标题

Size: px

Start display at page:

Download "标题"

取庄殷
4 years ago
Views:

1 2015 年 2 月 Vol.33 No.2 February 2015 Chinese Journal of Chromatography 146 ~ 151 研究论文 DOI: / SP.J 气相色谱四极杆高分辨飞行时间质谱分析复杂芳烃体系中的苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛刘俊彦 1, 曹喆 2, 李继文 1, 汪哲明 1, 王川 1 1, 顾松园 (1. 中国石化上海石油化工研究院, 上海 ; 2. 安捷伦科技 ( 中国 ) 有限公司, 上海 ) 摘要 : 建立了气相色谱四极杆高分辨飞行时间串联质谱分析复杂芳烃体系样品中苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛的方法该方法通过使用高分辨质谱得到目标化合物特征离子的精确质量数, 结合色谱保留时间, 有效排除了复杂芳烃体系样品本底中碎片离子的干扰, 提高了定性与定量分析的准确性使用目标化合物特征离子的质谱峰面积作为定量计算依据苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛在各自的质量浓度范围内呈现良好的线性响应, 回收率为 87 97% ~ %, 定量限分别为与 0 03 mg / L, 检出限分别为与 0 01 mg / L 对 3 份实际样品中的苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛进行了定量分析本研究为气相色谱四极杆高分辨飞行时间质谱技术应用于复杂体系中的微量杂质分析提供了一种新的思路和手段通过精确的质量分辨和测定可以降低对色谱分离的依赖, 弥补传统气相色谱四极杆低分辨质谱技术的不足关键词 : 气相色谱 ; 高分辨飞行时间质谱 ; 含氧化合物 ; 复杂芳烃产物中图分类号 :O658 文献标识码 :A 文章编号 : (2015) Application of gas chromatography high resolution quadrupole time of flight mass spectrometry to the analysis of benzaldehyde, benzyl alcohol, acetophenone and phenylacetaldehyde in complex aromatic samples LIU Junyan 1, CAO Zhe 2, LI Jiwen 1, WANG Zheming 1, WANG Chuan 1, GU Songyuan 1 (1. Sinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology, Shanghai , China; 2. Agilent Technologies, Shanghai , China) Abstract: The study focuses on the quantitative analytical characterization of benzaldehyde, benzyl alcohol, acetophenone and phenylacetaldehyde in complex aromatic samples by gas chromatography high resolution quadrupole time of flight mass spectrometry ( GC QTOF MS). The four compounds in real sample were accurately qualified and quantified through a compre hensive analysis of the GC retention times and the accurate masses of the ion fragments ob tained by the high resolution MS. The new method therefore effectively avoids the interference of the real sample substrate, which reduces the accuracy of the analysis results. The peak area of the characteristic ion fragment for each compound was used for quantitation calculation. The MS signal responses of the four compounds showed good linear relationships with the corre sponding mass concentrations and the linear regression coefficients were greater than The method recoveries were 87 97% %. The limits of detection ( LODs) were 0 01, 0 03, 0 02 and 0 01 mg / L for benzaldehyde, benzyl alcohol, acetophenone and phenylacetaldehyde respectively. The contents of the four compounds in three real samples were analyzed. The study provided a new strategy for oxygenate analysis in complex aromatic samples using GC QTOF MS. By measuring the accurate masses, the new method reduces the reliance on chroma tographic separation ability and makes up the shortcomings of the traditional GC MS methods. Key words: gas chromatography ( GC); high resolution time of flight mass spectrometry ( HR 通讯联系人.Tel:(021) ,E mail:liujy.sshy@ sinopec.com. 收稿日期 :

