程序化升温脱附气相色谱-电子捕获检测器定量检测痕量爆炸物蒸气

摘要

采用程序升温脱附系统联用带有电子捕获检测器的气相色谱仪，对吸附在填充吸附剂的热脱附管上的TNT和RDX痕量爆炸物蒸气进行分析。该仪器分析方法结合直接液体沉积法，以降低样品变异性，并校正仪器漂移和样品损失。

摘要

将溶液标准品直接液相沉积到装有吸附剂的热脱附管中，用于痕量爆炸物蒸气样品的定量分析。相较于对蒸气和溶液采用不同的进样方法，直接液相沉积法可提高蒸气样品分析与溶液标准品分析之间的一致性。 即采用蒸气采集管收集样品，并在溶液小瓶中配制标准品。此外，该方法可校正仪器损耗，因而非常适合降低变异性和实现痕量化学物质的准确定量检测。配备电子捕获检测器的气相色谱法对硝基类炸药（如 TNT 和 RDX）具有高灵敏度，因其具有较高的电子亲和性。然而，若无可靠的蒸气标准品，这些化合物的蒸气定量分析极为困难。因此，本方法通过结合仪器的高灵敏度与直接液体进样程序，消除了对蒸气标准品的需求，从而实现对痕量爆炸物蒸气样品的分析。

引言

气相色谱法（GC）是分析化学中一种核心的仪器分析技术，在化学实验室中的普遍性几乎可与加热板或天平相媲美。气相色谱仪器可用于多种化学化合物的制备、鉴定和定量分析，并可根据被测物、方法和应用的不同，连接多种类型的检测器，例如火焰离子化检测器（FID）、光离子化检测器（PID）、热导检测器（TCD）、电子捕获检测器（ECD）以及质谱仪（MS）。当处理小体积样品溶液时，可通过标准的分流/不分流进样口进样，也可采用顶空分析专用进样口、固相微萃取（SPME）进样器或热脱附系统进行样品引入。由于气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）具有实用性高、灵活性强以及能够借助成熟的化学数据库和谱库实现化合物鉴定等优势，常被作为验证和确认其他新兴检测技术的标准方法^1–7。气相色谱及其相关的采样与检测组件，非常适用于常规化学分析以及更专业、更具挑战性的分析应用。

对军方、国土安全以及商业企业而言，一个日益受到关注的分析应用是痕量爆炸物蒸气的检测，该检测包括对目标物的识别和定量。痕量爆炸物蒸气检测是一项独特的分析化学挑战，因为待测物（如2,4,6-三硝基甲苯（TNT）和环三亚甲基三硝胺（RDX））具有特殊的物理性质，使其难以采用更广泛、更通用的化学分析方法进行处理和分离。这些化合物具有相对较低的蒸气压和百万分之几体积浓度（ppm_v）的饱和蒸气浓度，同时具有较高的吸附系数，因此必须采用特殊的采样方案、仪器设备和定量方法^8–12。气相色谱联用电子捕获检测器（ECD）或质谱仪（MS）是定量检测爆炸物分析物（特别是二硝基甲苯（DNT）、TNT和RDX）的有效方法^6,13–17。由于硝基类含能化合物具有相对较高的电子亲和力，气相色谱-电子捕获检测（GC-ECD）特别适用于此类物质的检测。美国环境保护署（EPA）已制定了采用GC-ECD和GC-MS检测爆炸物分析物的标准方法，但这些方法主要针对溶液样品（如地下水），而不适用于气相采集的样品^2,18–23。为了检测爆炸物蒸气，必须采用替代性的采样方案，例如使用填充吸附剂的热脱附采样管进行蒸气富集，但由于缺乏蒸气标准物质以及未能校正采样管和仪器系统损失的校准方法，准确定量仍然存在困难。

近年来，已开发出使用带冷进样系统的热脱附系统（TDS-CIS）联用气相色谱-电子捕获检测器（GC-ECD）对 TNT 和 RDX 蒸气进行定量的方法^24,25。通过将液体标准品直接沉积到装有吸附剂的热脱附采样管中，建立了校准曲线，用以表征并校正 TDS-CIS-GC-ECD 仪器在痕量爆炸物蒸气检测中的损失。然而，已有文献主要集中于仪器性能表征与方法开发，从未实际采集、分析或定量爆炸物蒸气，仅使用了溶液标准品。本文的重点在于爆炸物蒸气的采样与定量方案。该方案和方法可拓展至其他分析物及痕量爆炸物蒸气，例如季戊四醇四硝酸酯（PETN）。

