采用ISQ 7610 GC-MS系统(EPA Method 8270E)对多环芳烃(PAHs)的多个矩阵进行单一校准曲线分析

目标

本应用说明的目的是证明Thermo Scientific™ISQ™7610单四极质谱仪的宽动态范围和鲁棒性，使用新的Thermo Scientific™XLXR™检测器，耦合到Thermo Scientific™TRACE™1610气相色谱仪，根据美国环境保护署(EPA)方法8270E，用于分析土壤和水中的19种多环芳烃(PAHs)。

简介

多环芳烃(PAHs)是由碳原子和氢原子组成的有机化合物。在化学上，多环芳烃由两个或多个芳香环组成，以线性、簇状或角状排列结合，导致其物理、化学和毒理学性质的广泛多样性。多环芳烃无处不在，可以污染土壤、空气、沉积物和水，并且对环境退化具有抵抗力。这些化合物存在于化石燃料来源和人造化学品中，来源于用于人类活动的有机物的不完全燃烧(如汽车尾气、橡胶、塑料和香烟)。多环芳烃因其化学结构而具有毒性作用，是一种致癌物或内分泌干扰物。由于其毒性，它们在环境中受到严格的监管[1]。
多环芳烃分析最常见的法规之一是EPA方法8270E[2]。采用这种方法的分析实验室面临几个挑战。第一个挑战是等压化合物必须具有足够的色谱分辨率，特别是苯并[b]荧光蒽和苯并[k]荧光蒽。高沸点化合物，如苯并[g,h,i]苝，也构成了一个挑战，因为有可能出现结转和峰展宽[3]。必须仔细优化仪器条件，以避免饱和和线性损失;实验室可能还需要分离不同基质(例如土壤和水)的校准曲线，以确保它们不超过系统的线性动态范围。
遵守EPA方法8270E的规定也有其自身的挑战。必须进行DFTPP调优，以确保离子丰度对分析是可接受的。8270E在初始完全校准期间需要调优，然后每12小时运行一次持续校准进行分析。在E之前的所有8270版本都要求每12小时进行一次完整的DFTPP调优。如果DFTPP调优失败，则必须重新运行整批样品以符合该方法。分析测试实验室执行这种分析的最后一个挑战是保持样品的通量。仪器在整个分析过程中始终如一地工作是至关重要的，并且不需要维护的长时间运行是可取的。如果由于排气清洁系统或更换色谱柱而导致仪器上出现任何非生产时间，则采样器的周转时间和资产利用率将受到影响，客户收到的结果也会延迟。
在本应用笔记中，ISQ 7610单四极杆GC-MS系统被用于同时分析水和土壤样品中的多环芳烃。XLXR检测器作为系统的标准，提供了扩展的线性动态范围和寿命。在此分析中，使用超过五个数量级的单一校准曲线来分析水和土壤样品。这种扩展的动态范围消除了对不同矩阵运行单独曲线的需要，并有助于增加样本吞吐量。在该系统上还对土壤和水矩阵的扩展运行进行了分析，以证明多环芳烃分析的稳健性。ISQ 7610 GC-MS上的NeverVent™技术还允许仪器停机时间显著减少，因为能够交换色谱柱和清洁电离源，而不需要排气系统。通过消除仪器上的非生产时间，可以在系统上进行更多的注入。

实验

试剂和标准

含有EPA Method 8270中列出的18种PAHs的本地化合物校准混合物(每个成分为2000 μg/mL, P/N 31995)，标记的内部标准混合物(2000 μg/mL, P/N 31206)和GC-MS调谐混合物(1000 ng/mL, P/N 31615)均购自Restek;从LGC中获得纯二苯并呋喃(10mg, P/N DRE-C20710000)，并在二氯甲烷(DCM)中稀释至10mg /mL。替代标准品(4000 μg/mL, P/N M-8270-SS)购自AccuStandards。
溶剂校准曲线、仪器检出限(IDL)、方法检出限(MDL)样品的制备
制备了13种DCM校准溶液，包含19种原生多环芳烃，标记内部标准和替代标准，范围为2.5至20,000 ng/mL (ppb)(完整细节见附录);ISTD为1000 ng/mL，替代试剂为800 ng/mL。采用平均响应因子校正，并采用15% RSD准则评估在宽校准范围内的线性度。在DCM中注入2.5 ng/mL校准液计算仪器检测限(IDL)。方法分别用加标量为2.5 ng/mL的水和5 ng/mL的土壤提取液计算检测限(MDL)。