2 第 2 期刘俊彦, 等 : 气相色谱四极杆高分辨飞行时间质谱分析复杂芳烃体系中的苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛 147 TOF MS); oxygenates; complex aromatic samples [1] 自 Holmes 等在 1957 年首次实现气相色谱质谱联用以来, 气相色谱质谱联用技术在许多领域均得到了广泛的应用目前常用的气相色谱质谱联用技术包括气相色谱四极杆质谱 ( GC / Q MS) 气相色谱飞行时间质谱 ( GC / TOF MS) [2] 气相色谱离子阱质谱 (GC / IT MS) [3,4] 和气相色谱三重四极杆串联质谱 (GC / QQQ MS) [5,6] 等近年随着高分辨质谱技术如傅立叶变换离子回旋共振质谱 ( FT ICR MS ) 轨道离子阱质谱 ( Orbitrap MS) [7,8] 四极杆飞行时间串联质谱 ( QTOF MS) [9,10] 等的快速发展, 高分辨质谱与气相色谱的联用技术引起了气相色谱科技工作者的极大兴趣 [11,12] 随着技术的发展, 配置高分辨质谱的气相色谱质谱联用技术逐渐走向成熟, 其中以气相色谱四极杆高分辨飞行时间串联质谱 ( GC QTOF MS) 为典型代表一方面高分辨飞行时间质谱具有分辨率高扫描速度快等优势, 可以通过与其他质谱串联实现多级质谱分析的要求另一方面 GC QTOF MS 又结合了气相色谱的高分离能力, 极大地拓展了高分辨质谱在化合物定性分析上的应用范围, 非常适用于复杂体系中目标化合物的提取与鉴定 [13,14] [15] 范若静等使用 GC QTOF MS 技术对一枝黄花中挥发性成分进行分析并鉴定出 54 种化合 [16] 物 ; 王雯雯等使用 GC QTOF MS 技术考察了大葱中的多种农药残留, 并对 20 种常见农药残留作了定性与定量分析复杂芳烃体系中包含微量苯甲醛苯甲醇苯乙酮苯乙醛等含氧芳烃含氧芳烃的存在会对生产工艺造成负面影响, 并且普遍对化工产品的质量与副产物的综合利用构成威胁 [17] [18] 现有国家标准中规定, 工业用苯乙烯 ( 优等品级别 ) 的总醛含量小于 0 01% ; 使用滴定法测定工业用苯乙烯中总醛含量 ( 以苯甲醛形式计算和报告 ), 应对总醛含量为 0 004% 的试样进行准确测定 [19] 从反应动力学的研究角度而言, 微量含氧芳烃的准确分析对深入理解反应过程具有不可忽视的作用因此开发复杂芳烃体系中微量含氧芳烃的分析方法意义重大但由于该类体系中本底的碎片离子干扰严重, 因此传统气相色谱四极杆质谱不能满足分析要求, 同时也缺乏相关研究领域的技术文献本文将 GC QTOF MS 技术手段应用于复杂芳烃体系中苯甲醛苯甲醇苯乙酮苯乙醛的分析, 依据精确质量数色谱保留时间与碎片离子信息对 4 种含氧芳烃进行定性分析, 并计算特征离子的质谱峰面积对目标化合物进行定量分析本方法简单实用, 且能显著降低气相色谱分离的依赖, 依靠精确的质量分辨和测定排除芳烃本底的干扰, 提高质谱定性和定量的准确性, 可广泛应用于复杂样品中小分子目标化合物的定性与定量分析 1 实验部分 1.1 仪器与试剂美国 Agilent 7200 GC QTOF MS 气相色谱四极杆高分辨飞行时间质谱联用仪苯甲醛苯甲醇苯乙酮苯乙醛正己烷均为分析纯, 国药集团化学试剂有限公司其中正己烷不含苯甲醛苯甲醇苯乙酮苯乙醛 3 份不同的复杂芳烃样品 (1 # 2 # 3 # ) 均取自上海石油化工研究院 1.2 色谱与质谱条件 DB 35MS 色谱柱 ( 30 m 0 25 mm 0 25 μm), 进样量 1 0 μl, 进样温度 280, 分流比 30 1, 载气为氦气, 载气流速 1 1 ml / min 炉箱初始温度为 40, 保持 1 min, 以 10 / min 速率升温至 140, 保持 0 min 质谱条件 : 电离源为 EI 源, 离子源温度为 280, 电子能量为 70 ev, 四极杆温度为 150, 溶剂延迟为 5 min, MS 检测扫描范围为 50 ~ 500 amu, 采样频率为 5 Hz 1.3 标准溶液配制准确称取一定量的苯甲醛苯甲醇苯乙酮和苯乙醛标准品, 用正己烷定容, 配制成标准溶液, 用于标准曲线测定, 各标准溶液的质量浓度见表 1 表 1 标准溶液的质量浓度 Table 1 Mass concentrations of standard solutions mg / L No. Benzaldehyde Benzyl Acetophenone Phenylacetaldehyde alcohol 结果与讨论 2.1 高分辨质谱定性目标化合物与特征离子选择 4 种化合物的 GC QTOF MS 质谱图中存在多个离子碎片, 选择目标化合物的特征离子碎片, 使用

