CN102735786B

CN102735786B - 热裂解产物中苯并[a]芘的在线捕集及分析方法

Info

Publication number: CN102735786B
Application number: CN201210179458.9A
Authority: CN
Inventors: 杨叶昆; 李雪梅; 徐济仓; 缪恩铭; 魏玉玲; 陈建华; 缪明明
Original assignee: Yunnan Academy of Tobacco Science
Current assignee: Yunnan Academy of Tobacco Science
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-06-04
Also published as: CN102735786A

Abstract

一种热裂解产物中苯并[a]芘的在线捕集及分析方法和装置，属分析检测技术领域。方法为：样品装入热裂解腔，程序升温条件下有氧热裂解，热裂解产物由传输管线直接导入气相色谱的冷进样口，经液氮冷冻捕集；热裂解完毕，冷进样口程序升温，热裂解产物气化进入气相色谱-质谱联用仪，采用选择离子模式对裂解产物中的苯并[a]芘进行定量分析。装置包括氦气（1），氮氧混合气（2），三通阀（3），流量控制器（4），流量控制器（5），手柄（6），热裂解仪（7），传输管线（8），螺帽（9），进样隔垫（10），冷进样口（11），气相色谱-质谱仪（12）构成。本发明的优点在于：方法重现性好、回收率高、操作简便，减少了实验误差，装置结构简单。

Description

热裂解产物中苯并[a]芘的在线捕集及分析方法

技术领域：

本发明涉及一种添加剂及烟草成分的热裂解产物中苯并[a]芘的在线捕集及分析方法和装置，属分析检测技术领域。

背景技术

稠环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs），又称多环芳烃，指两个以上的苯环以稠环形式相连的一类化合物。稠环芳烃产生途径主要是化石燃料（如碳）等有机物的不完全燃烧过程中形成的。广泛存在于土壤、大气、植物体、食品、污水、汽车尾气以及卷烟烟气中。多数稠环芳烃都具有毒性和致癌作用，由于苯并[a]芘( BaP)的致癌作用高于其它稠环芳烃，因而 BaP 成为人们关注的热点。

新鲜烟叶本身不含PAHs，烟叶中痕量的苯并[a]芘及相关的PAHs是在烟叶生长、烤制及工艺处理过程中水或大气污染带来。卷烟烟气中的PAHs主要是烟草有机物在高温缺氧条件下不完全燃烧时，各种有机物碎片经过复杂的聚合过程而形成。许多研究人员对其在卷烟烟气中的释放量及其前体物进行了研究。其中热裂解-气质联用( Py-GC /MS)技术已成为一种模拟卷烟燃烧状态的有效方法，被广泛用来研究烟草成分燃烧可能产生的烟气成分^[1-3]。研究发现稠环芳烃是由萜烯、植物甾醇(如豆甾醇)、蜡、糖、纤维素、氨基酸等组分通过热裂解和高温热合成，以及各种初级烃通过自由基反应形成的。由于卷烟烟气成分极其复杂, 苯并[a]芘的含量又极低, 而且还存在着大量的干扰物质, 因此, 如何准确测定卷烟烟气、烟草成分和添加剂热裂解产物中的苯并[a]芘含量, 一直是国内外烟草业研究的热门课题之一。Su-Fang Wang^[4] 采用热裂解-气质联用法 ( Py-GC /MS)分析了苯丙氨酸裂解产物中10种多环芳烃。郜强^[5]采用热裂解-气质联用 ( Py-GC /MS)法测定了氮气中不同温度下烤烟、香料烟和白肋烟烟叶样品裂解产生的 10种稠环芳烃 ( PAHs)。然而，这些研究大部分采用无氧裂解，与卷烟的实际燃烧的气体氛围存在差异，其裂解分析结果也与实际燃吸卷烟产生的烟气分析结果有差异。孔浩辉等^[6]应用吸附阱吸附，在氧气浓度高于20％的氮氧混合气，对烟草进行裂解实验，实现了有氧裂解和在线产物捕集。但该发明吸附阱所使用的吸附剂对样品有歧视作用。

本发明克服了现有方法之不足，采用自组装的有氧热裂解-冷阱捕集-气相色谱质谱联用仪，模拟卷烟的燃烧状态，实现有氧状态下的裂解和在线分析。经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

参考文献：

[1] Baker R R, Massey E D, Smith G. An overview of the effects of tobacco ingredients on smoke chemistry and toxicity [J]. Food and Chemical Toxicology, 2004, 42: 53-83.