样品制备和质量控制

水和土壤提取物(n=76)由美国PACE Analytical®提供。样品加标，水按照EPA方法3510[4]和3511[5]提取，土壤按照EPA方法3546[6]提取。多环芳烃含量低的水和土壤样品被添加到低(0.01 ppm)、中(1 ppm)和高(10 ppm)水平，以检查方法的准确性和稳健性。所有样品被随机注入，并用于评估n=150次基质注入的仪器稳健性，不需要入口、色谱柱、质谱仪维护或重新调整。

gc - MS / MS分析

使用Thermo Scientific™TriPlus™RSH SMART自动进样器对样品提取物进行液体注射。色谱分离采用Thermo Scientific™TraceGOLD™TG-PAH 30 m × 0.25 mm i.d × 0.10 μm色谱柱。由于薄膜厚度和高工作温度(高达360˚C)，该色谱柱在分辨率方面符合EPA Method 8270的要求，而且所有化合物(包括高沸点化合物)的峰值形状都很好。
分析使用ISQ 7610单四极杆GC- ms，配合TRACE 1610 GC气相色谱仪，并配备ExtractaBrite™离子源。方法条件如表1所示。系统在选择离子监测(SIM)模式下运行，以监测多环芳烃，并对调谐溶液进行全扫描(从50到500 m/z，停留时间0.20 s)。
表1。GC-MS采集方法参数用于测定水和土壤样品中19种多环芳烃。
完整的分析物列表，以及被监测的量词和限定词离子，如表2所示。系统使用内置的EPA Method 8270E方法进行调优，该方法是专门设计的调优类型。
表2。目标多环芳烃化合物清单，其保留时间和SIM定量和确认离子

数据处理

使用Thermo Scientific™Chromeleon™7.3 CDS软件进行数据采集、处理和报告，该软件允许在一个平台中进行仪器控制、方法开发、定量/定性分析和可定制的报告。GC-MS环境扩展包包括一套报告模板、处理方法和eworkflow™，以促进GC-MS使用EPA方法8270、524、525和8260[6]进行环境分析。对于多环芳烃的分析，需要监测DFTPP的质量之间的比率，并由系统适用性检查软件自动执行。Chromeleon CDS可以将多环芳烃方法快速应用到任何分析实验室，并确保系统在安装后不久就能产生结果。

结果与讨论

同分异构体的色谱分离与拆分

优化的GC条件和TraceGOLD TG-PAH毛细管柱的高选择性使等压化合物的色谱分辨率在15.2分钟的总运行时间内达到EPA Method 8270E的要求。包括高沸点化合物在内的所有化合物都具有高斯峰形状。
图1和图2所示为0.1 ppm溶剂标准所获得的示例色谱图。首先洗脱多环芳烃的萘和最后洗脱多环芳烃的苯并[g,h,i]芘的峰从始至终呈高斯型且峰形明显;苯并[g,h,i]芘的基线峰宽为0.034 min。
菲和蒽类化合物基本基本可以分解;苯并[b]荧光蒽和苯并[k]荧光蒽的分辨率为20%(根据两种化合物的谷高度与较小的顶点高度之间的比值计算);二苯并[a,h]蒽和茚[1,2,3-cd]芘溶质和依赖质量分离。

校正及线性度

制备2.5 ng/mL至20,000 ng/mL的校准曲线，以EPA Method 8270E中要求的平均相对响应因子(AvRF)校准拟合类型和%RSD <15%标准评估线性度。在整个校准范围内，所有化合物的计算rsd均<10%。XLXR检测器的扩展动态范围允许仅使用一条校准曲线，而不是两条不同的校准曲线来分析痕量和高度污染的样品。计算的AARF和%RSD结果见表3。标定曲线实例如图3所示。
图2。苯并[b]荧光蒽和苯并[k]荧光蒽的色谱分离。峰值分辨率计算为峰谷高度与较小化合物的峰值顶点高度之间的比率。

灵敏度:仪器检出限(IDLs)和方法检出限(MDLs)

为了确定每种分析物的仪器检测限(IDL)，响应及其标准差被考虑到[8]。这种方法给出了更可靠的LOD值，因为它不仅考虑了信号强度，而且还考虑了响应的一致性。通过在DCM中重复注射8次2.5 ng/mL校准溶液计算idl，使用公式1[8]。
IDL = t(n - 1,1 -α =0.99) × mOC × %RSD(式1)
地点:
t = 7自由度99%置信度的单尾分布的学生t值(2.998)
mOC =色谱柱上分析物的质量

%RSD = 8次重复注射反应(峰面积)的%RSD。%RSD必须一致(%RSD < 15%)。
如表4所示，列上的idl范围为0.3到0.97 pg。
方法检出限(MDL)定义为一种物质的最小测量浓度，该物质的测量浓度与方法空白结果[9]有99%的置信度。为了计算MDL，选择水和土壤的空白提取物，混合，提取后以不同水平(2.5 ng/mL和5 ng/mL)加标;重复注射8次，按公式2计算。