3 148 色谱第 33 卷提取离子模式 (EIC) 得到定量分析结果特征离子必须具备目标化合物的结构特征丰度较高, 并且在分析对象为复杂体系时, 能够与背景离子碎片相互区分苯甲醛等含氧芳烃本身为小分子化合物, 在色谱分离有干扰的情况下, 只有含有氧原子的离子才能依靠氧和碳氢的细微质量差异实现质量分离, 因此, 通常将分子离子峰作为特征定性和定量离子 ; 如果色谱分离没有干扰, 则脱去氧的离子碎片也可以作为特征定量离子图 1 为 4 种化合物的 GC QTOF MS 质谱图, 图 2 为 4 种化合物的 EIC 结果图以苯甲醛为例, 质谱图中包括明显的 3 个离子碎片, m / z , 其中 m / z 为同位素峰考虑到离子碎片 m / z 质量数较小, 可能不能够与背景离子碎片相互区分, 因此选择 m / z 为特征离子进而比较两个特征离子的 EIC 图, 从图 2a 可以看出, 特征离子 m / z 具有更强的信号响应, 因此在保证较高检测灵敏度的原则下选择 m / z 为苯甲醛的特征离子将相同的判断依据应用于其他 3 种化合物, 分别确定相应的特征离子 ( 见表 2) 需要说明的是 : 苯乙醛的分子离 + 子峰不稳定, 质谱信号很弱, 因此使用 C 7 H 7 作为特征离子表 2 4 种化合物的保留时间与特征离子精确质量数 Table 2 Retention times, accurate masses of specific ion fragments of the four compounds Compound Retention time / min Ion fragment Accurate mass Benzaldehyde C 7 H 6 O Benzyl alcohol C 7 H 8 O Phenylacetaldehyde C 7 H Acetophenone C 7 H 5 O 不同分辨率下的质谱分析结果比较对于定性分析, 一般使用标准品确定其色谱保图 1 (a) 苯甲醛 (b) 苯甲醇 (c) 苯乙酮与 (d) 苯乙醛的高分辨 QTOF 质谱图 Fig. 1 High resolution QTOF mass spectra for (a) benzaldehyde, ( b) benzyl alcohol, ( c) ace tophenone and ( d) phenylacetaldehyde Fig. 2 图 2 (a) 苯甲醛 (b) 苯甲醇 (c) 苯乙醛与 (d) 苯乙酮的 EIC 图 Extracted ion chromatograms ( EIC) for ( a) benzaldehyde, ( b) benzyl alcohol, ( c) phenylacetaldehyde and ( d) acetophenone

4 第 2 期刘俊彦, 等 : 气相色谱四极杆高分辨飞行时间质谱分析复杂芳烃体系中的苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛 149 留时间, 将特定保留时间内的质谱图与标准谱图对比, 定性目标化合物当目标分析体系组成较为复杂时, 色谱共流出现象严重, 将导致特定保留时间内的质谱结果的搜库匹配度较低, 不能有效定性目标化合物这类情况下可以选择目标化合物的特征离子定性与定量, 排除体系本底离子碎片干扰, 降低对色谱分离的依赖然而, 低分辨率的质谱 ( 如气相色谱单四极杆质谱联用 ) 有时候依然不能够满足要求尤其是分析对象过于复杂时, 色谱共流出现象严重, 在确定的保留时间窗口范围内, 低分辨质量数的质谱结果将导致目标化合物的特征离子不能与本底离子碎片有效区分, 该特征离子的质谱信号不能反映真实的分析结果复杂芳烃体系的主要组成为 C6 ~ C14 的芳烃异构体, 包括部分微量含氧化合物苯甲醛苯甲醇苯乙醛苯乙酮在低分辨质谱中测定的相对分子质量分别为一方面 m / z 为的离子是重芳烃组分常见的离子碎片另一方面通过 m / z 推算分子式时也可以看到,m / z 为的离子可能对应多个同分异构体综合考虑到重芳烃异构体众多, 常见离子碎片普遍存在, 同时共流出现象严重, 因此该 4 种化合物在低分辨质谱中的分子离子峰不能与保留时间一起作为定性依据表 3 列出了标准溶液在低分辨模式中的质谱分析结果, 该结果与 NIST 库中 4 种化合物标准谱图的离子碎片信息一致, 可以看出所有离子碎片均为常见的芳烃及其衍生物的离子碎片, 同样不能满足特征离子选择的特异性要求因此在复杂体系中, 在结合保留时间的基础上, 特征离子的低分辨质谱结果不能完全保证目标化合物定性与定量分析的准确性图 3 表示不同质谱分辨率条件下的 EIC 图, 其中图 3a 为总离子流图, 图 3b 为苯甲醛 m / z 的碎片在质量误差范围为 0 5 Da 时的 EIC 结果从结果可以看出, 实际样品经过气相色谱柱得到了初步的分离, 但位于 7 ~ 10 min 的保留时间窗口内, 含氧芳烃与芳烃混合物共流出, 其中芳表 3 标准溶液在低分辨模式中的质谱分析结果 Table 3 Analytical results of the standard samples in low resolution mass spectrometry Compound Mass of precursor ion Mass of ion fragments Benzaldehyde , 39, 51, 77 Benzyl alcohol , 39, 51, 65, 79, 91 Acetophenone , 43, 51, 77, 105 Phenylacetaldehyde , 65, 91 图 3 GC QTOF MS 分析实际样品的 (a) 总离子流图和 (b,c) 提取离子流图 (m /z ) Fig. 3 (a) TIC and (b, c) EIC within extracted mass window ( m /z ) for a real sample in GC high resolution QTOF mass spectrometry b. 0 5 Da; c. 10 ppm. 烃混合物包括苯甲苯乙苯甲乙苯二甲苯等苯甲醛保留时间内,EIC 图峰形不对称, 由于可能存在的共流出现象导致其他质荷比相近的离子碎片也被提取出来, 因此不能进行准确定性与定量分析高分辨质谱可以克服上述困难由于高分辨质谱得到的离子精确质量数可以与元素组成唯一对应, 排除了基底杂质干扰的可能性以苯甲醛为例, 其特征离子精确质量数为 m / z , 因此可以通过精确质量数推算元素组成计算中同时允许奇偶离子电子态的存在, 碳原子数目范围设置为 0 ~ 10, 氢原子数目范围为 0 ~ 100, 氧原子数目范围为 0 ~ 10, 可以确定 m / z 的离子与苯甲醛的特征离子唯一对应使用 http: // www. chemcalc. org 网站进行相应计算点击 Molecular Formula finder 功能, 分别输入 Accurate mass experimen tal result MF range Mass range 等参数点击 Search MF 后得到搜索结果同样苯甲醇苯乙酮苯乙醛的搜索结果也说明, 高分辨质谱能够确定目标化合物的唯一元素组成通过保留时间和特

