静态顶空GC/MS测定卷烟滤嘴截留的烟气中苯系物

姬厚伟, 满杰，刘剑, 刘纳纳，王芳, 韩伟

贵州中烟工业有限责任公司技术中心，贵阳市小河区开发大道96号，550009

静态顶空GC/MS测定卷烟滤嘴截留的烟气中苯系物

姬厚伟, 满杰，刘剑, 刘纳纳，王芳, 韩伟

贵州中烟工业有限责任公司技术中心，贵阳市小河区开发大道96号，550009

为测定卷烟滤嘴截留烟气中的苯系物，建立了静态顶空-气相色谱质谱选择离子定量的测定方法。样品经120 ℃、30 min静态顶空后，采用HP-INNOWAX柱分离和质谱检测，外标法定量。在优化条件下，该方法线性回归较好，相关系数r＞0.999，线性范围为0.08～4 μg/mL，定量检测限为0.003～0.005 μg /支；回收率在86.2% ～ 102.8%之间；RSD小于5%。该方法具有简单快速、准确灵敏等特点，适用于实际样品检测。

静态顶空；气相色谱-质谱；苯系物；卷烟；滤嘴

卷烟主流烟气是一个复杂的混合物体系，苯系物则是卷烟烟气中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、间-二甲苯、邻-二甲苯和苯乙烯等，该物质被吸入人体都直接或间接的危害到人体的身体健康[1-2]。滤嘴可以有效地降低卷烟烟气中的部分有害成分[3]，已报道的有烟草特有亚硝胺[4]、羰基化合物[5]、 酚类化合物[6]、农残[7-8]、丙烯酰胺[9]等有害成分，而卷烟滤嘴截留苯系物的测定分析方法尚鲜有报道，因此，建立一种测定卷烟滤嘴对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。

卷烟主流烟气挥发性有害成分一直是研究热点，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中的气相成分，因此对其检测前处理显得尤为重要，热脱附[10]、冷溶剂捕集[11]、顶空固相微萃取[12-13]等以及近年来新兴的在线质谱检测方法[14-15]被发展，而本实验基于静态顶空(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[16-19]，旨在建立一种简便、快速、准确的测定卷烟滤嘴中苯系物的截留量的静态顶空-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。

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%）、甲苯（1 mg/mL，溶剂甲醇）、乙苯（99%）、苯乙烯（99%）和邻、间、对–二甲苯（99%）标准品均购置美国Sigma公司；Perkin Elmer Clarus 600型气相色谱/质谱联用仪、自动顶空仪Turbo Matrix 40 Trap（PE公司）；RM20H 型转盘吸烟机，配备有CO 自动分析仪（德国Borgwaldt Technik 公司）；剑桥滤片（德国Borgwaldt Technik公司，ø 92 mm）；分析天平AG104（感量：0.1 mg，瑞士梅特勒-托利多公司）。

1.2 样品处理与分析

使用三乙酸甘油酯配制6种苯系物(苯、乙苯、对-二甲苯、间-二甲苯、邻-二甲苯和苯乙烯)浓度为 2 mg/mL混合标准储备溶液，甲苯储备液为1 mg/mL的甲醇溶液，准确移取2 μg/mL苯系物混合标准溶液 1 μL、2 μL、5 μL、10 μL、20 μL、50 μL和1 μg/mL的甲苯标准溶液2 μL、4 μL、10 μL、20 μL、40 μL、100 μL于6只25 mL容量瓶中，并用三醋酸甘油酯定容至25 mL，得到浓度分别为0.08 μg/mL、0.16 μg/mL、0.4 μg/mL、0.8 μg/mL、1.6 μg/mL、4 μg/mL系列混合标准溶液。

按《GB/T 5606.1—2004卷烟 第1部分：抽样》和《GB/T 19609—2004卷烟 用常规分析用吸烟机测定 总粒相物和焦油》挑选卷烟烟支，并于温度(22±2) ℃和相对湿度(60±5)%条件下平衡48 h；使用RM20H 型20孔道转盘吸烟机，抽吸方法按照ISO规定的标准方法。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20 mL顶空瓶中，加入1 mL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。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：30 min；色谱柱压力：15 psi；进样压力：20 psi；加压时间：0.2 min；进样时间：0.2 min；拔针时间：0.5 min；进样模式：时间、恒定、高压进样。

（2）GC/MS条件。色谱柱：HP-INNOWAX（30 m×0.25 mm, 0.25 μm）；进样口温度：180 ℃；载气：高纯氦气，纯度≥99.999%；流速：1.0 mL/min（恒流模式）；分流比：10:1；升温程序：升温程序：35 ℃（8 min）80 ℃180 ℃240 ℃（5 min）；传输线温度：240 ℃；离子源温度220 ℃；四级杆温度：150 ℃；溶剂延迟：3 min；电离方式：EI源；电离能量：70 eV；扫描方式：全扫描(Scan)和选择离子监测(SIM)。

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1 7种苯系物的保留时间和定性定量离子Tab. 1 Retention time, qualitative ions and quantitative ions of the 7 benzene series

2 结果与分析

气相色谱参数和顶空进样参数是影响顶空气相色谱-质谱法测定苯系物的两个主要因素。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。本文着重从色谱柱的选择、顶空平衡温度、平衡时间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（30 m×0.25 mm，0.25 μm）、中等极性的Elite-VRX（60 m×0.32 mm，1.8 μm）和强极性的HP-INNOWAX（30 m×0.25 mm，0.25 μm）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)，18 min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（30 m×0.25 mm，0.25 μm）为色谱分析柱。

图1 标准样品Scan(A)、标准样品SIM(B)、样品SIM(C)和空白样SIM(D)的总离子色谱图Fig. 1 Total ion chromatograms of standard sample Scan(A), standard sample SIM(B), sample SIM(C) and blank sample SIM(D)