MDLs = t(n-1,1 -α =0.99) × Ss(式2)
地点:
t = 7自由度99%置信度的单尾分布的学生t值(2.998)
Ss =计算浓度的样本标准差
水在柱上的MDLs为0.44 ~ 6.94 pg，土壤在柱上的MDLs为0.48 ~ 7.60 pg。
表4。DCM溶剂中19种原生多环芳烃的仪器检出限

可重复性

通过在水中连续注入20 ng/mL QC和在土壤中连续注入20 ng/mL QC来测试重复性。用空白基质制备qc。结果报告在图4中。总体而言，水分RSD <5.5%，土壤基质RSD <15%。

根据EPA方法8270分析环境样品中多环芳烃的仪器鲁棒性

评估了总共n=136个样品和52小时连续注射的系统鲁棒性和高通量分析的适应性，没有任何GC和MS维护(线性变化，柱修整，MS调整)。图5中报告了批处理的详细信息。

调整检查

每组样品结束后，每6小时注射1 μL全扫描采集的含有DFTPP的20 μg/mL调优验证液进行调优验证。EPA Method 8270中报告的优化验证标准由Chromeleon CDS中的系统适用性测试(SST)自动验证(附录中的图A1)。在批处理的最后，调优验证仍然通过了规范。

校准检查

整个批次的校准检查是通过在不同水平注入校准标准来完成的。该批样品的最后两个样品是最低(2.5 ng/mL)和第二个至最低(5 ng/mL)校准点。(这些浓度的反计算精度仍在±10%以内。)

质量控制

制备了三种不同水平(10,1,000和10,000 ng/mL)的水和土壤基质QCs，并每17个样品注入一次。计算出的浓度在批次中准确且一致，为加标量的±20%(图6和7)。

图4。白水和白土加标量为20 ng/mL时峰面积精度计算
图5。部分批次用于稳健性评估。该批次包括8个系列，每个系列17个样品，即1个调谐混合物，1个校准验证(CCV)， 6个QC(水和土壤基质的QC低、中、高)和9个水和土壤提取物，随机选择。共注射n=136个样品，连续注射52小时。
图6。QC水空白基质加标10 ng/mL的计算值
图7。QC土壤计算值，空白基质加标1000ng /mL。连续注射52小时，n=136个样品，计算值一致且准确(±15%)。

结论

本文所描述的实验结果表明，ISQ 7610 GC-MS系统满足并超过EPA方法8270E对环境样品中多环芳烃分析的要求。
•符合EPA方法8270E，实现了高斯峰形状和色谱分辨率
•XLXR检测器表现出出色的动态范围，跨越4个数量级，对19种多环芳烃从2.5 ppb到20 ppm，每种化合物的AvRF %RSD<10%，从而无需制备两条不同的校准曲线，加快了分析工作流程
•在列范围内，即使对加标矩阵，IDLs和MDLs也处于低pg
•经过136次注入和52小时的连续工作，该系统被证明是稳健的，因为在灵敏度、峰形状和DFTPP调谐检查方面性能没有变化
•采用NeverVent技术的ISQ 7610 GC-MS系统可在不破坏真空的情况下进行离子源清洗和色谱柱更换，从而确保最小的仪器停机时间和高样品吞吐量。消除了非生产性仪器时间，因此可以在系统上执行更多的测试

参考文献

1.大气中的多环芳香族化合物——确定研究需求的综述。多环芳烃化合物，2015,35,316-329。
2.美国EPA方法8270E:气相色谱/质谱法半挥发性有机化合物，修订版6,2018年6月。
3.热科学应用注释10718:通过单四极杆GC-MS常规测定饮用水中多环芳烃(PAHs)的快速，可靠的方法。Michela Balsamo et al. https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CMD/Application-Notes/an-10718-gc-ms-pah-drinking-water-an10718-en.pdf
4.美国环保局方法3510:分离漏斗液-液萃取，1996年12月。
5.美国EPA方法3511 (SW-846):微萃取水中有机化合物，修订版1,2014。
6.美国环保局方法3546:微波萃取，2007年2月。
7.热科学技术说明10721:用单四极杆GC-MS对土壤中多环芳烃和多氯联苯进行常规、可靠的分析。亚伦·兰姆等https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CMD/Technical-Notes/tn-10721-gc-ms-pahs-pcbs-soil-tn10721-en.pdf
8.Thermo Scientific技术说明10499:Thermo Fisher Scientific ISQ LT单四极杆GC-MS仪器检测极限的实际确定和验证。理查德·劳，托马索·阿尔贝蒂尼。https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CMD/Technical-Notes/tn-10494-single-quadrupole-gc-ms-tn10494-en.pdf
9.US EPA:确定方法检测限的定义和程序，修订版2,2016年12月。
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有关使用吹扫和捕集耦合单四极杆GC-MS分析水中挥发性有机化合物(VOCs) (AN-000305)或土壤中VOCs (AN-000377)的分析，请联系CMD.APACMarketing@thermofisher.com