5 150 色谱第 33 卷征离子精确质量数的测定对苯甲醛苯甲醇苯乙醛苯乙酮 4 种目标化合物进行定性表 2 详细列举了每种化合物的保留时间精确质量数与特征离子信息可以认为通过保留时间的匹配与精确质量数的提取, 能够对实际样品中的目标化合物进行准确分析图 3c 为苯甲醛 m / z 的碎片在误差为 10 ppm 的高分辨条件下的 EIC 结果通过提高质谱分辨率, 精确质量数碎片与体系基底中的干扰离子碎片明显区分开来, 峰形可靠结合保留时间数据可以与苯甲醛的特征离子唯一对应, 可以保证定性与定量分析的准确性 2.3 标准溶液的线性关系与检出限对系列标准溶液进行分析, 以苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛的特征离子峰面积对含量进行线性回归, 分别得到 4 种目标化合物的线性方程线性范围定量限 (LOQ) 与检出限 (LOD) LOQ 以 10 倍信噪比 (S / N = 10) 计算,LOD 以 3 倍信噪比 (S / N = 3) 计算每份标准溶液测定 6 次, 峰面积取平均值结果见表 4 从结果可以看出,4 种目标化合物在各自的含量范围内具有良好的线性关系苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛的 LOQ 分别为和 0 03 mg / L 如 2 2 节中所述, 通过使用高分辨质谱提取特征离子的精确质量数, 能够有效排除复杂体系基质的干扰同时图 3 的分析结果也表明实际样品中体系的基质对分析结果不存在明显影响因此认为通过该方法建立的定量曲线可以用于实际样品的检测分析 2.4 实际样品的测定对 3 个实际芳烃样品进行了分析, 测定实际样品中的苯甲醛苯乙醛苯甲醇与苯乙酮含量结果见表 5 对 1 # 实际样品进行加标回收率试验与重复性试验, 每个添加水平平行测定 6 次, 标准样品加标量与分析结果见表 6 结果表明 : 方法的回收率在 87 97% ~ % 之间, 相对标准偏差 ( RSD) ( n = 6) 小于 3% 该方法具有较好的回收率与精密度 Table 4 表 4 标准溶液的线性回归方程线性范围回归系数检出限与定量限 Linear regression equations, linear ranges, regression coefficients (r 2 ), LODs and LOQs of the standard solutions Compound Regression equation linear range / (mg / L) r 2 LOQ (S / N = 10) / (mg / L) LOD (S / N = 3) / (mg / L) Benzaldehyde Y = X Benzyl alcohol Y = X Acetophenone Y = X Phenylacetaldehyde Y = X Y: peak area; X: content, mg / L. Compound 表 5 实际样品的测定结果 (n = 6) Table 5 Analytical results of real samples (n = 6) Contents / (mg / L) RSDs / % 1 # 2 # 3 # 1 # 2 # 3 # Benzaldehyde Benzyl alcohol ND Acetophenone Phenylacetaldehyde ND ND ND: not detected. 表 6 4 种化合物在 1 # 实际样品中的加标回收率与 RSD(n = 6) Table 6 Recoveries and RSDs of the four compounds spiked in real sample 1 # (n = 6) Compound Added / (mg / L) Found / (mg / L) Recovery / % RSD / % Benzaldehyde Benzyl alcohol Acetophenone Phenylacetaldehyde 结论使用气相色谱四极杆高分辨飞行时间质谱联用技术分析了芳烃复杂体系中的微量苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛通过保留时间和目标化合物特征离子的精确质量数分析数据, 实现了复杂芳烃体系中上述微量组分的准确定性使用特征离子质谱峰面积积分对目标化合物进行定量分析苯甲

