气相色谱-正构烷烃多内标法分离和检测苯系物

闫秀丽，徐森彪

（普研（上海）标准技术服务有限公司，上海201204）

苯系物（苯、甲苯和二甲苯等）是重要的有机化工原料，也是多种农药、医药中间体的起始原料，在石油化工、橡胶、油漆等行业中应用广泛，是环境监测工作中最常测定的挥发性有机污染物.长期接触会引起头晕、恶心或粘膜刺激作用，甚至会造成慢性中毒，对神经系统和造血系统造成不同程度的损害，并可引起白血病.国际癌症研究机构（IARC 1995）确定苯系物为有毒致癌物质.因此，有关苯系物的检测和控制已引起环保部门和卫生部门的高度关注.

苯系物的测定已建立多种分析方法，主要有气相色谱法［1］、顶空毛细管气相色谱法［2］和气质联用技术等［3］.GC-FID是目前测定苯系物最为常用的方法，同时也是室内空气和居住区大气中苯系物测定的国家标准方法［4-5］.气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）利用色谱分离能力强和质谱结构分析准确的优势，是一种速度快、灵敏度高、针对性强的定性定量分析方法.由于仪器设备价格昂贵，操作较为复杂，实际应用中受到一定的限制.

本文中通过毛细管气相色谱-正构烷烃（正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷等4种物质）内标法研究，并采用苯与环己烷这对最难分离的物质来检查色谱的分离状况，建立了准确检测苯、甲苯和二甲苯的新方法，实现了苯系物定性确证和定量分析的准确检测.结果表明该方法操作简便、准确可靠、重现性好、降低实验费用与时间、实用性强，应用于多种样品中苯系物的分析监测.

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂 Agilent7890气相色谱仪，配备氢火焰离子化检测器（FID）和AS3000的105位自动进样器；色谱柱：SUPELCO SPB-1（30m×0.25mm×0.25μm）；高纯氮气99.99%；QL-200型氢气发生器（济南应用化工科技开发有限公司）；GA2000A型低噪音空气泵（北京中兴汇利科技发展有限公司）.

二硫化碳、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、环己烷、正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷均为分析纯.解析液的配制：在500mL二硫化碳溶液中加入正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷及环己烷5种物质各250μL，取此溶液作为解吸液和配制标准系列的溶液.

1.2 色谱工作条件 柱温（程序升温）35℃（6min）→10℃／min→90℃（0min）→50℃／min→240℃（4min）；进样体积为1μL，自动进样器采用2sec延迟的热针进样方式；进样口温度250℃，检测器温度250℃；载气流量1mL／min，空气流量350mL／min，氢气流量40mL／min；分流比1∶30；补充气30mL／min.

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理方法 对于空气样品，取出已采集样品的炭管（或3M采样器），倒出活性炭，注入2 mL已加入4个内标物的二硫化碳解吸液解吸，时而加以振摇，放置30min，将二硫化碳解吸液倒入自动进样器的小瓶中，送至气相色谱仪待测.

1.3.2 标准系列配制 将含苯、甲苯、二甲苯及二硫化碳的混合液放置36h以上（20℃的室温），移取适量苯、甲苯及二甲苯溶液，用二硫化碳稀释，配成标准溶液系列.苯浓度系列为0.017 5、0.043 8、0.087 7、0.175 3、0.350 6、0.701 2mg／mL；甲苯浓度系列为0.017 3、0.043 3、0.086 7、0.173 4、0.346 8、0.693 5mg／mL；二甲苯浓度系列为0.017 2、0.043 1、0.086 1、0.172 2、0.344 4、0.688 9mg／mL.标准配制使用二甲苯的混合物，计算取3种二甲苯密度的平均值.

1.3.3 内标物的选择 由于测试的样品来自不同的职业场所，这些场所使用的含苯溶剂各不相同，因此选择多个内标.实验选择正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷组成的正构烷烃同系物作内标，可使苯系物进行定性确证和定量分析的准确性大为提高.

1.3.4 样品测定 样品与标准品分别在优化的色谱条件下分析，分别计算标准系列溶液中正己烷，正庚烷，正辛烷及正壬烷4个内标物的峰面积平均值，以苯系物与内标物的峰面积比值为纵坐标，苯系物标准浓度为横坐标，作标准曲线.采用内标法定量，保留时间定性，同时上述正构烷烃内标物辅助定性确证.

2 结果

2.1 色谱结果 上述色谱工作条件下，正己烷、苯、环己烷、正庚烷、甲苯、正辛烷、乙苯、二甲苯的3个异构体和正壬烷11min内实现良好分离，保留时间分别为（min）：2.85、3.45、3.62、4.51、6.21、7.92、9.25、9.48、10.02和10.67，色谱图如图1、图2所示.苯、甲苯的理论塔板数分别为144 181、123 853；苯、甲苯的拖尾因子分别为1.033、1.275；最难分离的苯与环己烷的分离度大于1.5.?

图1 苯系物-正构烷烃标准品色谱图

图2 样品的色谱图

2.2 方法的线性关系 4个内标物分别作内标时的标准曲线、线性回归方程与相关系数如表1.

