静态顶空-气相色谱质谱选择性测定卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的方法

摘要

本发明涉及一种静态顶空-气相色谱质谱选择性测定卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的方法。为了选择性测定卷烟滤嘴截留烟气中7种苯系物，本发明采用静态顶空-气相色谱质谱选择离子定量的测定方法。该检测方法对7种苯系物的定量检出限为0.003~0.005μg/cig；加标回收率分别为86.2%~102.8%；相对标准偏差小于5%。该检测方法操作简单、测定快速，并且准确度和灵敏度高，为滤嘴材料的选择和选择性地降低卷烟烟气中苯系物的释放量提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的方法，具体涉及一种采用静态顶空- 气相色谱质谱联用法选择性测定卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的方法。

背景技术

卷烟主流烟气是一个复杂的混合物体系，其中苯系物属于挥发性芳香烃的一类化合物， 主要包括：苯、甲苯、乙苯、对-二甲苯、邻-二甲苯、间-二甲苯和苯乙烯等，该物质被吸入 人体，都会直接或间接地危害到人体的身体健康。卷烟滤嘴可以有效地滤除卷烟烟气中的部 分有害成分，目前对烟草中特有的有害成分如亚硝胺、羰基化合物、酚类化合物、农残、丙 烯酰胺等已有报道，但卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的测定分析方法尚鲜有报道。不同滤嘴由 于过滤材料不同和添加的吸附剂不同，对烟气中化学成分的吸附效果有着很大差异。因此， 建立一种测定卷烟滤嘴烟气中苯系物截留量的分析方法，对考察不同滤嘴对烟气中苯系物的 截留效果及有选择性地降低烟气中苯系物的释放量有着重要意义。

卷烟主流烟气中含有的挥发性有害成分一直是研究热点，其中苯系物则是主要的研究对 象之一。由于苯系物的易挥发性，其主要存在于主流烟气的气相成分中，因此对其检测技术 要求变得尤为重要。目前，卷烟主流烟气中苯系物主要有热脱附、冷溶剂捕集、顶空固相微 萃取等前处理技术以及近年来新兴的在线质谱等检测方法。但是，对于卷烟滤嘴截留烟气中 的苯系物研究却鲜有报道。本发明基于静态顶空(static headspace,SHS)自动进样分析技术的简 便、前处理无需溶剂萃取自动化的特点，旨在建立一种简便、快速、准确的选择性测定卷烟 滤嘴中苯系物截留量的静态顶空-气相色谱质谱联用的分析方法，为滤嘴材料的选择和卷烟降 焦减害提供技术支撑和参考依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静态顶空-气相色谱质谱选择性测定卷烟滤嘴截留烟气中苯 系物的方法。针对现有技术中缺乏检测卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的问题，本发明采用静态 顶空（SHS）与气相色谱质谱（GC/MS）相结合，建立一种简便、快速、准确的选择性测定 卷烟滤嘴中苯系物截留量的SHS-GC/MS分析方法。

为实现上述目的，本发明的静态顶空-气相色谱质谱选择性测定卷烟滤嘴截留烟气中苯系 物的方法，采用静态顶空、气相色谱质谱选择离子定量测定卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的含 量。其中，气相色谱采用HP-INNOWAX色谱柱，外标法定量。

较佳的，所述卷烟滤嘴截留烟气中苯系物为：苯、甲苯、乙苯、对-二甲苯、邻-二甲苯、 间-二甲苯和苯乙烯。

所述静态顶空-气相色谱质谱选择性测定卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的方法，主要包括以 下步骤：

1）苯系物标准储备溶液的配制：

A.准确称取6种苯系物(苯、乙苯、对-二甲苯、邻-二甲苯、间-二甲苯和苯乙烯)的纯物质， 用三乙酸甘油酯定容，配成混合标准储备溶液；

B.准确称取甲苯的纯物质，用甲醇定容，配成甲苯标准储备溶液。

较佳的，所述步骤1）的A中，混合标准储备溶液中每种苯系物的浓度为2mg/ml。

较佳的，所述步骤1）的B中，甲苯标准储备溶液中甲苯的浓度为1mg/ml。

2）苯系物标准工作曲线的绘制：

A.分别准确移取不同量的步骤1）的A中混合标准储备溶液和步骤1）的B中甲苯标准储 备溶液多份，混合后，用三乙酸甘油酯稀释定容为一系列不同浓度的混合标准溶液；

B.将步骤2）的A中一系列不同浓度的混合标准溶液分别进行SHS-GC/MS检测，获得苯 系物质量浓度与峰面积的线性关系，以每一种苯系物色谱峰面积为Y轴，其相应的质量浓度 （μg/mL）为X轴，绘制相应的标准工作曲线，计算得到各标准工作曲线的回归方程。