6 第 2 期刘俊彦, 等 : 气相色谱四极杆高分辨飞行时间质谱分析复杂芳烃体系中的苯甲醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛 151 醛苯甲醇苯乙酮与苯乙醛在配制浓度范围内呈现良好线性响应, 回收率为 87 97% ~ %, 定量准确, 灵敏度高本研究为 GC QTOF MS 高分辨质谱技术应用于复杂体系中的微量杂质分析提供了一种新的思路和手段通过精确的质量分辨和测定可以降低对色谱分离的依赖, 弥补传统气相色谱四极杆低分辨质谱技术的不足参考文献 : [1] Holmes J C, Morrell F A. Appl Spectrosc, 1957, 11(2): 86 [2] Zheng M H, Wu J J. Chinese Journal of Chromatography ( 郑明辉, 吴嘉嘉. 色谱 ), 2011, 29(4): 281 [3] Lü Q, Zhang Q, Bai H, et al. Chinese Journal of Chromatog raphy ( 吕庆, 张庆, 白桦, 等. 色谱 ), 2012, 30(5): 480 [4] Lü Q, Zhang Q, Bai H, et al. Chinese Journal of Analysis Laboratory ( 吕庆, 张庆, 白桦, 等. 分析试验室 ), 2012, 31 (4): 45 [5] Ma Z L, Zhao W, Li L Y, et al. Chinese Journal of Chroma tography ( 马智玲, 赵文, 李凌云, 等. 色谱 ), 2013, 31(3): 228 [6] Zhang L, Shang C X, Sun C. Chinese Journal of Chromatog raphy ( 张莉, 尚楚翔, 孙成. 色谱 ), 2014, 32(6): 653 [7] Jia W, Chu X G, Ling Y, et al. J Chromatogr A, 2014, 1362: 110 [8] Jia W, Ling Y, Lin Y H, et al. J Chromatogr A, 2014, 1336: 67 [9] Casado J, Rodriguez I, Carpinteiro I, et al. J Chromatogr A, 2013, 1293: 126 [10] Zushi Y, Hashimoto S, Tamada M, et al. J Chromatogr A, 2014, 1338: 117 [11] Zhu X Y, Liu Z L, Xu Y Q, et al. Acta Petrolei Sinica ( 祝馨怡, 刘泽龙, 徐延勤, 等. 石油学报 ), 2011, 27(5): 797 [12] Lu X B, Chen J P, Wang S Q, et al. Chinese Journal of Chromatography ( 卢宪波, 陈吉平, 王淑秋, 等. 色谱 ), 2012, 30(9): 915 [13] Yoshida M, Hatano N, Nishiumi S, et al. J Gastroenterol, 2012, 47: 9 [14] Portoles T, Mol J G J, Sancho J V, et al. J Chromatogr A, 2014, 1339: 145 [15] Fan R J, Zhang F, Guo Y L. Journal of Instrumental Analy sis ( 范若静, 张芳, 郭寅龙. 分析测试学报 ), 2012, 31(9): 1051 [16] Wang W W, Yu C T. Environmental Chemistry ( 王雯雯, 余翀天. 环境化学 ), 2012, 31(10): 1660 [17] Peng Z L, Wang C, Zhang Y H. Chinese Journal of Analysis Laboratory ( 彭振磊, 王川, 张育红. 分析试验室 ), 2010, 29 (8): 86 [18] GB [19] GB / T

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.