全二維氣相色譜－飛行時間質譜測定PBAT生物降解膜中揮發性有機物

崔 歡，高維常，劉艷霞，李洪勛，周淑平，陳文生，蔡 凱*

（1．貴州師范大學 貴州省山地環境信息系統與生態環境保護重點實驗室，貴州 貴陽 550001；

2．貴州省煙草科學研究院，貴州 貴陽 550081）

近年來，塑料殘留污染所帶來的安全性問題備受關注，由聚乙烯、聚丙烯為原料人工合成的傳統農用地膜很難在自然條件下降解，并以碎片的形式長時間存在于環境中。地膜長期殘留會造成土壤板結，影響作物根系的生長發育，導致農作物減產等問題［1］。高分子聚合物聚己二酸－對苯二甲酸丁二酯（PBAT）生物降解膜是一種能在1～2個植物生長周期內完全被微生物降解的新型地膜，是一種能從源頭上攻克聚乙烯或聚丙烯殘膜污染的技術，在農業生產中具有廣泛的應用前景［2］。雖然PBAT純料的化學結構（如圖1）中無毒性單元，且表現出環境無毒性，但在PBAT生物降解膜生產過程中，不可避免地存在不同程度的溶劑或揮發性物質添加，可在較低溫度下釋放到空氣中，從而產生較大氣味，威脅環境和人類健康［3］。因此，有必要建立PBAT生物降解膜中揮發性有機物（VOCs）的組成與含量的分析方法。

圖1 PBAT的結構式Fig．1 Chemical structure of PBAT

傳統塑料中VOCs定性與定量分析主要采用液－液萃取（LLE）、固相萃取（SPE）、頂空固相微萃取（HS－SPME）等前處理方法［4-5］，其中HS－SPME集采樣、萃取、濃縮和進樣于一體，具有處理時間短，樣品用量小，操作可自動化，無需有機溶劑等優點，被應用到越來越多的分析領域［6-8］。目前，塑料中VOCs的檢測方法主要有氣相色譜法（GC）［9］及氣相色譜-質譜聯用法（GC－MS）［10］，但這些方法檢測復雜基質時通常會出現嚴重的峰重疊，且靈敏度低，可檢測物質偏少。全二維氣相色譜－飛行時間質譜（GC×GC－TOF MS）技術的出現極大地提高了樣品分離度，且能夠獲得化合物碎片離子的精確質量和結構信息［11］。基于此，本研究利用HS－SPME結合GC×GC－TOF MS測定了PBAT生物降解膜中的55種主要VOCs（包括苯系物21種、萘類11種、醛酮類8種、醇類4種、酯類3種、茚類2種、胺類2種、酚類1種、其它類3種），并分析了不同PBAT生物降解膜中VOCs的差異。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

GC×GC－TOF MS由Agilent 7890A氣相系統、Zoex Zx－1環形調制器（美國Zoex公司）、Zoex Fas－TOF高分辨飛行時間質譜（美國Zoex公司）以及多功能自動進樣器（瑞士CTC公司）組成；固相微萃取儀（美國Supelco公司）；固相微萃取纖維頭：聚二甲基硅氧烷－二乙烯基苯（PDMS－DVB）、聚二甲基硅氧烷－二乙烯基苯－碳分子篩羧乙基（PDMS－DVB－CAR）、聚二甲基硅氧烷－碳分子篩羧乙基（PDMS－CAR）、聚丙烯酸酯（PA）、聚乙二醇（PEG）（美國Supelco公司）。乙腈（色譜純）及內標乙酸苯乙酯（純度＞98%）均購于Sigma公司。

1.2 標準溶液配制

精確稱取22．9 mg乙酸苯乙酯，用乙腈溶解并定容至100 mL容量瓶中，稀釋10倍得22．9μg/mL乙酸苯乙酯溶液，置于4℃冰箱保存，備用。

1.3 樣品前處理

將PBAT生物降解膜粉碎至2 mm×2 mm碎片，精確稱取50．0 mg于22 mL頂空樣品瓶中，加入1μL乙酸苯乙酯內標，密封后用多功能自動進樣器在80℃平衡10 min進行頂空固相微萃取，以固相微萃取纖維頭（PDMS－DVB－CAR）頂空吸附40 min，萃取完畢后在260℃解吸3 min，待分析。

1.4 全二維氣相色譜－飛行時間質譜條件

色譜條件：一維柱為DB－5MS石英毛細管柱（30 m×0．25 mm，1．0μm），二維柱為BP－50石英毛細管柱（1．5 m×0．1 mm，0．1μm）；程序升溫：初始溫度60℃，保持2 min，以3℃/min升至240℃，保持1 min；進樣口壓力：初始壓力0．207 MPa，保持2 min，以2．07 kPa/min升至0．331 MPa，保持1 min；樣品運行時間：63 min；進樣口溫度：260℃；進樣模式：不分流進樣；吹掃時間：3．5 min；調制周期：7 s；持續周期：300 ms；熱噴口溫度：370℃；冷噴口流速：18 L/min；熱噴口壓力：0．275 MPa。

