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综矛华
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1 2015 年 1 月 Vol.33 No.1 January 2015 Chinese Journal of Chromatography 52 ~ 57 研究论文 DOI: / SP.J 气相色谱质谱联用分析 5 种有机磷农药时氢气代替氦气作为载气的可行性考察刘振学, 周仕学 ( 山东科技大学化学与环境工程学院, 山东青岛 ) 摘要 : 迄今为止, 氦气几乎是气相色谱质谱联用仪运行中唯一可选的载气本文使用气相色谱质谱联用仪考察了氢气和氦气分别作为载气时, 对 5 种有机磷农药混合标准溶液的检测, 以确定氢气代替氦气作为气相色谱质谱联用仪载气用于有机磷农药分析的可行性用工作站自带解卷积软件 ( 自动质谱解卷积鉴定系统,AMDIS32), 结合自建有机农药质谱库对结果进行了解析, 而后用 SPSS 统计软件对数据进行了聚类分析结果发现, 以氢气为载气时虽然出峰稍快, 但色谱峰分离度较低, 解良度较低, 且待测物信号不稳定, 测定准确度较低, 有些化合物甚至检测不到因此以氢气为载气分析有机磷农药时应对测定准确度信号稳定性安全性等诸多因素进行慎重考虑关键词 : 气相色谱质谱 ; 氢气 ; 载气 ; 自动质谱解卷积鉴定系统 ; 解良度 ; 有机磷农药中图分类号 :O658 文献标识码 :A 文章编号 : (2015) Feasibility investigation of hydrogen instead of helium as carrier gas in the determination of five organophosphorus pesticides by gas chromatography mass spectrometry LIU Zhenxue, ZHOU Shixue (College of Chemical &Environment Engineering, Shandong University of Science &Technology, Qingdao , China) Abstract: Helium is almost the only choosable carrier gas used in gas chromatography mass spectrometry ( GC MS). A mixed standard solution of five organophosphorus pesticides was analyzed by using GC MS, and hydrogen or helium as carrier gas, so as to study the feasibility of hydrogen instead of helium as carrier gas for the determination of organophosphorus pesti cides. Combining a mass spectrum database built by ourselves, the results were deconvolved and identified by Automated Mass Spectral Deconvolution & Identification System ( AMDIS32), a software belonging to the workstation of the instrument. Then, the statistical software, IBM SPSS Statistics 19 0 was used for the clustering analysis of the data. The results indicated that when hydrogen was used as carrier gas, the peaks of the pesticides detected were slightly earli er than those when helium used as carrier gas, but the resolutions of the chromatographic peaks were lower, and the fraction good indices (Frac. Good) were lower, too. When hydro gen was used as carrier gas, the signals of the pesticides were unstable, the measuring accura cies of the pesticides were reduced too, and even more, some compounds were