GCxGC-HRTOF-MS靶向筛查PCBs和PCNs及污染物非靶向筛查

摘要

《斯德哥尔摩公约》将多氯联苯（PCBs）和多氯萘（PCNs）列为持久性有机污染物。由于它们具有相似的物理和化学性质，共馏出，因此通常采用不同的GC-HRMS方法并分别进行分析。本研究采用同位素稀释-(GC×GC-HRTOF-MS同时定量分析了6种指示性PCBs、12种类二噁英PCBs和16种PCNs。通过条件优化实现了所有目标分析物与基质的完全分离。本方法成功地应用于3种鱼类中18种PCBs和16种PCNs的测定。GC×GC-HRTOF-MS同时分析的结果与GC-HRMS分别分析的结果一致。GC×GC-HRTOF-MS方法是一种灵敏、准确，同时分析PCBs和PCNs的方法。该方法利用GC×GC的良好色谱分离和HRTOF-MS的精确的质量测量，还可以用于鱼类样品中的非目标污染物筛查，包括有机氯农药和多环芳烃，是污染物非靶向筛查的最佳选择。

引言

PCBs和PCNs是合成的有机化合物，具有许多明显的同源性。这两类化学物质都是持久性有机污染物(POPs)，具有持久性、毒性和生物蓄积性高的特点，对生物种群和人体健康具有不利影响。PCBs和PCNs都被列在《斯德哥尔摩持久性有机污染物公约》中。在209种PCBs和75种PCNs的同系物中，12种类二噁英PCBs和16种PCNs以其可能的类二噁英毒性最为引人关注。因此，能够将这些特定的PCBs和PCNs从其他同系物和污染物中分离出来是非常重要的。

方法开发的必要性：

PCBs和PCNs具有相似的理化性质，PCNs与一些共面PCBs具有类似的色谱保留行为，使其很难从色谱上完全分离。没有一种色谱方法可以同时将12种类二噁英PCBs、6种指示性PCBs和16种PCBs从其他PCBs和PCNs中分离出来。因此，PCBs和PCNs通常在SIM下，采用GC-HRMS进行分离分析，使用13C同位素稀释法对两次进样的PCBs和PCNs进行定量分析。操作繁琐耗时。

全二维色谱（GCxGC）是将分离机理不同却又相互独立的2跟色谱柱串联，样品经第一跟色谱柱分离后，通过调制器以脉冲的方式进入第二根色谱柱进行进一步的分离，利用极性和温度的不同实现正交分离。全二维具有更大的峰容量和分离能力，结合TOF-MS高分辨率、高灵敏度的特点，可以最大限度地分离化合物，消除基体干扰，大大提高选择性，能对复杂基质中的未知污染物进行更好的定性鉴别。GCxGC-TOF-MS 在复杂环境基质里未知化合物筛查或定性分析中发挥了重要的作用。

本研究的目的是建立一种GC×GC-HRTOF-MS法同时测定PCBs和PCNs的方法。同时，利用GC×GC-HRTOF-MS对鱼类样品中的非目标污染物进行了识别和筛选。

仪器设备

GC×GC-HRTOF-MS：7890A GC（Agilent），ZX-2全二维调制器及GC-Image全二维数据处理软件（ZOEX），HRTOF-MS（Tofwerk）

ZOEX GC×GC全二维气相色谱

结果与讨论

GC×GC分离条件优化

通过对GC×GC分离条件优化，使得12种类二噁英PCBs、6种指示性PCBs和16种PCNs在一次进样中得到了很好的分离。

Fig.1. 1668C天然标准溶液(包含27种PCBs)和16种PCNs采用DB-XLB和BPX-70色谱柱的GC×GC-HRTOF-MS总离子流图

同位素稀释GC×GC定量方法开发

1. 标准曲线，线性范围及检测限

与EPA测定PCBs的方法1668C相似，采用同位素稀释GC×GC定量法，利用这些目标物和内标物特征离子响应比以及浓度比构建校准曲线。大多数化合物得到了很好的相关系数(5-500 pg mL-1,R2=0.992～0.999) (表1)。通过三次进样50pg mL-1的标准溶液计算PCBs和PCNs的RSD分别为0.7-15%和0.8-和17%(表1)。以三倍的信噪比计算仪器的检测限,PCBs在0.03～0.3 pg mL-1范围内，PCNs在0.09～0.6 pg mL-1范围内。这些值与EPA 1668C中GC-HRMS方法指定的值类似。方法通过对鱼类提取物最低浓度点(5 pg mL-1)加标后进行5次重复分析，计算方法检出限PCBs为0.6～3.5 pg g-1, PCNs为0.8～4.6 pg g-1。在3种不同的鱼样品分别加入1ng13C12标记的PCBs (1668C-LCS)和13C10标记的PCNs内标液(ECN-5102)，提取后，用GC×GC-HRTOF-MS分析评价方法的回收率。PCBs的平均回收率为53% - 114%，PCNs的平均回收率为47%-121%。回收率符合EPA 1668C中PCBs的测定标准。