[2] Paschke T, Scherer G, Heller W D．Effects of ingredients on cigarette smoke composition and biological activity: a literature overview. Beitr. Tabakforsch. Int., 2002, 20: 107-247.

[3] Rodgman A. Some studies of the effects of additives on cigarette mainstream smoke properties. III. ingredients reportedly used in various commercial cigarette products in the USA and elsewhere. Beitr. Tabakforsch. Int., 2004, 24: 47-105.

[4] Su-Fang Wang, Bai-Zhan Liu, Kai-Jian Sun, et al. Gas chromatographic–mass spectrometric determination of polycyclic aromatic hydrocarbons formed during the pyrolysis of phenylalanine. Journal of Chromatography A, 2004, 1025 (2): 255-261.

[5] 郜强, 郑赛晶, 刘百战. 热解温度对烟草稠环芳烃产生量的影响[J]. 烟草科技, 2010, (1): 27-31.

[6] 孔浩辉. 烟草热裂解分析方法[P].中国，申请号200810026374.5, 2008-2-20.

发明内容

本发明的目的在于提供热裂解产物中苯并[a]芘的在线捕集及分析方法和装置。

本发明一种样品热裂解产物中苯并[a]芘分析方法是在现有方法基础上的改进，该方法包括以下步骤：

a.取裂解仪（7）专用石英裂解管一根，在中央位置装填农残级石英棉，将液态样品1~5 μL或固态样品1~5 mg装入热裂解管中，加入内标溶液D₁₂-苯并[a]芘1~2 μL，热裂解管轻放入热裂解头后，伸入热裂解腔准备裂解；

b.热裂解仪（7）的热裂解条件为：气体氛围是含9 ％质量比氧气的氮氧混合气；裂解气流速为80-276mL/min；样品在程序升温条件下进行热裂解，裂解升温程序为：初始温度250~300 ℃，保持5 S，而后以 20~30 ℃/S 升至900 ℃, 并保持5 S；

c.热裂解产物由传输管线（8）直接导入气相色谱的大体积冷进样口（11），经液氮冷冻捕集；其中：冷进样口（11）的升温条件：－30 ℃保持0.5 min，以12 ℃/s升至260 ℃保持1 min，再以10 ℃/s升至350 ℃保持5 min；

d.热裂解产物气化进入气相色谱-质谱联用仪（12），对裂解产物中的苯并[a]芘进行定量分析；其中：

气相色谱条件为：色谱柱为HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)石英毛细管柱；载气为氦气(纯度为99．999 ％)，载气压力（恒压）：0.1026 MPa；升温程序：起始温度150 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升至240 ℃，再以2 ℃/min升至280 ℃，保持20 min；分流比为100:1。

质谱条件：电子轰击离子源，电子能量70 eV；离子源温度：230 ℃；接口温度280 ℃；四极杆温度：150 ℃；溶剂延迟时间：5 min；扫描方式：选择离子检测,选择离子为252 m/z和264 m/z，分别为苯并[a]芘和D₁₂-苯并[a]芘（内标）的分子离子峰，对每个离子的监测时间为30 ms。

本方法适用于各种类型样品的热裂解产物中苯并[a]芘含量的测定。

用于热裂解产物中苯并[a]芘的在线捕集及分析方法的装置，由氦气（1），氮氧混合气（2），置于氦气（1）与冷进样口（11）之间连接管道上的流量控制器（4），置于氮氧混合气（2）与热裂解仪（7）之间连接管道上的三通阀（3）和流量控制器（5），置于热裂解仪（7）上的热裂解仪进样手柄（6），置于热裂解仪（7）与气相色谱-质谱仪（12）之间的传输管线（8），置于气相色谱-质谱仪（12）上的冷进样口（11）、无残留进样隔垫（10）和螺帽（9）构成。

