CN104181266A - 短链和中链氯化石蜡的脱氯加氘气相色谱-质谱分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种短链和中链氯化石蜡含量的检测方法是将含短链和中链氯化石蜡的样品在80-120°C条件下与氘代还原试剂发生加氘脱氯反应，生成相应氘取代数目的烷烃；然后进行水灭活和碱处理，将样品采用正己烷多次萃取并浓缩定容；采用气相色谱-质谱对不同氘取代数目的氘代烷烃进行定量分析，获得不同碳链长度、不同氯取代数目的短链和中链氯化石蜡同系物组分的浓度和分布特征。本发明不存在氯含量对响应因子的影响，有效解决了目前分析短链和中链氯化石蜡普遍采用的气相色谱-电子捕获负化学源-质谱方法存在的问题，并且避免了同系物之间的互相干扰，检测结果准确，且操作简便，适合成为实验室常规标准分析方法。

Description

短链和中链氯化石蜡的脱氯加氘气相色谱-质谱分析方法

技术领域

本发明涉及一种短链和中链氯化石蜡含量的检测方法，具体的说是采用一种氘代还原试剂将氯化石蜡的氯原子以氘原子取代，生成相应氘原子数目的氘代烷烃，通过气相色谱质谱的方法分析氘代烷烃，根据氘代烷烃的摩尔浓度和氘取代度，从而达到对短链和中链氯化石蜡的准确定量。与已报道的短链和中链氯化石蜡的分析方法相比较，该方法不存在氯含量对响应因子的影响，有效解决了目前分析短链和中链氯化石蜡普遍采用的气相色谱-电子捕获负化学源-质谱方法存在的问题，并且避免了同系物之间的互相干扰，检测结果准确，且操作简便，适合成为实验室常规标准分析方法。

背景技术

氯化石蜡（chlorinated paraffins，CPs）是一组人工合成的正构烷烃氯代衍生物，主要用于纺织品、橡胶和塑胶的阻燃剂，皮革处理剂，油漆和其他涂料的塑化剂以及金属加工油添加剂。按照碳链长度的不同可分为短链氯化石蜡（SCCPs，链长为10-13个碳原子）、中链氯化石蜡（MCCPs，链长为14-17个碳原子）和长链氯化石蜡（LCCPs，链长为18-30个碳原子）。尤其是短链氯化石蜡，近年来日益受到国际环保组织和各国政府的关注。

1980年代以来，发达国家陆续开展了短链氯化石蜡的毒理学研究。世界卫生组织(WHO／IPCS)对氯化石蜡进行了生态系统和人体健康评估，其结果显示短链氯化石蜡对于藻类、无脊椎动物和鱼类具有毒性。随着科学研究的进一步深入，短链氯化石蜡会在环境中持久存在并能进行长距离迁移，易于在生物体内富集并通过食物链生物放大，具有致癌、致畸和致突变等毒性。2007年，由欧盟及其成员国提议，将SCCPs列入POPs的新增候补清单。我国作为公约组织成员国之一，急需针对SCCPs建立准确有效的分析方法，并开展相关的污染调查研究工作。随着欧盟和美国等针对短链氯化石蜡的生产和使用的限制，MCCPs的产量有所提高，虽然其环境和生态风险目前还不十分清楚，但由于与SCCPs结构相似，因此对其环境浓度和氯化石蜡产品中MCCPs的比例也需要进行准确定量。