较佳的，所述步骤2）的A中，准确移取步骤1）的A中混合标准储备溶液和步骤1）的 B中甲苯标准储备溶液，配成6份混合标准溶液，每份混合标准溶液中，各苯系物的浓度均 相等，且6份标准溶液中各苯系物的浓度分别以0.08、0.16、0.4、0.8、1.6、4μg/ml递增。

3）样品在静态顶空处理前的准备：挑选卷烟烟支，在一定温湿度条件下平衡，用吸烟机 抽吸，用滤片捕集方式捕集卷烟烟气。将剔除烟蒂的滤嘴样品置于顶空瓶中，加入基质溶剂， 迅速压紧瓶盖，放入顶空进样器。

较佳的，所述步骤3）中挑选卷烟烟支方式，是按GB/T5606.1-2004标准挑选卷烟烟支； 将挑选烟支在温度（22±2）℃，相对湿度（60±5）%条件下平衡48小时。

较佳的，所述步骤3）中滤片捕集方式，是按GB/T19609-2004标准捕集卷烟烟气；所述 滤片，可用剑桥滤片。

较佳的，所述步骤3）中基质溶剂为三乙酸甘油酯，体积为1-4ml。优选为1ml。

4）卷烟滤嘴样品中苯系物含量的测定：将步骤3）中剔除烟蒂的滤嘴样品进行SHS-GC/MS 分析，将获得的各个苯系物色谱峰面积为Y值，分别代入步骤2）的B中各标准工作曲线的 回归方程，可得到相应苯系物质量浓度含量。

较佳的，所述步骤2）的B和步骤4）中静态顶空处理，样品平衡时间为5-60min，平衡 温度为50℃-150℃。优选为30min，120℃。

较佳的，所述步骤2）的B和步骤4）中静态顶空条件为：

样品平衡温度：120℃；样品环温度：130℃；传输线温度：140℃；样品平衡时间：30min； 色谱柱压力：15psi；进样压力：20psi；加压时间：0.2min；进样时间：0.2min；拔针时间： 0.5min；进样模式：时间恒定、高压进样。

较佳的，所述步骤2）的B和步骤4）中GC/MS条件为：

气相色谱条件为：色谱柱：HP-INNOWAX（30m×0.25mm×0.25μm）；进样口温度：180℃； 载气：高纯氦气，纯度≥99.999%；流速：1.0mL/min（恒流模式）；分流比：10:1；升温程序： 初始温度35℃保持8min，以4℃/min的速度升至80℃，再以6℃/min的速度升至180℃，然 后以30℃/min的速度升至240℃，保持5min。

质谱条件为：传输线温度：240℃；离子源温度：220℃；溶剂延迟：3min；电离方式： EI源；电离能量：70eV；扫描方式：全扫描(Scan)和选择离子监测(SIM)。

如上所述，本发明具有以下的有益效果：

本发明建立了一种静态顶空–气相色谱/质谱联用选择性测定卷烟滤嘴中截留烟气中7种 苯系物含量的方法。样品经120℃、30min静态顶空后，气相色谱采用HP-INNOWAX柱， 气相色谱-质谱选择离子模式检测，外标法定量。7种苯系物测定标准曲线的线性关系良好， 相关系数r=0.9990～0.9995。7种苯系物的方法检出限(LOD)为0.001～0.002μg/cig，定量检出限 (LOQ)为0.003～0.005μg/cig，具有较高的灵敏度。7苯系物的回收率为86.2%～102.8%，相对 标准偏差RSD为2.1%～4.9%，具有较好的准确性和精密度。