undetectable. Therefore, considering the measuring accuracy, the signal stability, and the safety, etc., hydrogen should be cautiously used as carrier gas in the determination of organophosphorus pesticides by GC MS. Key words: gas chromatography mass spectrometry ( GC MS); hydrogen; carrier gas; Auto mated Mass Spectral Deconvolution & Identification System ( AMDIS); fraction good; organo phosphorus pesticides 通讯联系人.Tel:(0532) ,E mail:liuzhx1982@ 163.com. 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( / B060901). 收稿日期 :

2 第 1 期刘振学, 等 : 气相色谱质谱联用分析 5 种有机磷农药时氢气代替氦气作为载气的可行性考察 53 随着国内现代化程度的不断提高, 气相色谱质谱联用仪在国内的应用也越来越普遍迄今为止, 适用于气相色谱质谱联用仪的载气几乎只有氦气 (He) 但由于氦气基本靠进口, 价格高昂, 一般单位难以承担除了氦气, 见于报道的只有氢气可以在某些时候代替氦气 [1-3] ; 当然, 若单独使用气相色谱, 则使用氮气作载气也可得到较好的效果 [4] 据研究, 氢气作载气时, 由于传质阻力小, 因而样品出峰快, 可使分析时间明显缩短 [1,2] 但若待测物为具有一定氧化性的物质, 由于氢气会使其发生还原反应而影响测定结果 [1] 而且使用氢气时, 需要更大的载气流量 [1,2] 气相色谱质谱联用仪使用氢气作载气时的大流量带来的真空度问题背景问题以及化学键断裂方式等, 会使测定结果变差, 需加大进样量 [3] 氢气属于易燃易爆气体, 使用时具有一定的危险性, 而且质谱仪内部也可能会产生爆炸 [2] 但新一代质谱仪 Agilent 5975C 已很好地解决了这一问题, 只要注意房间通风, 就可以避免这类危险的发生农药残留分析可用的方法很多, 如一般 GC 法, GC MS 法凝胶色谱法液相色谱法等, 其中 GC MS 法使用最为普遍有多种色谱柱可用于农药残留分析, 如 Ultra 1 MS [4] HP 5 [1,5] HP 5MS [6] DB 1701 [3,7] DB 1 [7] DB 35MS [7] DB 5 [2,7] ( 以上均为美国 Agilent) VF 5MS 柱 [8] ( 日本 Shimadzu) 和 CP sil 8 [9] 等其中,VF 5MS DB 5 HP 5 HP 5MS 和 CP sil 8 柱属于等效柱 [10], 实际应用较多本论文对氢气和氦气作为载气进行对比, 利用 Agilent 7890 / 5975C GC MS 对 5 种有机磷农药混合标准溶液进行了分析研究, 以探讨氢气代替氦气作为载气的可行性色谱柱选用通用的 HP 5MS 柱, 并用工作站自带的自动质谱解卷积鉴定系统 ( AM DIS32) 对分析结果进行了解析, 最后用 SPSS 软件对数据进行了聚类分析 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 Agilent 7890 / 5975C 气相色谱质谱联用仪, HP 5MS 色谱柱 (30 m 250 μm 0 25 μm) 所用载气氢气和氦气均购自青岛恒祥气体有限公司, 均为高纯气体, 纯度大于 % 有机磷农药混合标准溶液, 购自上海阿拉丁试剂公司, 产品编号 O 本农药混合标准溶液含 5 种有机磷农药, 其组成和浓度见表 1 表 1 混合标准溶液中 5 种有机磷农药及其质量浓度 Table 1 Five organophosphorus pesticides and their mass concentrations in a mixed standard solution Pesticide Chinese name ρ / (mg / L) Dichlorvos 敌敌畏 76.3 Dimethoate 乐果 72.9 Malathion 马拉硫磷 73.8 Parathion 对硫磷 86.0 Methyl parathion 甲基对硫磷分析条件 GC 条件载气流速 1 ml / min, 气化室温度 280, 传输线温度 280 进样量 1 μl, 不分流进样实验采用了多个 GC 升温程序, 而且载气种类设置方面除了与实际载气一致外, 还进行了载气交叉设置, 即载气种类设置与实际载气不一致, 以进一步考察不同载气的适应性具体设置如下第一种初温 100, 以 4 / min 升温到 180, 恒温 5 min, 再以 