由于氯化石蜡在工业生产过程中氯化点位选择性低，因此SCCPs和MCCPs的组成复杂，产生大量的氯化同系物、对映及非对映异构体，在色谱上难以分离，保留时间互相叠加，对SCCPs和MCCPs的准确定量带来极大困难。目前针对氯化石蜡的分析方法有很多，如气相色谱（GC）-电子轰击质谱（EI-MS），这种方法可以得到氯化石蜡（包括SCCPs、MCCPs和LCCPs）的总量信息，单缺乏各同系物的组分分布信息，且无法区分SCCPs和MCCPs；气相色谱（GC）-电子捕获负化学源质谱（ECNI-MS）是目前分析环境样品最为常用的方法，但是SCCPs和MCCPs在ECNI条件下的响应因子依赖氯原子的数目和其在碳链上的位置，有些低氯代组分无法检测。当采用不同组成的SCCPs混合物做定量标准时，会对分析结果造成相当大的偏离，甚至达到100%以上。碳骨架气相色谱方法采用氢气在催化剂的条件下将氯化石蜡还原为相应的烷烃，但是该方法无法获得研究氯化石蜡毒性时所需要的氯含量信息。此外还有全二维气相色谱（GC×GC电子捕获负化学源（ECNI）快速扫描四极杆质谱（qTOF MS）、高效液相色谱氯增强大气压化学电离（CI APCI）离子阱质谱等，但对SCCPs和MCCPs的准确定量也存在一定困难，到目前为止国际上也没有建立SCCPs和MCCPs的准确定量分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短链氯化石蜡和中链氯化石蜡的准确定量分析方法。该方法是将短链和中链氯化石蜡通过与氘代还原试剂发生脱氯加氘反应，生成相应氘原子数目的氘代烷烃，以气相色谱质谱的方法定量分析氘代烷烃的摩尔浓度和氘取代度，从而达到对短链和中链氯化石蜡的准确定量。该方法谱图及定量方法简单，检测结果准确。可用于氯化石蜡产品、环境样品及生物样品中短链和中链氯化石蜡的分析，同时获得碳链分布和不同氯取代同系物分布模式，且定量准确。对我国有关短链和中链氯化石蜡生产使用调查、环境介质中的污染水平分析、和生物富集毒性研究具有重要意义。

本发明提供的一种短链和中链氯化石蜡的氘代气相色谱质谱分析方法，包含以下步骤：

1）、无水溶剂的制备：将脱氯加氘反应的溶剂与还原剂进行回流反应，去除溶剂中的水分和可能被还原的其他杂质，收集相应溶剂馏分；

2）、短链和中链氯化石蜡的脱氯加氘反应：在恒温50-120°C条件下，于无水溶剂中短链和中链氯化石蜡与氘代还原剂发生脱氯加氘反应，生成与原氯取代位置相对应的氘代烷烃；

反应后样品依次加入去离子水和氢氧化钠溶液，然后加入正己烷萃取生成的氘代烷烃，浓缩后定容，待分析；

3）、气相色谱-质谱检测条件：色谱柱选择弱极性或非极性柱，进样体积为0.2-1μL。样品经气相色谱进样口进入所述色谱柱中，进行程序升温，并通过接口进入质谱进行检测，所述质谱检测采用电子轰击离子源（EI）。

4）、定性定量分析：根据不同碳链长度的氘代烷烃在气相色谱上的保留时间进行定性分析，质谱采用选择性离子检测模式，选择氘代烷烃的[M]^-（M是指氘代烷烃）离子作为定量离子，根据其色谱峰面积，计算短链和中链氘代烷烃的质量浓度和氘代度，进一步计算短链和中链氯化石蜡各同系物的浓度和氯含量。

其中，所用溶剂为四氢呋喃、乙二醇二乙醚、二乙二醇二乙醚、乙二醇甲醚或甲基四氢呋喃中的一种。还原剂为氢化铝锂、硼氢化钠、氢化钠或钠中的一种或二种以上；采用还原剂与溶剂混合进行回流反应2h以上，去除溶剂中的水分和醇类等干扰杂质；反应完毕后收集溶剂馏分，放入干燥器中密封保存。

短链和中链氯化石蜡与氘代还原试剂发生如下反应：

其中，n=10-17；m=1至2n+2。氘代还原试剂为氘代铝锂、硼氘化钠中的一种。短链和中链氯化石蜡是指碳链长度为10-13的短链氯化石蜡、以及碳链长度为14-17的中链氯化石蜡中的一种或二种以上混合。

氯化石蜡与氘代还原试剂的摩尔比为1:3-1:12。氯化石蜡与氘代还原试剂的反应时间为0.5-24h，反应温度为50-120°C之间。

氯化石蜡样品采用天平称取0.0050-0.0500g（精确至0.001g），溶解于10mL正己烷中，将该样品溶液取10-50μL，加入100-1000μL无水溶剂，充分溶解后，加入氘代还原剂。