本发明直接对卷烟滤嘴中7种苯系物含量进行测定，该方法不仅样品前处理简便，而且 使用自动顶空进样器可以实现大批量样品的快速检测，既可有效避免苯系物的挥发损失和减 少卷烟烟气复杂基质对检测组分的干扰，又具有简单快速、准确灵敏、精密度好等特点，适 用于卷烟滤嘴截留烟气中苯系物的测定，应用于实际样品检测取得了良好效果。

附图说明

图1标准样品Scan、标准样品SIM和样品SIM的总离子色谱图1A、1B和1C，其中，1： 苯；2：甲苯；3：乙苯；4：对-二甲苯；5：间-二甲苯；6：邻-二甲苯；7：苯乙烯

图2顶空平衡时间对峰面积的影响图

图3顶空平衡温度对峰面积的影响图

图4不同体积基质溶剂对顶空灵敏度的影响图

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用 于限制本发明的保护范围。

实施例1

1实验部分

1.1材料、试剂和仪器

卷烟样品（选自卷烟企业）；三乙酸甘油酯（AR，国药集团化学试剂有限责任公司）；苯 （99%，美国Sigma公司）；甲苯（1mg/mL，溶剂甲醇）（美国Sigma公司）；乙苯（99%， 美国Sigma公司）；邻、间、对-二甲苯（99%，美国Sigma公司）；苯乙烯（99%，美国Sigma 公司）；Perkin Elmer Clarus600型气相色谱/质谱联用仪、Turbo Matrix40Trap型自动顶空仪 （PE公司）；RM20H型转盘吸烟机，配备有CO型自动分析仪（德国borgwaldt technik公司）； 剑桥滤片（德国borgwaldt technik公司，92mm）；AG104型分析天平（感量：0.1mg，瑞士 梅特勒-托利多公司）

1.2样品处理与分析

分别准确称取0.1g6种苯系物(苯、乙苯、对-二甲苯、邻-二甲苯、间-二甲苯和苯乙烯) 于50ml容量瓶，使用三乙酸甘油酯定容，配制浓度为2mg/ml混合标准储备溶液；准确称取 0.1g甲苯于100ml容量瓶，使用甲醇定容，配制浓度为1mg/ml的甲苯标准储备溶液。

分别准确移取浓度为2mg/ml的混合标准储备溶液1、2、5、10、20、50μl和浓度为1mg/ml 的甲苯标准储备溶液2、4、10、20、40、100μl于6只25ml容量瓶中，并用三乙酸甘油酯定 容至25ml，配制6份混合标准溶液，每份混合标准溶液中，各苯系物的浓度均相等，得到浓 度分别为0.08、0.16、0.4、0.8、1.6、4μg/ml系列混合标准溶液。

按GB/T5606.1-2004和GB/T19609-2004挑选卷烟烟支样品，将挑选烟支在温度（22±2） ℃，相对湿度（60±5）%条件下平衡48小时；取出烟支，用吸烟机在标准条件下抽吸，用剑 桥滤片捕集烟气。抽吸完毕，取1支剔除烟蒂的滤嘴置于20ml顶空瓶中，加入1ml基质溶剂 三乙酸甘油酯，迅速压紧瓶盖，放入顶空进样器进行GC/MS分析。同时将混合标准溶液分别 进行SHS-GC/MS分析，获得标准工作曲线。分析条件为：

（1）SHS条件。样品平衡温度：120℃；样品环温度：130℃；传输线温度：140℃；样 品平衡时间：30min；色谱柱压力：15psi；进样压力：20psi；加压时间：0.2min；进样时间： 0.2min；拔针时间：0.5min；进样模式：时间恒定、高压进样。

（2）GC/MS条件。色谱柱：HP-INNOWAX（30m×0.25mm×0.25μm）；进样口温度： 180℃；载气：高纯氦气，纯度≥99.999%；流速：1.0mL/min（恒流模式）；分流比：10:1；升 温程序：传输线温 度：240℃；离子源温度220℃；溶剂延迟：3min；电离方式：EI源；电离能量：70eV；扫 描方式：全扫描(Scan)和选择离子监测(SIM)。