10 / min 升温到 300, 恒温 8 min, 运行时间 45 min 其中 :(1) 载气为氢气重复 5 次, 编号 3 ~ 7 号 (2) 载气种类设置为氦气, 实际为氢气测定一次, 编号为 2 号 (3) 载气种类设置为氢气, 实际为氦气重复 3 次, 编号为 13 ~ 15 号 (4) 载气为氦气测定一次, 编号为 12 号第二种初温 60, 以 5 / min 升温到 300 恒温 12 min, 运行时间 60 min 其中 :(5) 载气为氢气重复 3 次, 编号为 9 ~ 11 号 (6) 载气种类设置为氦气, 实际为氢气重复 2 次, 编号为 1 8 号 (7) 载气种类设置为氢气, 实际为氦气重复 2 次, 编号为号 (8) 载气为氦气测定一次, 编号为 16 号第三种初温 30, 以 3 / min 升温到 300, 运行时间 90 min 其中 :(9) 载气为氦气, 测定一次, 编号为 19 号即利用 3 个不同的升温程序,2 种不同的载气, 2 个不同的载气种类设置, 加上一定的重复测定, 共进行了 19 次测定 MS 条件电子轰击电离 (EI) 源温度 230, 电子轰击能量 70 ev; 四极杆温度 150 ; 全扫描 (Scan), 质量扫描范围 10 ~ 500 u 其他参数均为默认值 1.3 结果处理用仪器工作站自带的解卷积软件 AMDIS32 对分析结果进行解析本论文不对解析结果进行全面分析, 仅就最能说明测定准确度和含量的部分指标进行讨论

3 54 色谱第 33 卷 2 结果与讨论 2.1 质谱库的建立根据 AMDIS 软件自带的农药库, 从 Agilent 公司网站国家标准以及检索到的研究论文出版的有关手册中搜集到余种有机农药类化合物及其 CAS 号, 然后利用 NIST 11 0 的谱图检索功能建立化合物谱图库, 再在 AMDIS 中将其与自带农药库合并, 最后建立了一个更大的农药库, 含有种有机农药及相关化合物 2.2 检测结果解析利用 AMDIS32 对 GC MS 检测结果进行解析本研究主要关注检测的准确度和信号强度, 所以对解析结果进行了筛选, 只留下了代表准确度的匹配度 ( Net: 匹配度 ; Reverse: 逆向匹配度 ) 解良度 (Fraction Good, 缩写为 Frac. Good, 意思为解卷积工作良好度的度量, 未检索到中文译名, 暂时以解良度表示 ) 和代表含量的丰度 ( amount,%, AMDIS 软件处理后得到的待测物峰面积占归一化总面积的百分数 ) 为了便于比较, 根据样品检测结果 ( 即 19 次检测中均检测到了马拉硫磷 ), 将马拉硫磷的丰度设为 100%, 其他农药检测到的丰度与马拉硫磷比较, 也取其百分数, 称为相对丰度 (relative abundance,%) 具体结果见表 2 表 2 19 次检测的 AMDIS32 解析结果 ( 部分 ) Table 2 Deconvolution & identification results of the 19 tests by AMDIS32 ( Partial) Test No. Pesticide Retention time / min Amount / % Net / % Reverse / % Relative abundance / % Frac. Good / % 1 dichlorvos malathion dichlorvos malathion dichlorvos malathion methyl parathion dichlorvos malathion parathion dichlorvos malathion methyl parathion dichlorvos malathion methyl parathion dichlorvos malathion methyl parathion dichlorvos malathion dichlorvos malathion methyl parathion parathion dichlorvos malathion methyl parathion parathion dichlorvos malathion methyl parathion parathion dichlorvos dimethoate malathion methyl parathion parathion