方案

1. 仪器准备

1. 确保仪器、烘箱和检测器处于室温（RT）。关闭进样口和检测器的气体流量。
2. 将热脱附系统（TDS）从气相色谱仪（GC）上拆下。请参考仪器制造商提供的用户手册，获取特定仪器的操作步骤。
3. 从冷进样系统（CIS）进样口上拆下TDS适配器，并从CIS中取出衬管。
4. 在取出衬管的同时，检查CIS进样口内部是否有颗粒物或残留物。使用压缩空气或更优选的氮气清除可见的残留物。
5. 使用制造商提供的工具和说明，将新的石墨压环安装到新的CIS衬管上，完成压环与衬管的固定。
6. 将带有石墨压环的衬管插入CIS中。重新安装TDS适配器，并将TDS重新安装到位。
7. 从包装中取出一根新色谱柱，并移除色谱柱两端的硅胶保护帽。
8. 在色谱柱的每一端安装一个螺母和压环。色谱柱一端使用电子捕获检测器（ECD）专用的螺母和压环，另一端使用CIS专用的压环。
9. 使用陶瓷色谱柱切割工具，从色谱柱的每一端切去约10 cm。确保螺母和压环仍留在色谱柱上，但远离柱端，以避免堵塞和产生碎屑。
10. 根据仪器制造商的指导，将色谱柱固定在烘箱内。将色谱柱插入进样口，并将另一端连接至检测器接口。插入深度取决于仪器、进样口和检测器制造商的具体要求。请查阅用户手册和规格说明，以确定准确的色谱柱插入深度。
    注意：在将色谱柱另一端连接至检测器接口之前，可能需要对色谱柱进行预烘烤。请查阅色谱柱和仪器制造商的技术文档，确认是否需要进行预烘烤。
11. 用手轻轻拧紧进样口和检测器两端的螺母与压环。使用扳手再旋转约四分之一圈进一步紧固。施力过大或过度拧紧会损坏压环，导致漏气或色谱柱断裂、堵塞。
12. 对TDS、进样口、色谱柱和检测器进行烘烤处理。典型的烘烤程序是将所有区域的温度设定为略低于最高工作温度（通常为300 °C），同时通入载气至少2小时。
13. 待所有区域冷却后，重新拧紧所有螺母和压环，以确保系统无泄漏。烘烤过程中的加热和冷却会导致螺母和压环松动，可能引发泄漏。
14. 通过软件界面加载或重新加载仪器方法。确认已达到正确的温度和流量设置。仪器现已准备就绪，可进行分析。

2. 标准品的制备

1. 从冰箱或冷冻柜中取出1,000 ng µl^-1的3,4-二硝基甲苯（3,4-DNT）、10,000 ng µl^-1的三硝基甲苯（TNT）和10,000 ng µl^-1的环三亚甲基三硝胺（RDX），使这三种储备溶液恢复至室温（RT）。
2. 取100 μl浓度为1,000 ng µl^-1的3,4-DNT储备液，加入900 µl乙腈至棕色样品瓶中。
3. 取步骤2.2中制备的100 ng µl^-1 3,4-DNT溶液100 μl，加入900 µl乙腈至棕色样品瓶中。
4. 取步骤2.3中制备的10 ng µl^-1 3,4-DNT溶液150 µl，加入4,850 µl乙腈至棕色样品瓶中。此溶液为用于直接液滴沉积的内标溶液。
5. 取10,000 ng µl^-1 TNT储备液100 μl、10,000 ng µl^-1 RDX储备液100 μl，以及800 µl乙腈，加入至棕色样品瓶中。
6. 取步骤2.5中制备的1,000 ng µl^-1 TNT和RDX混合溶液100 μl，加入900 µl乙腈至棕色样品瓶中。
7. 取步骤2.6中制备的100 ng µl^-1 TNT和RDX混合溶液100 μl，加入900 µl乙腈至棕色样品瓶中。
8. 取步骤2.7中制备的10 ng µl^-1 TNT和RDX混合溶液100 μl，加入900 µl乙腈至棕色样品瓶中。由此制得1.0 TNT/1.0 RDX ng μl^-1的溶液标准品，可用于直接液滴沉积至样品管上。
9. 取步骤2.7中制备的10 ng µl^-1溶液60 µl，加入940 µl乙腈至棕色样品瓶中。由此制得0.6 TNT/0.6 RDX ng μl^-1的溶液标准品，可用于直接液滴沉积至样品管上。
10. 取步骤2.7中制备的10 ng µl^-1溶液40 µl，加入960 µl乙腈至棕色样品瓶中。由此制得0.4 TNT/0.4 RDX ng μl^-1的溶液标准品，可用于直接液滴沉积至样品管上。
11. 取步骤2.7中制备的10 ng µl^-1溶液20 µl，加入980 µl乙腈至棕色样品瓶中。由此制得0.2 TNT/0.2 RDX ng μl^-1的溶液标准品，可用于直接液滴沉积至样品管上。
12. 取步骤2.8中制备的1.0 ng µl^-1溶液100 µl，加入900 µl乙腈至棕色样品瓶中。由此制得0.1 TNT/0.1 RDX ng μl^-1的溶液标准品，可用于直接液滴沉积至样品管上。

