定量离子在丰度上的差异(比较细微),建立二元一次方程组,求解得到相应单体的定量离子实际信号。这种方法提高了低分辨质谱的准确性,但每个样品需要进四次,工作量和计算量大大增加。另外,对不同单体在质谱上形成的离子碎片相对丰度的一致性提出较高要求。


响应因子校正法

目前使用较为广泛的组分定量方法由Reth等在2005年提出[8]。既然NCI源中氯化石蜡的响应和含氯量相关,那首先分析一系列不同氯含量的标样,然后建立其响应因子和氯含量的(线性)关系,再通过样品中不同单体的相对信号(峰面积)计算其氯含量(按色谱计算),然后代入之前的线性关系求得响应因子,进而得到氯化石蜡的浓度和各单体的含量。

计算步骤和公式如下:

 


该方法需要事先分析多种不同氯含量的标样,但目前工业混标基本涵盖了环境中氯化石蜡的氯含量范围,最终结果也证明了该方法可以显著改进定量误差。


解卷积法

Bogdal等提出的解卷积法假定样品中氯化石蜡的单体组成是不同标样的线性组合[9],利用最小二乘求解不同标样的贡献因子,最终得到样品中不同单体组分的含量。


该方法的数学意义非常清晰,但实际应用中需要测定尽可能多的标样以提高准确性,工作量比较大,另外这也需要专业的数学工具(如MatLab)完成计算。




全二维气相色谱氯化石蜡分析

最近十年来,全二维气相色谱由于其峰容量大,分离效果好的优点,在氯化石蜡分析中得到了广泛应用。不同于一维GC谱图上的宽驼峰,在全二维谱图中,氯化石蜡呈现出非常有规律的瓦片状排列方式,而每一片“瓦片”上的单体则具有同样的规律(其碳取代数和氯取代数之和相等,比如C10H15Cl7、C11H18Cl6和C12H21Cl5在同一“瓦片”上,碳取代数和氯取代数之和为17),极大提高了分离效率。而且这些在”瓦片“上重叠单体没有重合干扰的特征离子,可以通过选择离子轻松区分。全二维气相色谱搭配不同检测器,比如ECD[4],低分辨四极杆质谱[10],高分辨飞行时间质谱[11],甚至静电轨道阱质谱(食品和环境中短链氯化石蜡的分析)的应用都有报道。

 



雪景氯化石蜡全二维分析方案

为了方便用户使用全二维气相色谱质谱联用对短链氯化石蜡进行分析,雪景科技提供了全二维氯化石蜡分析专用方案,支持在现有GC-MS上升级成全二维系统,包括单四极杆质谱,三重四极杆质谱(GC-MS/MS),飞行时间质谱(TOFMS/Q-TOFMS)和静电轨道阱质谱(QE),并包含优化方法包和技术支持。最后,为了简化氯化石蜡分析流程,我们推出了短链氯化石蜡专用分析软件——Paraffin Master


 这款软件完全针对氯化石蜡分析设计,将分析流程和功能进行整合集成,包含了内置的SCCPs单体特征离子库(24种SCCPs单体的低分辨和高分质谱定量和定性离子),也支持用户编辑离子并保存使用。在定量方法上采用了业内最流行的响应因子校正法(Reth et al. [8]),完成氯含量计算和响应因子标准曲线绘制,并实现多样品的定量分析和查看。所有步骤均在同一个软件内完成,可根据特征离子自动识别氯化石蜡的单体族类范围(支持手动调整),用不同颜色显示不同单体族类并实时更新响应因子曲线。完全省去了用户需要使用excel等表格工具进行公式编写和计算的流程,将全二维谱图分析和数值计算过程统一在一个界面上进行操作,减小错误率,提高检测效率。

 


这款氯化石蜡专用软件的设计和开发得到了包括上海疾控中心,广州地化所,浙江树人大学,浙江大学等很多研究单位老师和同学的支持和反馈,在此对他们表示由衷感谢。另外也希望更多的同行给我们提出宝贵的建议和意见。在此我们特别推出90天免费试用的优惠活动,通过在本文下进行留言评论提出申请,或者直接联系雪景科技,可以免费试用90天Paraffin Master,在免费试用期间,我们提供必要的培训和技术咨询。


注:1. Paraffin Master使用中无需安装其他全二维色谱数据处理软件(如Canvas等)

       2. Paraffin Master软件可以读取包括cdf格式(AIA)在内的的通用质谱数据文件,另外,某些厂家的质谱数据也可以直接读取(请咨询雪景工程师)



参考文献

[1] 吴杨,基于超高效液相 -高分辨 轨道 阱质谱分析环境样品中的短链和中链氯化石蜡,博士学位论文,中国科学院广州地球化学研究所,2019年

[2] 吴静,于海斌等,短链氯化石蜡分析方法、环境行为与健康效应的研究进展, 环境科学研究, 2022年第2期, 462-469

[3] Zencak Z, Reth M, Oehme M. Dichloromethane-enhanced negative ion chemical ionization for the determination of polychlorinated n-alkanes. Analytical Chemistry (2003) 75: 2487-2492.

[4] Xia D, Gao L, Zhu S, et al. Separation and screening of short-chain chlorinated paraffins in environmental samples using comprehensive two-dimensional gas chromatography with micro electron capture detection. Analytical and Bioanalytical Chemistry (2014) 406: 7561-7570.

[5] Zencak Z, Reth M, Oehme M. Determination of Total Polychlorinated n-Alkane Concentration in Biota by Electron Ionization-MS/MS. Analytical Chemistry (2004) 76: 1957-1962.

[6] Tomy GT., Muir DCG., Fisk AT., et al., Quantifying C10-C13 polychloroalkanes in environmental samples by high-resolution gas chromatography/electron capture negative ion high-resolution mass spectrometry, Analytical Chemistry (1997) 69: 2762-2771.

[7] Zeng L, Wang T, Han W, et al. Spatial and vertical distribution of short chain chlorinated paraffins in soils from wastewater irrigated farmlands. Environmental Science & Technology (2011) 45: 2100-2106

[8] Reth, M, Zencak Z, Oehme M. New quantification procedure for the analysis of chlorinated paraffins using electron capture negative ionization mass spectrometry. Journal of Chromatography A (2005) 1081: 225-231.

[9] Bogdal C, Alsberg T, Diefenbacher PS, et al. Fast Quantification of Chlorinated Paraffins in Environmental Samples by Direct Injection High-Resolution Mass Spectrometry with Pattern Deconvolution. Analytical Chemistry (2015) 87: 2852-2860

[10] Zou Y., Niu S., Dong L., et al., Determination of short-chain chlorinated paraffins using comprehensive two-dimensional gas chromatography coupled with low resolution mass spectrometry, Journal of Chromatography A (2018) 1581–1582: 135-143.

[11] Xia D., Gao L., Zheng M., et al., 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, Environmental Science & Technology (2016) 50: 7601–7609.



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