4 第 1 期刘振学, 等 : 气相色谱质谱联用分析 5 种有机磷农药时氢气代替氦气作为载气的可行性考察 55 表 2 ( 续 ) Table 2 ( Continued) Test No. Pesticide Retention time / min Amount / % Net / % Reverse / % Relative abundance / % Frac. Good / % 13 dichlorvos malathion methyl parathion dichlorvos malathion parathion dichlorvos malathion methyl parathion parathion dichlorvos dimethoate malathion methyl parathion parathion malathion methyl parathion parathion malathion methyl parathion parathion dichlorvos malathion methyl parathion parathion 由表 2 可见, 这 19 次检测的结果差别很大马拉硫磷每次都可以检测到, 敌敌畏检测到了 17 次, 甲基对硫磷检测到了 14 次, 对硫磷检测到了 11 次, 而乐果只检测到了 2 次 (12 16 号 ) 这 2 次检测到乐果的检测条件均以氦气为载气, 而且载气种类设置与实际一致, 只有这 2 次检测到了全部 5 种农药显然, 从这个意义上说, 以氦气为载气是最合适的当然, 这两次检测结果的差别也很大, 说明升温程序对结果有巨大影响完全以氢气为载气升温程序相同的 5 次检测 (3 ~ 7 号 ) 结果也不一致, 其中 4 次检测到甲基对硫磷,1 次检测到对硫磷, 而马拉硫磷敌敌畏 5 次均检测到这是 5 次重复检测, 但结果显示, 检测重复性很差这也说明, 用氢气作载气进行有机磷农药的检测结果不很理想同样是完全以氢气为载气的 3 次重复检测 (9 ~ 11 号 ), 只是升温程序不同, 但结果却大不一样这 3 次检测均检测到 4 种农药, 也都未检测到乐果, 其重复性较好这又一次说明升温程序对检测结果的影响之大但因未检测到全部 5 种农药, 这几种方法仍不合适在载气种类设置不当的情况下, 以氦气为载气进行了 3 次重复检测 (13 ~ 15 号 ), 但这 3 次结果相差也很大, 可能是由于载气种类设置不当导致仪器运行时产生了混乱, 从而使结果也较混乱 1 8 号也是重复检测, 虽然其重复性很好, 但均只检测到了 2 种农药号也是重复检测, 重复性不理想, 而且也均有 2 种农药未检测到这两组重复检测都是载气种类设置和实际不一致从上述分析可见, 检测有机磷农药不适合使用氢气为载气, 检测升温程序也非常重要 2.3 检测结果的统计处理为了进一步了解 19 次检测结果相互间的异同, 需要通过聚类分析对全部结果进行统计处理本研究主要对 19 次检测进行对比, 因此选用系统聚类法中的样品聚类,19 个检测号作为样品号, 变量为 5 种磷农药, 距离计算采用欧氏距离, 聚类方法采用最近邻居法此处仅对相对丰度和解良度进行处理, 结果见图 1 和图 2 这两个图的共同点就是无论相对丰度还是解良度,12 16 号检测均单独聚为 1 类, 显示出这 2 次检测的相似性这两个样品均以氦气为载气, 实际和设置一致而同样是载气的设置和实际一致的 3 ~ 7 号和 9 ~ 11 号聚类结果却要复杂得多, 它们或者跟其他检测相混, 或者插入了其他检测样品 ; 这些检测均以氢气为载气, 说明氢气为载气时信号不稳定

5 56 色谱第 33 卷图 1 相对丰度聚类谱系图 Fig. 1 Hierarchical dendrogram of relative abundance 图 2 解良度聚类谱系图 Fig. 2 Hierarchical dendrogram of fraction good 从图 1 看,19 号独立,17 18 号为一组, 这些都是合理的 ;9 ~ 11 号本身就是重复检测, 条件完全一样, 聚为一组也合理 ;3 ~ 7 号虽然较复杂, 但聚为一组的聚类距离也不是很大, 只是与号都聚为一组了 ;13 ~ 15 号本是重复测定, 在该图中却极为分散, 直到把所有这些包括 2 号的共 14 次检测聚为一类时它们才得以重逢, 而这 14 次检测包括多种检测程序, 这也说明了这些检测程序的相似性, 但这是在测定准确度不高的基础上的相似性从图 2 看, 情况与图 1 虽很相似, 但也有差别如 9 ~ 11 号 15 号先聚为一类, 再与 19 号聚为一类 ; 而 13 ~ 15 号却更分散, 直到将除号以外的 17 次检测聚为一类才最终相聚解良度是衡量仪器对不同化合物分辨能力的重要指标, 尤其是对复杂样品, 当出峰多而密集时, 高的解良度标志着 AMDIS 对重叠峰的解析结果更加清晰可靠号解良度非常接近, 明显高于其他检测, 二者单独聚类, 而且直到最后才与由 17 次检测共聚的一类再次聚类, 说明这 2 次测定的可靠性高度一致, 而且明显优于其他检测从这两个指标的聚类分析结果也可以看出, 如果使用氢气作载气, 或者载气种类设置与实际载气不一致, 检测结果均不理想这与 2 2 节的分析结论是一致的, 即氢气不太适合作为载气用于有机磷农药的气相色谱质谱联用检测当然, 如果改用其他色谱柱, 或者可以得出满意的结果, 这有待进一步研究另外, 以氢气为载气的 11 次检测解良度平均值为 81 9%, 而以氦气为载气时 8 次检测的平均值为 85 8%, 说明氦气作为载气对检测信号的分解有 [4] 利, 这与 Munoz Guerra 等的结论是一致的 2.4 