加氘还原反应结束后，，依次于反应瓶中加入100-1000μL去离子水，100-1000μL质量浓度为20%的氢氧化钠溶液，和200-2000μL去离子水淬灭过量的氘代还原剂；加入100-1000μL正己烷萃取，激烈振荡2min，分层后，取上层清液至另一样品瓶，再加入100-1000μL正己烷萃取萃取并振荡分层，至少萃取三次；合并萃取溶液，将萃取溶液浓缩定容至200μL，待分析。

气相色谱-质谱检测条件为采用DB-5石英毛细管柱，内径0.32mm，毛细管柱内壁上固定相的膜厚0.25μm，柱长60m，固定相为5wt%苯基95wt%甲基聚硅氧烷；色谱柱升温程序为初始温度60°C保持1min，然后以20°C/min升至110°C，保持4min，再以5°C/min升至250°C，保持10min；气相色谱进样口温度为260°C，不分流进样，进样量1μL，以氦气作载气，载气流速为0.8mL/min；

质谱部分检测条件为EI电离模式，离子源温度220°C，电子能量70eV，气相色谱与质谱间传输线温度250°C，溶剂（正己烷）延迟7.5min；选择性离子扫描模式检测生成的氘代烷烃的[M]^-离子；

对于短链氯化石蜡，碳链长度为10的氯化石蜡选择性检测质量数为143-152的碎片离子；碳链长度为11的氯化石蜡选择性检测质量数为157-166的碎片离子；碳链长度为12的氯化石蜡选择性检测质量数为171-180的碎片离子；碳链长度为13的氯化石蜡选择性检测质量数为185-194的碎片离子；

对于中链氯化石蜡，碳链长度为14的氯化石蜡选择性检测质量数为199-209的碎片离子；碳链长度为15的氯化石蜡选择性检测质量数为213-223的碎片离子；碳链长度为16的氯化石蜡选择性检测质量数为227-237的碎片离子；碳链长度为17的氯化石蜡选择性检测质量数为241-251的碎片离子。

本发明的优点与积极效果为：

本发明基于短链和中链氯化石蜡与氘代还原试剂的脱氯加氘反应，通过分析反应生成的氘代烷烃，对样品中短链和中链氯化石蜡的质量浓度进行分析检测。通过将短链和中链氯化石蜡转化成相应氘原子数目的氘代烷烃进行气相色谱质谱分析，间接定量样品中的短链和中链氯化石蜡，同时获得碳分布和不同氯取代同系物分布模式，及氯含量信息。解决了目前国际上普遍采用的GC-ECNI-MS方法谱图及定量方法复杂、干扰物质多、响应因子受氯含量影响、定量可靠性相对较低等一系列问题。具有操作简单、检测结果准确等优点。适用于分析氯化石蜡产品、环境样品及生物样品中的短链和中链氯化石蜡，且定量准确。对我国有关短链和中链氯化石蜡生产使用调查、环境介质中的污染水平分析、和生物富集毒性研究具有重要意义。

附图说明

图1为碳链长度为10，氯含量为41.0%的氯代癸烷的质谱图；

图2为碳链长度为10，氯含量为41.0%的氯代癸烷不同氯取代同系物分布模式图；

图3为氯化石蜡产品氯蜡-52的气相色谱图。

图4为氯化石蜡产品氯蜡-52中碳链长度为14的不同氯取代同系物气相色谱图。

具体实施方式

本发明主要提出了一种短链和中链氯化石蜡的氘代气相色谱质谱分析方法，基于短链和中链氯化石蜡与氘代还原试剂的脱氯加氘反应，通过分析反应生成的氘代烷烃，实现对样品中短链和中链氯化石蜡的质量浓度的分析检测。通过将短链和中链氯化石蜡转化成相应氘原子数目的氘代烷烃进行气相色谱质谱分析，达到对样品中短链和中链氯化石蜡的定量分析，同时获得碳分布和不同氯取代同系物分布模式，及氯含量信息。