3. 样本采集

1. 使用一小段柔性硅胶管将一支装有吸附剂的热脱附采样管连接至采样泵或类似设备。采样管上标有红色箭头，指示空气流动方向以进行样品吸附，该箭头应指向硅胶管和采样泵的方向。
2. 在采样管的另一端（与3.1步骤中连接采样泵的一端相反）连接一个活塞式流量计。调节采样泵或类似设备的流速，使通过采样管的流速根据活塞式流量计的读数约为100 ml min^-1。流速应设定在目标设定点100 ml min^-1的±5.0 ml min^-1范围内。
3. 从采样管上断开活塞式流量计，并暂时关闭采样泵，但保持采样管与泵的连接。采样泵将在开始采样时重新启动。此时采样管已准备就绪，可用于采样。
4. 将仍连接着采样泵的采样管置于爆炸物蒸气流中。蒸气源可以是固体样品上方的顶空、开放环境，或多种分析物蒸气化系统。
5. 根据表2中列出的近似采样时间设置计时器。这些采样时间是基于蒸气相中疑似物质浓度的一般性指导。在100 ml min^-1的流速下，这些采样时间通常可获得位于校准曲线中心范围的质量，有利于准确定量。
6. 启动采样泵并开始计时。等待计时器结束并关闭采样泵。将采样管从泵上断开，放入随采样管提供的包装中。盖上管帽，并储存以待分析。
7. 记录每个采样管上 stamped 的唯一序列号、采样时间以及该采样管的流速于实验记录本中。这些数值对后续定量分析至关重要。

4. 标准曲线生成

1. 将5.0 µl溶液标准品直接移取至一个未使用且已活化的样品管的玻璃砂芯上。加样时，用手套包裹的手垂直持握样品管和移液器。
2. 对每种六个校准标准品，分别在三个不同的样品管中重复步骤 4.1。
3. 加入5 µl浓度为0.3 ng/µl的样品^-1 每支试管中也加入 3,4-DNT。
4. 让18个样品管（每种溶液浓度3个，共6种溶液浓度）在室温下静置至少30分钟，以蒸发溶剂。
5. 使用二十管自动进样器及先前所述的 TNT 和 RDX TDS-CIS-GC-ECD 方法，过夜运行并分析全部十八根管。^24,25 该方法的TDS-CIS-GC-ECD参数总结如下 表1.
6. 对十八个样品管中每个样品的色谱图内与3,4-DNT、TNT和RDX相关的峰进行积分。3,4-DNT、TNT和RDX的峰出峰时间分别约为4.16、4.49和4.95 min。
7. 记录十八根试管中每根试管的3,4-DNT、TNT和RDX峰面积，以及相应沉积在样品管上的TNT和RDX质量，一并填入电子表格和实验记录本中。
8. 将TNT和RDX的峰面积分别除以3,4-DNT的峰面积，对全部十八支试管进行归一化处理。
9. 计算六个标准浓度下归一化的TNT和RDX峰面积的平均值和标准偏差。
10. 绘制TNT和RDX的平均归一化峰面积相对于样品管中分析物质量的曲线。
11. 为 TNT 和 RDX 的数据点分别添加线性趋势线。确定每种分析物的斜率和 y 轴截距。记录斜率、截距及 R² 在电子表格和实验记录本中的数值。
12. 将使用过的样品管置于管式处理器中，在 300 ºC 和 500 ml/min 条件下处理 3 小时^-1 氮气流