質譜條件：EI電離源，電離電壓：70 eV；離子源溫度：280℃；傳輸線溫度：300℃；質量掃描范圍m/z50～500；分辨率：4 000，FWHM（半峰全寬）；采集頻率：100 Hz。譜圖采用GC Image軟件分析，通過NIST17譜庫檢索并結合目標物的準確分子量、特征離子碎片峰對VOCs進行鑒定，采用乙酸苯乙酯按照校正因子F=1進行內標法相對定量。

2 結果與討論

2.1 HS－SPME條件優化

2.1.1 萃取纖維頭的優化 固相微萃取纖維頭是影響HS－SPME萃取效率的重要因素之一［12］。實驗考察了不同類型5種萃取纖維頭（PDMS－DVB、PDMS－DVB－CAR、PDMS－CAR、PA、PEG）對萃取效率的影響。結果顯示，PDMS－DVB－CAR萃取纖維對大部分VOCs具有更高的吸附性，萃取效率最高。這是因為PDMSDVB－CAR為中等極性、高度交聯涂層，能兼顧各類化合物，更有利于復雜VOCs的吸附。其余4種涂層對分子的大小、極性強弱各有偏重。其中，PDMS－CAR對烷烴及醛酮類化合物具有較高選擇性，PA對酸類和醛酮類化合物具有較高選擇性，PDMS－DVB對烷烴、烯烴和醛酮類化合物具有較高選擇性，PEG更適用于極性物質的萃取。基于本研究中低極性VOCs種類較多，因此選擇綜合性更強的PDMS－DVB－CAR為最佳萃取纖維頭。

2.1.2 平衡溫度的選擇 固相微萃取中樣品的提取和富集是一個動力學過程，樣品中各相分配系數決定萃取效率。在選擇平衡溫度條件時，溫度不宜過高也不宜過低［13］，實驗考察了平衡溫度分別為60、70、80、90℃時對萃取效率的影響。結果顯示，PDMS－DVB－CAR隨著平衡溫度的升高，頂空瓶中蒸氣壓逐漸增加，頂部空間中VOCs濃度增大，萃取效率明顯提高。但由于吸收和吸附均為放熱過程，當平衡溫度達到90℃時，雖有利于高沸點化合物的蒸發，但同時降低了樣品在涂層中的分配，部分揮發性強的物質萃取量反而降低。因此，選取80℃為最佳平衡溫度。

2.1.3 平衡時間的選擇 目標物從樣品中揮發到頂空空間，需一定時間才能達到動態平衡［14］，因此實驗考察80℃下平衡時間分別為5、10、15、20 min時對PDMS－DVB－CAR萃取效率的影響。結果顯示，隨著平衡時間從5 min增至10 min，萃取效率明顯增加，且平衡時間10 min時的萃取效率最高，繼續延長平衡時間達到15 min時，萃取效率呈下降趨勢。因此，選取最佳平衡時間為10 min。

2.1.4 萃取時間的選擇 目標物在樣品溶液、頂空和纖維頭涂層三相達到平衡之前，萃取時間會影響分配平衡狀態，萃取時間過短，則吸附不完全；萃取時間過長，則吸附組分可能發生解吸。因此選擇合理的萃取時間方能達到最佳的萃取效果［15］。實驗考察了萃取時間分別為20、30、40、50 min時對萃取效率的影響，結果顯示，萃取效率隨著萃取時間的延長而逐漸增加，40 min后增幅不明顯。因此，選取40 min為最佳萃取時間。

2.2 定性分析

通過目標物的保留時間、正反匹配度、準確分子量，利用NIST17譜庫檢索確定了PBAT生物降解膜中55種VOCs的組成，其保留時間、匹配度、準確分子量等參數如表1所示。

表1 55種VOCs定性與相關參數Table 1 Qualitative analysis and parameters of 55 VOCs

由表1數據可見，PBAT生物降解膜中共分離鑒定出55種主要VOCs，其正（SI）、反（RSI）匹配因子均在700以上。進一步利用準確質量數來確定元素的組成，以確保VOCs定性的準確度，如4-甲基聯苯的理論質量數為168．093 9，實際質量數為168．093 8，質量數偏差僅為0．000 1，表明理論值與實際值具有很好的一致性。55種VOCs中包括苯系物21種、萘類11種、醛酮類8種、醇類4種、酯類3種、茚類2種、胺類2種、酚類1種、其它類3種，其典型色譜圖如圖2所示，充分體現了GC×GC－TOF MS在分離復雜成分中的優勢。以PBAT生物降解膜中典型的VOCs——萘為例，GC×GC分離的二維輪廓圖見圖3，萘（C10H8）與癸醛（C10H20O）、松油醇（C10H18O）很難在常規一維色譜中達到基線分離，但在GC×GC中具有不同的二維保留時間，分別為2DtR=2．09 s、1．46 s和1．82 s，表明GC×GC能有效分離此3種化合物。因此，對于復雜化合物的分離，特別是同系物與同分異構體，全二維色譜能夠達到較好的分離效果，有效解決了VOCs的相互干擾，提高了定性與定量的準確性。