将样品经GC/MS分析，获得的各个苯系物色谱峰面积，分别代入上述混合标准溶液经 GC/MS分析后获得苯系物质量浓度与峰面积的线性关系绘制的标准工作曲线所计算的回归 方程中，可以获得样品的质量浓度。

采用比较保留时间、标样加入法定性，SIM模式下外标法定量。7种苯系物的保留时间 和特征离子见表1。

表17种苯系物的保留时间和定性定量离子

2结果与讨论

气相色谱参数和顶空进样参数是影响静态顶空-气相色谱-质谱法测定苯系物的主要两个 因素。其中，气相色谱参数：色谱柱类型和柱温箱升温程序，主要影响待测化合物的分离度； 而顶空进样参数主要有平衡温度、平衡时间、加压压力和进样时间等，这些因素直接影响进 入GC的样品量，进而影响实验的灵敏度，因此自动顶空进样器的条件和气相色谱条件的优 化对于苯系物测定的灵敏度和稳定性至关重要。以下着重从色谱柱的选择、顶空平衡时间、 平衡温度和基质溶剂使用体积进行条件的优化。

2.1色谱柱的选择

根据待测物的结构性质和相关文献的查阅，本实验考察了非极性的Elite-5MS （30m×0.25mm×0.25μm）、中等极性的Elite-VRX（60m×0.32mm×1.8μm）和强极性的 HP-INNOWAX（30m×0.25mm×0.25μm）3种气相色谱柱，作为分析柱对待测物7种苯系物进 行分离。结果表明，采用非极性的HP-5MS和中等极性的Elite-VRX毛细管柱分离时，对-二 甲苯和间-二甲苯两峰叠加不能分开，而Elite-VRX毛细管柱对邻-二甲苯和苯乙烯也不能完全 分离；采用强极性的HP-INNOWAX毛细管柱分离经过对初始温度、程序升温的优化可以在 对-二甲苯和间-二甲苯两峰间和邻-二甲苯和苯乙烯之间都具有较好的分离度(R>1.5)，18min 内7种苯系物完全达到基线分离(见图1)，且灵敏度高。因而选择HP-INNOWAX （30m×0.25mm×0.25μm）为色谱分析柱。

2.2SHS平衡时间的选择

气相中各组分的分压不仅受温度的影响，而且与平衡时间有关。样品的平衡时间主要与 样品的挥发性、进样量和平衡温度有关。实验中为了考察平衡时间对顶空分析灵敏度的影响， 将质量浓度为0.8μg/mL的混合标准溶液置于顶空瓶中，在80℃条件下设定平衡时间分别为5、 10、20、30、45、60min，由图2可见，在该平衡温度下，由于各待测物的沸点的差异，最佳 平衡时间不尽相同。7种待测物经5～30min基本上都是峰面积响应值逐渐增大，经30min后 峰面积响应值趋于平衡，变化不大，表明30min平衡时间顶空气-液两相已基本达到平衡。综 合考虑，选择30min作为平衡时间。

2.3SHS平衡温度的选择

温度是影响气液两相平衡的重要因素。升高温度可缩短平衡时间，使气相中的有机物浓 度增加，提高灵敏度，但温度过高干扰物质增加干扰，降低目标物的浓度，同时影响色谱柱 的使用寿命。实验中为了考察平衡温度对顶空分析灵敏度的影响，将质量浓度为0.8μg/ml的 混合标准溶液置于顶空瓶中，在平衡时间30min条件下设定平衡温度分别为50、60、80、100、 120、140、150℃进样分析。结果(见图3)可看出，平衡温度从50℃升至80℃，7种苯系物 的相应峰面积增幅较小，从80℃升至140℃，相应峰面积增幅逐渐升高的趋势较为明显，升 到150℃时，苯趋于平衡，可能由于苯的沸点较低，升到150℃已达到气液平衡，其他6种增 幅趋缓。由于卷烟滤嘴截留主流烟气成分较多，温度越高，挥发性化合物越多，杂质峰增加 且对离子源污染也越大，因而，本实验选择120℃为平衡温度。