本方法所用分析装置的工作过程如下：

待测样品置于热裂解仪（7）中使其迅速热裂解后得到的热裂解产物由载气带出，沿去活化的传输管线（8），进入冷进样口（11），热裂解产物在液氮冷冻下被捕集在冷进样口（11）。裂解程序结束后，开启冷进样口（11）的升温程序，裂解产物加热气化进入气相色谱-质谱联用仪（12），采用选择离子模式对裂解产物中的稠环芳烃进行定量分析。

本方法所用装置采用市场购买的仪器、材料，按照常规方法制备而成。

本发明的优点在于：

1、能够实现有氧环境中的在线热裂解，裂解环境接近卷烟的实际燃烧环境。

2、通过冷阱捕集，实现在线热裂解-冷阱捕集-气相色谱质谱联用仪分析样品热裂解产物中苯并[a]芘的含量。测定方法简便、准确。避免了离线捕集分析方法的繁杂前处理过程，从而减少由此带来的实验误差。

3、选用质谱检测器的选择离子扫描模式，提高了检测的灵敏度和选择性，能够定量分析样品热裂解产物中痕量苯并[a]芘的含量，从而为研究苯并[a]芘的产生机理，降低苯并[a]芘的添加剂筛选提供技术支持。

4、装置结构简单。

附图说明：

附图为热裂解产物中苯并[a]芘的捕集分析装置结构示意图。

具体实施方式：

本发明的分析方法的具体步骤及所用分析装置同发明内容部分描述。

实施例一：

1实验部分

1.1 仪器与试剂

苯并[a]芘（标准物质，纯度≥99%，Chem Service公司），D₁₂-苯并[a]芘（标准物质，纯度≥99%，Chem Service公司）。

7890A/5975C气相色谱一质谱联用仪 (美国安捷伦公司)，配CIS-4大体积冷进样口（德国GERSTEL公司）；Pyroprobe 5200型热裂解仪（美国CDS公司）；AG204型电子天平(感量0.0001 g，瑞士 METTLER TOLEDO公司)。

1.2 热裂解条件

热裂解氛围：含9 ％氧气的氮氧混合气。总裂解气流速：4.6 mL/s

热裂解探头(热解头) 初始温度300 ℃，保持5 s，再以 30 ℃ 升至900 ℃，保持5 s。

1.3 GC-MS分析条件

CIS冷进样口条件：－30 ℃保持0.5 min，以12 ℃/s升至260 ℃保持1 min，再以10 ℃/s升至350 ℃保持5 min。

气相色谱条件：色谱柱为HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)毛细管柱；载气为氦气(纯度为99．999 ％)，载气压力（恒压）：0.1026 MPa；升温程序：起始温度150 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升至240 ℃，再以2 ℃/min升至280 ℃，保持20 min；进样口温度280 ℃；分流比为100:1。

2 样品分析

2.1 液体样品

取裂解仪专用石英裂解管一根，在中央位置装填农残级石英棉，利用采血管吸取液态样品1~5 μL至热裂解管中，加入内标溶液D₁₂-苯并[a]芘1~2 μL，按设定的裂解条件进行裂解。裂解产物均由CDS传输线直接导入气相色谱的冷进样口，再由气相色谱-质谱联用仪分析，对裂解产物中的苯并[a]芘进行定量分析。

2.2 固体样品

取裂解仪专用石英裂解管一根，在中央位置装填农残级石英棉，取固体样品1~5 mg至热裂解管中，加入内标溶液D₁₂-苯并[a]芘1~2 μL，按设定的裂解条件进行裂解。裂解产物均由CDS传输线直接导入气相色谱的冷进样口，再由气相色谱-质谱联用仪分析，对裂解产物中的苯并[a]芘进行定量分析。

3 标准工作曲线的制作

3.1 标准工作溶液的配制

内标溶液

一级内标溶液：取10 mg D₁₂-苯并[a]芘，用环己烷定容到50 mL，浓度为0.2 mg/mL。二级内标溶液：取2.00 mL一级内标溶液，用环己烷定容到50 mL，浓度为8 μg / mL。三级内标溶液：取2.00 mL二级内标溶液，用环己烷定容到50 mL，浓度为320 ng / mL。