Table 1 6种指示性PCBs、12种类二噁英PCBs和16种PCNs定量质量，并对优化后的GC×GC-HRTOF-MS方法的性能分析

2. 方法准确性评估

按照2.2节中描述的提取和净化规程对WMF-01鱼组织有证标准物质进行处理，然后用同位素稀释GC×GC-HRTOF-MS法进行分析。将所有类二噁英PCBs的分析结果与认证值比较。实验结果表明，所建立的GC×GC-HRTOF-MS方法具有较高的准确度。

鱼类样品中PCBs和PCNs的GC×GC-HRTOF-MS和GC-HRMS分析比较

GC×GC-HRTOF-MS与GC-HRMS对3种鱼样的34种物质分析结果比较见表2，总的来说，GC×GC-HRTOF-MS得到的值与GC-HRMS得到的低、高浓度PCBs和PCNs的值一致。因此，GC×GC-HRTOF-MS是一种单次运行同时分析多类化合物的高选择性方法。与GC-HRMS分别进样分析不同类的化合物相比，GC×GC-HRTOF-MS单次进样大大节省了分析时间。因此，GC×GC-HRTOF-MS可替代GC-HRMS用于各种环境基质中的PCBs和PCNs分析。

Table 2 用GC×GC-HRTOF-MS和GC- HRMS对3种鱼类中18种PCBs和16种PCNs进行定量分析

三种鱼中的非目标类化合物筛查

除了对PCBs和PCNs进行准确的定量外，GC×GC-HRTOF-MS还可用于其他污染物的筛查。例如，刺鱼样品(图2B)和比目鱼样品(图3)的色谱图同时包含目标分析物和许多其他化合物。在所有研究的鱼样品中发现了两个高浓度的滴滴涕代谢物p, p '-DDMU和p, p-DDE，表明这两个化合物在鱼中可能有很高的积累性。此外，在刺鱼样品中还识别出一系列有机氯农药化合物(OCPs)，包括氯丹、p、p'- DDMU、o,p'- DDT、p、p'-DDE、七氯和壬氯(图3)。同样，对其他多环芳烃组的存在情况也进行了同样的调查。在比目鱼样本中也检测到了甲基化和羟基化的多芳烃(表3)。

Fig.2. 利用GC×GC-HRTOF-MS对刺背样品进行二维TIC分析。(A)刺鱼样品中PCBs和PCNs的测定。(B)刺鱼样本中有机氯农药化合物（OCPs）的初步鉴定。(a:氯丹;b: p,p’-DDMU;c: o,p’-DDT;d:七氯;e:壬草胺，f: p,p’-DDE)。

Fig.3. 采用GC×GC-HRTOF-MS对比目鱼样品进行二维TIC分析。这些折线(aeg)代表了不同种类的化合物;对这些化合物的初步鉴定见表3。

Table 3 采用GC×GC-HRTOF-MS在比目鱼样品鉴定出的其它类化合物

结论

本文首次建立了同时定量分析多氯联苯和多氯联苯的GC×GC-HRTOF-MS方法。通过一次进样实现了3种鱼类中34种化合物包括12种类二噁英PCBs、6种指示性PCBs和16种PCNs对的定量分析。GC×GC的高分离度与HRTOF-MS的精确质量测量相结合，可以准确分析复杂基质中的目标化合物。本方法在实际样品中的测定结果与GC-HRMS测定结果吻合较好。此外，GC×GC-HRTOF-MS还可用于鱼类中非目标化合物的筛查。本实验初步鉴定的非目标化合物为有机氯农药和多环芳烃。GC×GC-HRTOF-MS方法是一种高效的同时分析各类化合物的方法，与GC-HRMS方法相比，它提高了分析效率。GC×GC-HRTOF-MS可作为各种环境基质中痕量环境污染物日常分析的一种可行方法。

本文引自夏丹老师发表的文章：

《Simultaneous analysis of polychlorinated biphenyls and polychlorinated naphthalenes by isotope dilution comprehensive two-dimensional gas chromatography high-resolution time-of-flight mass spectrometry》.

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