2.4SHS基质校正剂体积的选择

由于待测样品基质差异，顶空气体中各组分的含量通常受到基质效应的影响。因而，有 效地消除样品的基质效应，使分析样品与标准溶液具有相同的基质溶剂，可以提高定量分析 的准确性。其中，基质溶剂使用量以及气液体积比是影响静态顶空分析灵敏度的重要因素之 一。本实验使用三乙酸甘油酯为基质校正剂，分别考察了该溶剂使用体积1ml、2ml、4ml对 静态顶空灵敏度的影响。由图4可知，随着使用体积的增加，待测苯系物的量明显减少趋势， 可能由于随着液相的体积增加，气相体积相应减少，从而减少气相中待测化合物的浓度。因 而，本实验选择SHS基质校正剂的体积为1ml。

2.5工作曲线及方法的检出限、回收率、精密度

分别准确移取浓度为2mg/ml混合标准储备溶液1、2、5、10、20、50μl和浓度为1mg/ml 的甲苯标准储备溶液2、4、10、20、40、100μl于6只25ml容量瓶中，并用三乙酸甘油酯定 容至25ml，每份混合标准溶液中，各苯系物的浓度均相等，得到浓度分别为0.08、0.16、0.4、 0.8、1.6、4μg/ml系列混合标准溶液。分别对这6个不同浓度的混合标准溶液进行SHS-GC/MS 分析，得到苯系物质量浓度与峰面积的线性关系(见表2)，相关系数r=0.9990～0.9995。以样品 中组分在仪器上产生3倍信噪比(S/N)和10倍信噪比(S/N)所对应的分析物浓度分别计为方法 检出限(LOD)和定量检出限(LOQ)，7种苯系物的LOD为0.001～0.002μg/cig，LOQ 为.003～0.005μg/cig。

表2工作曲线和检出限

Y：峰面积；X：滤嘴含量，μg/cig

在已知待测物质（6次测定的平均值）的卷烟滤嘴样品中分别加入低中高3个不同浓度 （0.4、1.6、4μg/ml）的标准溶液，采用SHS-GC/MS法测定相应的7种苯系物进行回收率和 重复性测定，每个质量浓度水平测定6次(n=6)，结果见表3。显示，7苯系物的回收率为 86.2%～102.8%，相对标准偏差RSD为2.1%～4.9%，表明本方法的准确性和精密度较好。

表3卷烟滤嘴中截留苯系物的回收率和精密度(n=6)

2.6实际卷烟滤嘴样品中的测定

利用本方法对8种不同品牌卷烟滤嘴截留烟气中中7种苯系物做了测定，详细见表4。 结果表明，卷烟滤嘴对卷烟主流烟气中7种苯系物都一定的截留，其中甲苯、间-二甲苯和苯 乙烯的截留量明显多于苯、乙苯、对-二甲苯和邻二甲苯，可能由于卷烟燃吸时生成苯系物的 量的差异所致。

表4卷烟滤嘴中截留苯系物的检测结果（μg/cig）

苯系物 样品1 样品2 样品3 样品4 样品5 样品6 样品7 样品8 苯 0.42 0.40 0.35 0.62 1.14 1.04 0.57 0.51 甲苯 2.11 1.80 1.15 2.42 4.74 4.04 1.99 2.22 乙苯 1.04 0.65 0.44 0.85 1.71 1.25 0.65 0.88 对-二甲苯 0.72 0.52 0.34 0.63 1.36 0.96 0.48 0.57 间-二甲苯 1.66 1.28 0.77 1.38 3.27 2.34 1.14 1.50 邻二甲苯 0.79 0.50 0.35 0.65 1.36 0.94 0.47 0.61 苯乙烯 4.13 2.29 1.95 3.54 5.74 4.23 2.48 3.18

3结论

综上所述，本发明建立了一种静态顶空-气相色谱/质谱联选择性测定卷烟滤嘴中截留烟气 中7种苯系物含量的方法，经实际样品测定，该方法不仅样品前处理简便，而且使用自动顶 空进样器可以实现大批量样品的快速检测。同时，该方法可有效避免苯系物的挥发损失和减 少卷烟烟气复杂基质对检测组分的干扰，精密度好、准确度高、快速灵敏，适用于卷烟滤嘴 截留烟气中苯系物的测定。