苯并[a]芘标准系列溶液

一级苯并[a]芘标准溶液：取12.2 mg 苯并[a]芘，用环己烷定容到100 mL，浓度为0.122 mg/mL。

二级苯并[a]芘标准溶液：取1.00 mL一级内标溶液，用环己烷定容到100 mL，浓度为1.22 μg / mL。

分别取苯并[a]芘二级标准溶液0.50 mL，1.00 mL、2.00 mL、5.00 mL，10.00 mL，15.00 mL和二级内标溶液2.00 mL，用环己烷定容到50 mL棕色容量瓶中，

该系列标准溶液浓度分别是12.2 ng/mL、24.4 ng/mL、48.8 ng/mL、122 ng/mL、244 ng/mL、366 ng/mL, 内标浓度为320 ng/mL。

3.2 标准曲线的制作

将配制好的一系列标准溶液按实验部分的色谱条件进行检测，进样量2 μL。以苯并[a]芘标样与内标的峰面积比为纵坐标，其相应浓度比为横坐标，作回归分析，得到回归方程为：

Y = 2.943X – 0.05647, r² = 0.999186

结果显示：在12.2-366 ng/mL的浓度范围内，回归方程的线形良好，能用于苯并[a]芘含量的定量分析。

实施例二：热裂解仪气体流速的优化选择

不同流速对裂解产物中苯并[a]芘含量的影响试验。其他条件不变，设定裂解气体的流速分别为80、120、160、200、276 mL/min，检测同一样品裂解产物中的苯并[a]芘含量，结果见表1。从表1来看，裂解仪不同气体流速的变化对于苯并[a]芘的分析结果的影响并不显著，因而裂解反应气体流速选择Baker等（Baker R R, Coburn S, Liu C. The pyrolytic formation of formaldehyde from sugars and tobacco [J]. J. Anal. Appl. Pyrolysis, 2006, 77(1): 12-21）推荐的276 mL/min。

表1 不同气体流速下裂解产物中苯并[a]芘的含量

实施例三：方法的重复性和检测限

用同一样品按照建立的方法平行测定5次，结果见表2，本实验方法的相对标准偏差RSD为4.17 %，说明该方法的重复性能满足实验要求。

表2 方法的重复性和检测限

用最低浓度的标样，重复进样5次，由测得的浓度值统计出标准偏差，以3倍标准偏差作为方法的检出限，以10倍标准偏差作为方法的定量限，数据见表2，本检测方法苯并[a]芘的检出限为15.30 ng/mL，定量限为51.00 ng/mL。

由重现性、线性方程及检测限的测定结果可见，建立的热裂解产物中苯并[a]芘分析方法具有较好的重现性、准确性，它适用于样品热裂解产物中苯并[a]芘含量的准确测定。

Claims

1.一种热裂解产物中苯并[a]芘的在线捕集及分析方法，其特征在于该方法步骤如下：

a.取裂解仪（7）专用石英裂解管一根，在中央位置装填农残级石英棉，将液态样品1～5μL或固态样品1～5mg装入热裂解管中，加入内标溶液D₁₂-苯并[a]芘1～2μL，热裂解管轻放入热裂解头后，伸入热裂解腔准备裂解；

b.热裂解仪（7）的热裂解条件为：气体氛围是含9％质量比氧气的氮氧混合气；裂解气流速为80-276mL/min；样品在程序升温条件下进行热裂解，裂解升温程序为：初始温度250～300℃，保持5s，而后以20～30℃/s升至900℃,并保持5s；

c.热裂解产物由传输管线（8）直接导入气相色谱的大体积冷进样口（11），经液氮冷冻捕集；其中：冷进样口（11）的升温条件：－30℃保持0.5min，以12℃/s升至260℃保持1min，再以10℃/s升至350℃保持5min；

气相色谱条件为：色谱柱为HP-5MS30m×0.25mm×0.25μm石英毛细管柱；载气为氦气，纯度为99.999％；载气压力：恒压，0.1026MPa；升温程序：起始温度150℃，保持1min，以10℃/min升至240℃，再以2℃/min升至280℃，保持20min；分流比为100:1；

质谱条件：电子轰击离子源，电子能量70eV；离子源温度：230℃；接口温度280℃；四极杆温度：150℃；溶剂延迟时间：5min；扫描方式：选择离子检测，选择离子为252m/z和264m/z，分别为苯并[a]芘和内标D₁₂-苯并[a]芘的分子离子峰，对每个离子的监测时间为30ms。