下面结合附图对本发明的方法作进一步详述。

1）、无水溶剂的制备：以乙二醇二乙醚为溶剂，将其与氢化铝锂进行回流反应2h以上，去除乙二醇二乙醚中的水分和和醇类等可能被还原的其他杂质，反应完毕后收集115-120°C馏分，放入干燥器中密封保存。

2）、短链和中链氯化石蜡的脱氯加氘反应：在恒温50-120°C条件下，于无水乙二醇二乙醚中，短链和中链氯化石蜡与氘代铝锂发生脱氯加氘反应，生成与原氯取代位置相对应的氘代烷烃。反应后的样品溶液依次加入100-1000μL去离子水，100-1000μL质量浓度为20%的氢氧化钠溶液，和200-2000μL去离子水淬灭过量的氘代还原剂；加入100-1000μL正己烷萃取，激烈振荡2min，分层后，取上层清液至另一样品瓶，再加入100-1000μL正己烷萃取萃取并振荡分层，至少萃取三次；合并萃取溶液，将萃取溶液浓缩定容至200μL，待分析。

3）、气相色谱-质谱检测条件：色谱柱选择DB-5石英毛细管柱，进样体积为0.2-1μL。样品经气相色谱进样口进入所述色谱柱中，进行程序升温，并通过接口进入质谱进行检测，所述质谱检测采用EI源。

4）、定量分析。根据不同碳链长度的氘代烷烃在气相色谱上的保留时间进行定性分析，质谱采用选择性离子检测模式，选择氘代烷烃的[M]^-（M是指氘代烷烃）离子作为定量离子，根据其色谱峰面积，计算短链和中链氘代烷烃的质量浓度和氘代度，进一步计算短链和中链氯化石蜡各同系物的浓度和氯含量。

短链和中链氯化石蜡与氘代还原试剂发生如下反应：

氯化石蜡样品采用天平称取0.00500.0500g（精确至0.001g）样品，放入10mL容量瓶中，加入正己烷，充分溶解定容，摇匀之后密封保存。

采用厚壁耐压反应瓶，加入10μL体积的上述氯化石蜡样品溶液，氮气吹干样品中溶剂，加入200μL无水乙二醇二乙醚，振荡混匀，加入10倍计算当量（以1个氯原子需要1个氘原子进行氧化还原计算）的氘代铝锂，密封后置于加热装置中反应4h。脱氯加氘温度为95°C。反应结束后，将反应溶液移出至5mL样品瓶中，依次加入200μL去离子水，200μL质量浓度为20%的氢氧化钠溶液，和400μL去离子水淬灭过量的氘代铝锂。加入200μL正己烷萃取，激烈振荡2min，分层后，取上层清液至另一样品瓶，再加入200μL正己烷萃取并振荡分层，至少萃取三次。合并萃取溶液，将萃取溶液浓缩定容至200μL，待分析。

气相色谱-质谱检测条件为采用DB-5石英毛细管柱，内径0.32mm，毛细管柱内壁上固定相的膜厚0.25μm，柱长60m，固定相为5wt%苯基95wt%甲基聚硅氧烷。色谱柱升温程序为初始温度60°C保持1min，然后以20°C/min升至110°C，保持4min，再以5°C/min升至250°C，保持10min；气相色谱进样口温度为260°C，不分流进样，进样量1μL，以氦气作载气，载气流速为0.8mL/min。质谱部分检测条件为EI电离模式，离子源温度220°C，电子能量70eV，气相色谱与质谱间传输线温度250°C，溶剂（正己烷）延迟7.5min；选择性离子扫描模式检测生成的氘代烷烃的[M]^-离子。对于短链氯化石蜡，碳链长度为10的氯化石蜡选择性检测质量数为143-152的碎片离子；碳链长度为11的氯化石蜡选择性检测质量数为157-166的碎片离子；碳链长度为12的氯化石蜡选择性检测质量数为171-180的碎片离子；碳链长度为13的氯化石蜡选择性检测质量数为185-194的碎片离子。对于中链氯化石蜡，碳链长度为14的氯化石蜡选择性检测质量数为199-209的碎片离子；碳链长度为15的氯化石蜡选择性检测质量数为213-223的碎片离子；碳链长度为16的氯化石蜡选择性检测质量数为227-237的碎片离子；碳链长度为17的氯化石蜡选择性检测质量数为241-251的碎片离子。