圖2 GC×GC－TOF MS鑒定PBAT生物降解膜中VOCs的分析色譜圖Fig．2 GC×GC－TOF MS contour plot of VOCs in PBAT biodegradable film sample the peak number（1－55）was the same as that denoted in Table 1

圖3 GC×GC－TOF MS分離復雜VOCs的輪廓圖Fig．3 GC×GC－TOF MS contour plot of the separating of VOCs 22：decanal；23：terpineol；24：naphthalene

2.3 相對定量及方法學驗證

采用內標法以校正因子F=1對PBAT生物降解膜VOCs進行相對定量，對方法的日內（1 d內重復5次）和日間相對標準偏差（RSD，5 d內重復5次）進行考察，結果如表1所示。主要VOCs的日內RSD不高于13%，日間RSD不高于19%。由此可見，方法具有良好的穩定性和可重復性，能較好對不同來源PBAT生物降解膜中的VOCs進行相對含量組成分析。

2.4 實際樣品分析

主成分分析（PCA）是一種無監督的模式識別方法，通過對數據進行降維處理后，可從整體上直觀顯示各組樣品的差異［16］。為區分不同來源PBAT生物降解膜中VOCs的差異，采集不同廠家的PBAT生物降解膜（A、B、C與D），利用MetaboAnalyst 4．0對樣品中VOCs進行主成分分析（圖4A）。結果顯示，PC1（主成分1）和PC2（主成分2）分別解釋變量方差的51．8%和13．2%，PC1和PC2的累計貢獻率為65．0%，可以解釋原始變量的部分信息。不同降解膜在PC軸上出現了明顯分化，PBAT A+B、PBAT C與PBAT D有明顯差異，VOCs差異較大，PBAT A與PBAT B樣品重疊，VOCs差異較小，表明該方法可區分不同來源的PBAT生物降解膜。為進一步找出對差異區分有重要貢獻的VOCs，選擇偏最小二乘判別分析模型變量投影重要度（Variable importance projection，VIP）值大于1．2的變量，結合方差分析Fisher's LSDp值小于等于0．01，獲得13種（其中化合物No．28與No．23差異不顯著）具有重要貢獻的VOCs。對VIP值大于1．2的變量使用熱圖分析（圖4B），發現PBAT C中的VOCs含量普遍偏低；PBAT D中1-甲基萘（No．32）、癸醛（No．22）、鄰二甲苯（No．8）、六甲基苯（No．35）、對二甲苯（No．5）、1，3-二甲基-2-乙基苯（No．17）、1，3-二乙基-5-甲基苯（No．20）含量普遍較高，主要為苯系物；PBAT A+B中4，7-二甲基茚滿（No．27）、1，2，3，4-四氫-2，5，8-三甲基-萘（No．36）、2-乙基萘（No．40）、2，6-二異丙基苯胺（No．42）、1，7-二甲基萘（No．43）、2，6-二叔丁基對甲苯酚（No．49）等萘、胺、酚類VOCs含量普遍較高。另外，2，6-二異丙基苯氰酸酯常作為封端劑使用，異氰酸酯能與水反應形成胺和二氧化碳，PBAT生物降解膜與一定濕度的空氣接觸，能對應生成水解產物2，6-二異丙基苯胺，而2，6-二叔丁基對甲苯酚主要作為抗氧化劑使用［17-18］。

圖4 PBAT生物降解地膜中VOCs的主成分分析圖（A）及其對差異區分有重要貢獻的VOCs熱圖分析（B）Fig．4 PCA scores plot of VOCs from PBAT biodegradable films（A）and heatmap analysis of VOCs with important contribution to differentiation in PBAT biodegradable film（B）

3 結 論

本研究建立了一種HS－SPME結合GC×GC－TOF MS技術測定PBAT生物降解膜中55種VOCs的分析方法，優化了HS－SPME條件，并結合化學計量學分析了VOCs化學成分的變化，區分了不同來源4種PBAT生物降解膜中VOCs的差異。方法前處理簡單、靈敏度高、分離能力強，可用于PBAT生物降解膜中VOCs的安全評價。