5. 样品分析

1. 在每个样品管中加入 5.0 µl 浓度为 0.3 ng µl^-1 的 3,4-二硝基甲苯（3,4-DNT）。
2. 将样品管置于室温下静置至少 30 分钟，使内标物中的溶剂完全挥发。
3. 使用二十管自动进样器，结合先前所述的 TNT 和 RDX 分析方法，在 TDS-CIS-GC-ECD 仪器上过夜运行样品管。^24,25 分析方法的仪器参数汇总见表 1。
4. 对十八个样品管色谱图中与 3,4-DNT、TNT 和 RDX 对应的色谱峰进行积分。3,4-DNT、TNT 和 RDX 的峰出峰时间分别约为 4.16、4.49 和 4.95 分钟。
5. 将各样品管中 3,4-DNT、TNT 和 RDX 的峰面积记录于电子表格及实验记录本中。
6. 利用峰面积和校准曲线，计算各分析物的蒸气浓度，单位为十亿分之一体积（ppb_v）。参见公式 1–4。
7. 将使用过的样品管置于管路活化器中，在 300 ºC 温度及 500 ml min^-1 氮气流速条件下处理 3 小时。

结果

获得痕量爆炸物蒸气样品的定量结果，首先需要使用溶液标准品直接液相沉积法将标准溶液沉积到采样管上，建立TDS-CIS-GC-ECD仪器的校准曲线，以校正仪器损失以及溶液标准品与蒸气样品之间的差异。TDS-CIS-GC-ECD仪器及用于TNT和RDX痕量分析的方法此前已有详细描述，但仪器参数已在表1中汇总。^24,25 此处，图1展示了使用已发表方法及表1中参数获得的一系列色谱图。3,4-二硝基甲苯（3,4-DNT）、TNT和RDX的色谱峰分别出现在4.16、4.49和4.95分钟。对于不同质量的TNT和RDX，内标物的峰高和峰面积保持恒定，而待测物的峰高和峰面积随其质量增加而增大。每个质量点下TNT和RDX的峰面积通过3,4-DNT的峰面积进行归一化处理，以校正采样管进样过程中可能存在的不可重复性及样品损失。随后将各待测物的归一化峰面积对采样管上的质量作图，建立校准曲线。通过线性回归分析获得斜率、截距和决定系数（R²）。斜率和截距用于将蒸气样品的归一化峰面积转换为质量，最终转换为浓度。

讨论

使用热脱附-冷聚焦-气相色谱-电子捕获检测器（TDS-CIS-GC-ECD）仪器结合直接液体沉积法对痕量爆炸物蒸气进行定量时，可重复性是一项关键指标，通常以相对标准偏差（RSD）作为衡量可重复性的参数。我们实验中获得的TNT样品间和样品内可重复性的RSD约为5%，RDX约为10%。任何超过15%的RSD均被用作提示信号，用于检查可能降低本实验方案有效性的常见变异来源。以下讨论将重点说明过去导致RSD不可接受的变异来源。

可能导致溶液标准品重复测量值出现相对较大标准偏差以及R值显著偏离1的常见变异来源² 溶液标准品和内标物在样品管上的沉积一致性至关重要。我们发现，与手动移液器相比，电子移液器在沉积过程中可最大程度地减少变异，是理想选择。在近期多个项目中，当多名人员参与连续数天的爆炸物蒸气定量采样时，分析结果的变异来源主要取决于操作者及其对手动移液器的使用方式。尽管手动移液器的使用看似相对简单，但不同操作者在按压和释放活塞时的微小差异，会导致爆炸物蒸气定量分析中产生显著的变异。当改用电子移液器后，操作者之间的差异已无法与仪器本身的变异和采样噪声相区分。在溶液吸取和...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2,4,6-三硝基甲苯（TNT）	Accu-Standard	M-8330-11-A-10X	10,000 ng μl-1
环三亚甲基三硝胺（RDX）	Accu-Standard	M-8330-05-A-10X	10,000 ng μl-1
3,4-二硝基甲苯（3,4-DNT）	Accu-Standard	S-22988-01	1,000 ng μl-1
Tenax® TA 蒸气采样管	Gerstel	009947-000-00	Tenax® 60/80
CIS4 衬管	Gerstel	014652-005-00	或同等产品
传输管线压环	Gerstel	001805-008-00
进样口衬管压环	Gerstel	001805-040-00
CIS4 压环	Gerstel	007541-010-00
ECD 检测器压环	Agilent	5181-3323
DB5-MS 色谱柱	Res-Tek	12620