实施例1采用碳链长度为10，氯含量为41.1%的氯代癸烷标准溶液作为样品，采用本发明方法对其进行定量分析。得到的质谱图如图1所示。其分子离子峰质量数范围为143-148。根据其色谱峰面积计算其氘代烷烃的浓度，并结合氯代癸烷不同氯取代组分的氯含量信息计算出样品中氯含量为41.2%，其氯分布特征如图2所示，以3氯代癸烷为主，其次是4氯代组分、2氯代组分及5氯代组分，另外还有少量的1氯代和6氯代组分。而如果以目前普遍采用的GC-ECNI-MS方法检测，则由于低氯代组分相应较低的原因，无法检测到4氯代以下组分，对分析结果产生偏差，而氘代气相色谱质谱方法很好地解决了低氯代组分的检测问题，且不存在响应因子受氯含量影响的问题。

实施例2采用工业氯化石蜡产品氯蜡-52作为分析对象，采用本发明方法对其进行定量分析。其气相色谱图如图3所示，碳链长度分布从10到23之间，其中碳链长度为14、17和18的氯化石蜡为主要组分。以碳链长度为14的氯代烷烃为例，选择性检测其质量数199-209，如图4所示。根据其色谱峰面积计算其氘代烷烃的浓度，并结合氯代十四烷不同氯取代组分的氯含量信息及其相对质量分数计算出样品中SCCPs的氯含量为48.9%，中链氯化石蜡的氯含量为47.6%，分别占氯蜡-52质量浓度的15.3%和60.2%。

本发明采用一种氘代还原试剂将氯化石蜡的氯原子以氘原子取代，生成相应氘原子数目的氘代烷烃，通过气相色谱-质谱分析方法检测氘代烷烃，根据氘代烷烃的质量和氘代度，从而达到对短链和中链氯化石蜡的准确定量。该分析方法流程如下：是将含短链和中链氯化石蜡的样品在80-120°C条件下与氘代还原试剂发生加氘脱氯反应，生成相应氘取代数目的烷烃；然后进行水灭活和碱处理，将样品采用正己烷多次萃取并浓缩定容；采用气相色谱-质谱对不同氘取代数目的氘代烷烃进行定量分析，获得不同碳链长度、不同氯取代数目的短链和中链氯化石蜡同系物组分的浓度和分布特征。本发明可以用于氯化石蜡产品、环境和生物样品等短链和中链氯化石蜡的准确定量分析。与已报道的短链和中链氯化石蜡的分析方法相比较，该方法不存在氯含量对响应因子的影响，有效解决了目前分析短链和中链氯化石蜡普遍采用的气相色谱-电子捕获负化学源-质谱方法存在的问题，并且避免了同系物之间的互相干扰，检测结果准确，且操作简便，适合成为实验室常规标准分析方法。

Claims (9)

1.短链和中链氯化石蜡的脱氯加氘气相色谱-质谱分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、无水溶剂的制备：将脱氯加氘反应的溶剂与还原剂进行回流反应，收集相应溶剂馏分；

2）、短链和中链氯化石蜡的脱氯加氘反应：在恒温50-120°C条件下，于无水溶剂中短链和中链氯化石蜡与氘代还原剂发生脱氯加氘反应，生成与原氯取代位置相对应的氘代烷烃；

反应后样品依次加入去离子水和氢氧化钠溶液，然后加入正己烷萃取生成的氘代烷烃，浓缩后定容，待分析；

3）、气相色谱-质谱检测条件：色谱柱选择弱极性或非极性柱，进样体积为0.2-1μL；样品经气相色谱进样口进入所述色谱柱中，进行程序升温，并通过接口进入质谱进行检测，所述质谱检测采用电子轰击离子源（EI）；