载气对保留时间的影响从表 2 的保留时间还可以看出,3 4 号和 12 号升温程序一样, 载气分别为氢气和氦气,3 4 号共检测到了 4 种化合物, 即敌敌畏甲基对硫磷马拉硫磷和对硫磷, 载气改用氦气后, 保留时间分别延长了 min, 可见, 氢气作为载气的确可以在一定程度上缩短分析时间 ; 而这 4 种化合物出峰的时间间隔由 17 4 min 增加到了 20 1 min, 虽然氦气使出峰更慢了, 但各峰的分离度也大大增加了另外, 出峰顺序也发生了变化, 氢气为载气时马拉硫磷出峰最晚, 而氦气为载气时对硫磷最晚 9 号和 16 号升温程序一样, 载气分别为氢气和氦气,9 号也检测到了 4 种化合物, 即敌敌畏甲基对硫磷马拉硫磷和对硫磷载气改用氦气后, 保留时间分别延长了 min, 氢气作为载气分析时间也稍短于氦气 ;4 种化合物出峰的时间间隔分别为 16 6 和 16 8 min, 出峰顺序和时间间隔均无明显变化, 这是与上述情况不同的从这个角度看, 本升温程序比上述升温程序要好其他检测方法由于比较复杂, 此处不多讨论总体看来, 氢气作载气时分析时间的确稍短于氦气, [1,2] 但样品出峰快分析时间短的优势并不明显, 而比较明显的是出峰时间间隔, 这对化合物的分离更加重要当然, 一般检测时氢气作载气流速大得多, 使其出峰很快, 能明显缩短分析时间, 但峰的分离度却不一定好, 这需要慎重对待 3 结论氢气和氦气分别用作载气对有机磷农药进行 GC MS 检测时, 结果差别很大在同样的载气流速下, 氢气作载气出峰稍快, 分析速度快 ; 但出峰时间间隔也较短, 峰的分离度偏低, 有些有机磷农药的检测信号不稳定, 甚至检测不到 ; 同时氢气作载气时信号解良度低于氦气作载气时的解良度, 说明信号分离较差, 准确度较低因此, 利用 GC MS 检测有机磷农药时, 若使用氢气作载气, 应对测定准确度信号稳定性安全性等诸多因素进行慎重考虑

6 第 1 期刘振学, 等 : 气相色谱质谱联用分析 5 种有机磷农药时氢气代替氦气作为载气的可行性考察 57 参考文献 : [1] Zhao J C, Guo Z A, Liang X Y, et al. Chinese Journal of Chromatography ( 赵景婵, 郭治安, 梁小云, 等. 色谱 ), 2006, 24(6): 660 [2] Heseltine J. LC GC N Am, 2010, 28(1): 16 [3] Hu Y Q, Xi C X, Cao S R, et al. Chinese Journal of Chroma tography ( 胡业琴, 郗存显, 曹淑瑞, 等. 色谱 ), 2014, 32 (7): 784 [4] Munoz Guerra J A, Prado P, Vargas García Tenorio S. J Chromatogr A, 2011, 1218: 7365 [5] GB / T [6] Cui S H, Chen W S, Qian J L, et al. Chinese Journal of Chromatography ( 崔淑华, 陈慰双, 钱家亮, 等. 色谱 ), 2013, 31(9): 885 [7] Xu X, Zhu Z W, Ying X H. Physical Testing and Chemical Analysis Part B: Chemical Analysis ( 徐霞, 朱智伟, 应兴华. 理化检验化学分册 ), 2012, 48(7): 803 [8] Peng S N, Wang Q Q, Fang L L, et al. Chinese Journal of Chromatography ( 彭淑女, 王秋泉, 方兰兰, 等. 色谱 ), 2014, 32(1): 69 [9] GB / T [10] Hübschmann H J. Handbook of GC / MS: Fundamentals and Applications. 2nd ed. Weinheim: WILEY VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009

g ml 10% ph 色谱条件 kinetex C μm 100 A 4. 6 mm 150 mm 25 5 μl A B 10 mmol /L ml /min

g ml 10% ph 色谱条件 kinetex C μm 100 A 4. 6 mm 150 mm 25 5 μl A B 10 mmol /L ml /min 25 4 2013 8 监测技术 5 1 2 1 ( 1. 江苏省疾病预防控制中心, 江苏南京 210009; 2. 南京医科大学第二附属医院, 江苏南京 210029) 5 Phenomenex kinetex C 18 2. 6 μm 4. 6 mm 150 mm 10 mmol /L ph 2. 5 + 60 40 DAD 280 nm 5 20. 0 mg /L ~ 100 mg /L 0.