表1 苯系物各组分工作曲线的线性回归方程和相关系数

2.3 精密度实验 配制低、中、高3个苯系物标准溶液浓度，每个浓度做6个平行样品，按照1.3.1样品处理方法，测定精密度.结果如表2.

表2 精密度实验结果

2.4 检测限 最低检测限（MDL）按照EPA测定方法：在基质中加入分析物的量为估测最低检测限量的3～5倍，求出8次测定的标准差S，S与置信度为99%的单侧t值的乘积即为最低检测限，MDL＝t（n-1，α＝0.99）（S）.测得苯、甲苯、二甲苯的最低检测限分别为0.14μg／mL、2.49μg／mL、1.45μg／mL.

2.5 准确度实验 在气相样品测定中，常用解吸率代替加标回收率，即用解吸率作为准确度的评价.解吸率的测定按照NIOSH方法1501［7］测定了碳管采样的解吸率，用微量注射器注入一定量低、中、高3个浓度（每个浓度做5个平行样）的苯系物标准系列于活性炭管采样器中（同时做3个空白），放置过夜，再按照1.3.1样品处理方法操作，计算解吸率.

表3 解吸率结果

2.6 质量控制

2.6.1 干扰控制 苯和环己烷的沸点非常接近（苯的沸点为80.1℃，环己烷的沸点为80.72℃），是色谱分析中最难分开的一对化合物，环己烷的存在常干扰苯的测定，因此，在配制解析液时特意加入一定量的环己烷，当标准系列中这对最难分离的物质能完全分离时，即表明色谱的分离情况是合格的.同时从色谱图可以看出，苯先于环己烷出峰，即使存在较大量的环己烷形成拖尾峰也不会影响苯的测定，增强了苯对环己烷的抗干扰能力；苯与环己烷两峰之间还分离出一个小峰，此小峰的存在可表明苯与环己烷已完全分离.

2.6.2 方法的准确性和可靠性评价 测试由美国某石油公司的3组盲样样品，每组有4个3M采样器，其中一个是空白，每个样品可能含有正己烷、苯、环己烷、甲苯和二甲苯等5种物质中的任意几种，并有不同的浓度.其要求盲样与样品同时测定，以反映实验方法的真实结果.通过盲样测定，计算正己烷、苯、环己烷、甲苯与二甲苯的解吸率分别为94.4%、89.9%、100.1%、100.1%、101.5%.测定的准确度和精密度都符合国外实验室的精度要求，考核实验结果附后.

表4 盲样1中5种物质测定结果

表5 盲样2中5种物质测定结果

表6 盲样3中5种物质测定结果

在每次大规模采样时均有5%是采集双样，一份在本实验室检测，另一份送美国第三方实验室进行检测；且每年2次在不通知情况下，将美国送来的标准样品混杂于样品中进行监督.实验结果令对方实验室满意.

2.7 样品分析 应用建立的实验方法，检测了数十家可能使用苯的单位（化工厂、喷漆厂、加油站、制鞋厂、印刷厂、橡胶制品厂、服饰厂、箱包厂、工艺品厂和家庭装潢等厂家）的碳管、3M无泵型采样器等样品中的苯系物含量.检测样品数超过10 000，时间跨度3年.同时也应用此方法，将原料样品包括粗苯、洗油、固化剂、各种牌号的汽油、柴油、机油和各种品牌油漆、粘合剂及胶水等，用二硫化碳稀释后，采用同样的色谱条件进行分析，进一步确证了碳管与3M的采样结果.上海某橡胶厂的样品结果如表7.

表7 样品结果表 μg／L

3 讨论

3.1 色谱柱的选择 苯的测定一般采用DB-WAX类极性固定相，但此类固定相在分离时，醇类、酯类物质易干扰苯的测定，因此NIOSH方法1501［7］中指出，遇到这种情况可选用极性小一些的固定相，如DB-1或DB-5类色谱柱，本实验选用与DB-1相似的SPB-1型色谱柱.较近的OSHA中的方法1005也采用了DB-1的60m×0.32mm×0.25μm的色谱柱.

3.2 内标物选择 根据内标物选择的一般原则：内标物应与待测物分子结构相近，在色谱图中内标物在待测物附近出峰；样品中不存在内标物，且内标物与待测物分离完全；内标物应是纯物质；内标物与样品互溶，且不发生化学反应.

3.2.1 内标物在待测物附近出峰 由Kovats提出的用正构烷烃同系物作参考标准，是基于正构烷烃同系物组分在恒温条件下按照保留时间增加的对数值顺序流出.本实验测定对象是苯、甲苯及二甲苯，在DB-1色谱柱上Kovats保留指数［7］：苯653.8、甲苯756.2，二甲苯的3个异构体分别为856.1、857.1，877.6；正己烷600、正庚烷700、正辛烷800和正壬烷900，因此，实验选择正构烷烃正己烷、正庚烷、正辛烷和正壬烷作内标物.根据Kovats保留指数的计算公式，苯的保留指数计算必须通过正己烷与正庚烷才能得到，所以正己烷与正庚烷既可作内标进行定量计算，又可通过它们计算苯的保留值指数.因而，本文中在程序升温前6min采用的是恒温，可以采用计算Kovats保留指数和文献值相对照的方法对苯定性判断.较近的OSHA中的方法1005采用环己基苯作内标.