2.2 SHS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0.8 μg/mL的混合标准溶液置于顶空瓶中，在平衡时间30 min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2)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。

图2 顶空平衡温度对峰面积的影响Fig. 2 Effect of headspace equilibrium temperature on peak areas of benzene series

2.3 SHS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0.8 μg/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 min、10 min、20 min、30 min、45 min、60 min，由图3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5～30 min基本上都是峰面积响应值逐渐增大，经30 min后峰面积响应值趋于平衡，变化不大，表明30 min平衡时间顶空气-液两相已基本达到平衡。综合考虑，选择30 min作为平衡时间。

图3 顶空平衡时间对峰面积的影响Fig. 3 Effect of headspace equilibrium time on peak areas of benzene series

2.4 SHS基质校正剂和体积的选择

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，为了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[20]。根据文献报道，本实验选择三乙酸甘油酯为基质校正剂[17]。由于气液体积比也是影响顶空分析灵敏度的重要因素之一，因此本实验考察了基质溶剂使用量对顶空灵敏度的影响。本实验分别考察了基质溶剂使用体积1 mL、2 mL、4 mL对顶空灵敏度的影响。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。因此，本实验选择1 mL基质溶剂。

图4 不同体积基质溶剂对顶空灵敏度的影响Fig. 4 Effect of different volumes of matrix solvents on headspace sensitivity

2.5 工作曲线及方法的检测限

分别对这6个不同浓度的标准溶液进行SHS-GC/MS分析，采用外标法定量，用各种苯系物色谱峰面积对其相应苯系物质量浓度进行回归分析，得回归方程及其相关参数，其中纵坐标Y为目标化合物色谱峰峰面积，X为相应目标化合物质量浓度见表2，由此可见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。检出限（LODs）和定量限（LOQs）分别是采用3 倍信噪比和10 倍信噪比计算，7 种苯系物的 LODs 为 0.001～0.002 μg/支，LOQs 为0.003～0.005 μg/支可见在本文优化的最佳条件下，7种苯系物均有较好的线性关系及较高的灵敏度。

表2 7种苯系物的线性方程、线性范围、相关系数、定量限和检测限Tab. 2 Linear equations, linear ranges, correlation coef fi cients, LOQs and LODs of the 7 benzene series

2.6 方法的回收率和精密度

在已知待测物质（6次测定的平均值）的卷烟滤嘴中分别加入低、中、高3个不同浓度的标准溶液，采用SHS-GC/MS法测定相应的7种苯系物并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。结果显示回收率为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)Tab. 3 Recoveries and RSDs of the 7 benzene series trapped in cigarette fi lter (n=6)

续表3

2.7 实际卷烟滤嘴样品中的测定

每一种品牌卷烟选取5支，利用本方法分别对8种不同品牌卷烟滤嘴截留烟气中7种苯系物做了测定，每种滤嘴截留量取其平均值，结果详见表4。分析数据表明，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，主要是由于不同品牌卷烟燃吸时释放苯系物的量的差异所致[13]。

表4 卷烟滤嘴中截留苯系物的检测结果Tab. 4 Testing results of the benzene series trapped in cigarette fi lter μg/cig

3 结论

建立了一种简便、高效、精确的静态顶空–气相色谱/质谱联用法测定卷烟滤嘴中截留主流烟气中7种苯系物的方法。以 1 mL三醋酸甘油酯为基质溶剂，顶空为前处理手段，GC/MS选择离子检测，7种苯系物线性回归较好，加标回收率分别为86.2% ～102.8%，RSD小于5%。应用于实际样品的测定，不仅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，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。

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Determination of benzene compounds in mainstream cigarette smoke entrapped by fi lter using static headspace GC/MS method

JI Houwei, MAN Jie, LIU Jian, LIU Nana, WANG Fang, HAN Wei
Technology Center of China Tobacco Guizhou Industrial Co. Ltd, Guiyang 550009, China

A static headspace gas chromatography-mass spectrometry (SHS-GC/MS) under selected ion monitoring mode was developed to determine benzene compounds in mainstream cigarette smoke entrapped by fi lter. Under optimized experimental condition, cigarette fi lters were treated at 120℃ for 30 min, and the evolved products were separated on a HP-INNOWAX column, determined by MS and quanti fi ed by external standard method. Results showed that: the linear range was from 0.08 to 4 μg/ml with a good linear correlation coef fi cient (r＞0.999) and the limits of quanti fi cation (LOQs) were 0.003～0.005 μg/cig; the recoveries were from 86.2 to 102.8% and the relative standard deviations (RSDs) were less than 5%.This method is accurate, simple and rapid, and be used for analyzing seven benzene compounds in cigarette smoke entrapped by fi lter.

static headspace; gas chromatograph-mass spectrometry; benzene series; cigarette; fi lter

:JI Houwei, MAN Jie, LIU Jian, et al. Determination of benzene compounds in mainstream cigarette smoke entrapped by fi lter using static headspace GC/MS method [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2015,21 (2)

姬厚伟, 满杰，刘剑,等. 静态顶空GC/MS测定卷烟滤嘴截留的烟气中苯系物[J]. 中国烟草学报，2015,21（2）

贵州中烟工业有限责任公司科技项目“不同类型卷烟滤嘴截留主流烟气中苯系物的分析研究”（201113）

姬厚伟（1978—），硕士，工程师，主要从事烟用材料及烟草化学分析研究，Tel：0851-83981473，Email：jihouwei@163.com

刘剑，博士，高级工程师，主要从事烟草及烟气化学分析，Tel：0851-83981463，Email：jliuemail@163.com

2013-12-11