4）、定性定量分析：根据不同碳链长度的氘代烷烃在气相色谱上的保留时间进行定性分析，质谱采用选择性离子检测模式，选择氘代烷烃的[M]^-（M是指氘代烷烃）离子作为定量离子，根据其色谱峰面积，计算短链和中链氘代烷烃的质量浓度和氘代度，进一步计算短链和中链氯化石蜡各同系物的浓度和氯含量。

2.按权利要求1所述的分析方法，其特征在于：

所述的溶剂为四氢呋喃、乙二醇二乙醚、二乙二醇二乙醚、乙二醇甲醚或甲基四氢呋喃中的一种；

还原剂为氢化铝锂、硼氢化钠、氢化钠或钠中的一种或二种以上；

采用还原剂与溶剂混合进行回流反应2h以上，去除溶剂中的水分和醇类等干扰杂质；反应完毕后收集溶剂馏分，放入干燥器中密封保存。

3.按权利要求1所述的分析方法，其特征在于：短链和中链氯化石蜡与氘代还原试剂发生如下反应：

其中：n=10-17；m=1至2n+2。

4.按权利要求1所述的分析方法，其特征在于：氘代还原试剂为氘代铝锂、硼氘化钠中的一种；

短链和中链氯化石蜡是指碳链长度为10-13的短链氯化石蜡、以及碳链长度为14-17的中链氯化石蜡中的一种或二种以上混合。

5.按权利要求1或4所述的分析方法，其特征在于：氯化石蜡与氘代还原试剂的摩尔比为1∶3-1∶12。

6.按权利要求1、4或5所述的分析方法，其特征在于：氯化石蜡与氘代还原试剂的反应时间为0.5-24h，反应温度为50-120°C之间。

7.按权利要求1、4或5所述的分析方法，其特征在于：

所述的氯化石蜡样品采用天平称取0.0050-0.0500g（精确至0.001g），溶解于10mL正己烷中，将该样品溶液取10-50μL，加入100-1000μL无水溶剂，充分溶解后，加入氘代还原剂。

8.按权利要求1或7所述的分析方法，其特征在于：

加氘还原反应结束后，依次于反应瓶中加入100-1000μL去离子水，100-1000μL质量浓度为20%的氢氧化钠溶液，和200-2000μL去离子水淬灭过量的氘代还原剂；

加入100-1000μL正己烷萃取，激烈振荡2min，分层后，取上层清液至另一样品瓶，再加入100-1000μL正己烷萃取萃取并振荡分层，至少萃取三次；合并萃取溶液，将萃取溶液浓缩定容至200μL，待分析。

9.按权利要求1所述的分析方法，其特征在于：

所述的气相色谱-质谱分析方法，气相色谱部分检测条件为采用DB-5石英毛细管柱，内径0.32mm，毛细管柱内壁上固定相的膜厚0.25μm，柱长60m，固定相为5wt%苯基95wt%甲基聚硅氧烷；

色谱柱升温程序为初始温度60°C保持1min，然后以20°C/min升至110°C，保持4min，再以5°C/min升至250°C，保持10min；气相色谱进样口温度为260°C，不分流进样，进样量1μL，以氦气作载气，载气流速为0.8mL/min；

质谱部分检测条件为EI电离模式，离子源温度220°C，电子能量70eV，气相色谱与质谱间传输线温度250°C，溶剂（正己烷）延迟7.5min；选择性离子扫描模式检测生成的氘代烷烃的[M]^-离子；

对于短链氯化石蜡，碳链长度为10的氯化石蜡选择性检测质量数为143-152的碎片离子；碳链长度为11的氯化石蜡选择性检测质量数为157-166的碎片离子；碳链长度为12的氯化石蜡选择性检测质量数为171-180的碎片离子；碳链长度为13的氯化石蜡选择性检测质量数为185-194的碎片离子；

对于中链氯化石蜡，碳链长度为14的氯化石蜡选择性检测质量数为199-209的碎片离子；碳链长度为15的氯化石蜡选择性检测质量数为213-223的碎片离子；碳链长度为16的氯化石蜡选择性检测质量数为227-237的碎片离子；碳链长度为17的氯化石蜡选择性检测质量数为241-251的碎片离子。