3.2.2 内标物与待测物分子结构相近 分子结构相近，则物理与化学性质也相近.NIOSH中方法1500测定苯、环己烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷与甲苯，即采用碳管采样，它们均可用活性炭吸附，并都使用二硫化碳解吸后用气相色谱测定.由于这些烷烃均溶于二硫化碳，并且在经过二硫化碳解吸液时均可从活性炭上解吸出来，而不被活性炭重新吸附，方法1500证明了使用这些内标物在物理与化学性质上的可行性，实验选择结构性质与待测物相似的正构烷烃作内标.

3.2.3 样品中不存在内标物 NIOSH方法1500，是 Hydrocarbons，BP 36～126℃；方法1501，是Hydrocarbons，Aromatic.当测定苯系物时一般采用NIOSH1501法.假如实验主要是测定苯，通常情况下选择与它最靠近的正庚烷作内标为好.当样品中正庚烷的峰面积值均超过标准系列正庚烷峰面积平均值的10%时或出现明显增大时，则可认为正庚烷受到干扰，此时不能选择正庚烷作内标，应选用其他物质作内标，此原则也适用于其他3个内标物.在研究中发现，正庚烷或正壬烷作内标使用较多较好，当样品中苯系物受高沸点物质干扰时，可采用正庚烷作内标；当样品中苯系物受低沸点物质干扰时，可用正壬烷作内标.在上万个样品近三年的测定过程中，只有一次发现不能采用正庚烷作内标，其他时段均采用正庚烷作内标.它的峰位置离苯最近，定量时最可靠.

3.2.4 正构烷烃稳定，标准品易得到 这4个正构烷烃从正己烷到正壬烷，很容易购买到分析纯的物质，且化学性质稳定.在与DB-1的相似SPB-1的色谱柱上表现出的色谱峰对称因子确立较好.己烷的USP拖尾因子为1.187 5、正庚烷为1.147 1、正辛烷为1.100 0、正壬烷为1.000 0.USP拖尾因子越趋向于1，则峰的对称性越好，且对其他物质测定的干扰越小.

3.2.5 加入内标量准确性 定量分析要求内标物的量准确加入，实际操作中可采用多种方法.活性碳管经解吸液解吸后，定量取出部分，再加入一定量的内标液；在碳管中加入二硫化碳进行解吸，再加入一定体积的内标液；在碳管中定量加入含内标物质的解吸液.由于这些烷烃在二硫化炭解析时不会再被活性碳所吸附，实验采用将这些烷烃加入二硫化碳中，形成混合解析液.取此混合解吸液1.6mL，进样检测.由于体积较大，取样意味着相对较小，一定程度上保证了实验的准确度.

3.2.6 内标物保证定性的准确度 采用内标物后，可采用相对保留时间来定性，将苯、甲苯与二甲苯的保留时间分别与正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷的保留时间进行比较，比值取百分数表示.结果如表8.

以上结果显示，内标物峰位越是接近待测物峰位，相对保留时间的离散度越小.如苯的保留时间与正庚烷的保留时间比值范围为-1.6%～1.1%，而当采用与正壬烷保留时间相比时，比值范围为-15.4%～14.7%.此结果与内标物和待测物的峰位置接近的内标选择原则一致，二者越是接近，偏差越小.定量时越接近，定量误差越小；定性时越接近，定性误差越小.

表8 相对保留值

3.2.7 采用内标法降低实验费用 分析纯的二硫化碳作为解吸液，可能含有微量杂质苯与甲苯，为避免由此带来的实验干扰，本实验在二硫化碳解吸液中加入内标物，再用此混合解吸液配制标准曲线与解吸碳管样品，此二硫化碳溶液中的苯与内标物（如正庚烷）的比值是一个恒定值，受进样与仪器操作条件的变化影响极小，所以在实验中很容易扣除这个本底值.而当采用外标法时，二硫化碳中本身含有杂质苯的峰面积易受进样与操作条件细微变化而改变，此变化值将引起样品测定值的变化，扣除这个本底值比较困难.因此，要求二硫化碳中不能含有苯与甲苯，需要购买色谱级的二硫化碳或再进一步纯化处理.NIOSH方法中由于未使用内标法，要求二硫化碳为色谱级；在最近的OSHA中使用环己基苯作内标，要求二硫化碳为试剂级及以上纯度.在实验中发现，二硫化碳中的微量苯越低越好，越低时它的检测限也低.这就是我们在前述检测限的数据中苯的检测限较低，而甲苯的检测限偏高的原因，这批二硫化碳中苯的含量少于甲苯的量.不过，检测限仍较理想，以苯为例：本文中最低检测限为0.14μg／mL；NIOSH使用毛细管柱的最低检测限为1μg／mL.

综上，正构烷烃多内标法分析苯系物仪器和操作方法简单，定性定量准确，实用性强，可满足车间空气和上述工厂产品质量控制与监测苯系物的要求，基层单位监控更为适用.

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