多环芳烃（PAHs）是重要的污染物，在食品、卫生、环保等多个领域都需要测定，在农业（饲料、肥料）、医药（中草药）、轻工（纸张、化妆品）等领域也有测定要求。特别是鉴于欧美市场对多环芳烃污染的严格限制，海关总署要求对多种出口产品中的多环芳烃进行测定。目前在使用的测定方法分为液相色谱法和气相色谱-质谱联用法（GC-MS），其中GC-MS法的应用日益广泛。
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PAHs种类极多，毒性不一。目前测定对象不可能包含全部PAHs的种类，大部分是以美国EPA标准为参照，优先测定16种常见且毒性显著的的PAHs。另外也有参考欧盟（EU）以及其他国外法规，增加几种测定对象，例如GB 36246-2018、GB/T 29670-2013等标准中增加了苯并[e]芘、苯并[j]荧蒽等目标物。
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本文对GC-MS测定几种常见PAHs目标物的条件进行了优化，实验结果与几个重要问题的讨论如下：
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实验结果

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问题讨论1：分离困难
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1.1 主要难分离组分
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菲与蒽为异构体，性质接近，保留时间差异小。但常规条件下均可分离，若出现分离困难，极有可能是出现显著错误或者故障导致。例如色谱柱失效导致塔板数骤减，进样条件错误导致拖尾，离子源污染，等等。因此这两个峰的形状和分离好坏可以用来检查操作是否正确、仪器是否正常。
苯并荧蒽主要包括b、k、j三种异构体，色谱柱选择不合适时难以分离。
茚并[1,2,3-cd]芘与二苯并[a,h]蒽保留时间接近，其分离主要受温度条件影响，升温程序设置不合理时难以分离。
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1.2 色谱柱选择
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首先，多环芳烃普遍高沸点，需要使用300℃甚至更高的柱温，因此大部分中等极性和强极性的常规固定相都不能胜任，可选范围只有弱极性聚硅氧烷固定相和亚芳基改性的中等极性固定相。

HP-5ms，等效5%苯基-甲基聚硅氧烷的亚芳基改性固定相，最高适用温度325℃
DB-35ms，等效35%苯基-甲基聚硅氧烷的亚芳基改性固定相，最高适用温度340℃
DB-17ms，等效50%苯基-甲基聚硅氧烷的亚芳基改性固定相，最高适用温度320℃
Select PAH（CP7462），一种PAHs专用柱，未给出具体化学组成，根据保留指数的测定结果推测，其极性与DB-17ms接近或者略弱一点，最高适用温度325℃

将以上四种固定相的色谱柱进行了对比，结果如下：

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对比结论是：
（1）在正常柱效下菲与蒽均可完全分离，四种色谱柱效果类似。
（2）苯并荧蒽三种异构体的分离必须使用极性高的固定相。极性顺序依次为HP-5ms < DB-35ms < Select PAH < DB-17ms，苯并荧蒽三种异构体的分离度顺序也与极性顺序一致。要注意，随着固定相极性增加，苯并[j]荧蒽的出峰顺序有变化。对于极性最弱的HP-5ms柱，苯并[j]荧蒽出峰在另外两个异构体中间；改用极性更强的DB-35ms柱，苯并[j]荧蒽的出峰时间向后移动，跑到苯并[k]荧蒽之后，但分离度不高。使用极性更强的Select PAH 专用柱和DB-17ms柱，苯并[j]荧蒽进一步向后移动，与苯并[k]荧蒽的分离度增大。
（3）茚并[1,2,3-cd]芘与二苯并[a,h]蒽的分离与固定相极性关系不大，主要影响因素在于温度（后续将进一步讨论）。
（4）固定相苯基增多会提高对于PAHs的保留能力，导致出峰变慢。因此需要减小色谱柱的膜厚来补偿这一不利因素。
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上述结论的第（4）条是常被忽视的一个问题。随着固定相中苯基比例增加，根据相似相容原理，多环芳烃与固定相的亲和力显著增强，在同等温度下需要更长时间才能流出，想达到类似的流出时间则需要升温到更高温度。对于多环芳烃这种沸点极高的物质，这两方面都是不希望看到的。对比HP-5ms柱与DB-35ms柱可以看出，同等膜厚条件下，DB-35ms柱的出峰时间要长不少。DB-17ms柱的出峰时间本应更长，但由于膜厚从0.25um减少到0.15um，从而显著节省了时间。较短的出峰时间还使得茚并[1,2,3-cd]芘与二苯并[a,h]蒽能在较低柱温时流出，这对于二者的分离也是有利的（后续将进一步讨论）。Select PAH专用柱采用0.15um膜厚，应该也是基于类似的考虑。但是，也许是因为其固定相较为特殊，因此对多环芳烃的保留能力还要更强，所以出峰仍然较慢。
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1.3 升温程序优化
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优化后采取三阶程序升温，基本原则概括为三条：首先要保证初始温度低；然后要注意先快升温、后慢升温；第三是最终温度不能太高，保证茚并[1,2,3-cd]芘与二苯并[a,h]蒽能在接近280℃的条件下流出才有利于分离，绝不能超过300℃流出。
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第一条与进样有关，后续将进一步讨论。
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第二条主要是考虑到目标物的沸点普遍很高，除了萘和甲基萘，其余都在250℃以上，甚至有些高达500℃以上，因此柱温必然不能太低，否则难以流出。但是由于初温必须较低，若一直缓慢升温，必然使所有组分都出峰缓慢，特别是前面很长一段时间只有少数几个目标物能流出，大部分都要等到升到高温段才能流出。若一直采用快速升温，这出峰都太快，分离不好。所以采用先快后慢的升温程序，先快速升到200℃左右，然后缓慢升温。
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最后到280℃后升温速度进一步减小，是因为实验发现茚并[1,2,3-cd]芘与二苯并[a,h]蒽的分离对温度十分敏感。如下图所示，在不同柱温下进样，单独观察这两种组分的分离情况，柱温低于280℃时分离效果较好，超过280℃后分离显著变差。在300度时二者完全重叠，说明完全没有分离选择性，超过300℃后二者的出峰顺序甚至发生颠倒。

因此在设计升温程序时必须考虑让这两种组分能够尽量在较低温度下出峰，尽量减少280度以上温区的比例。如果280℃之后的升温速率不减小，就很快升温到300度，茚并[1,2,3-cd]芘与二苯并[a,h]蒽就会经历较多的高温区间，到高温段才流出，分离度必然降低严重；如果升温到300℃以上才流出，前面分离的效果反而被300℃之后的反向作用抵消，本来能分离的就变得分不开了。如果能升温到280℃后设置平台，等这两个物质出峰之后再升温，会获得更好的分离效果，但是这样耗费更的时间太长了。现有的升温程序保证这二者出峰时对应柱温290℃左右，高温区段的比例较少，产生的不良影响不明显，从而能有较好的分离度。
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1.4 柱流速对分离的影响
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一般认为柱流速需要保证载气处于最佳线速度，这样才能有最高的柱效。但是实际分离过程中是多方面因素共同影响的，不能只考虑柱效一方面。
一般对于0.25mm内径的柱使用氦气作为载气时，流速应为0.8~1.0mL/min，此时线速度略高于30cm/s，比较接近最佳线速度，柱效较高。如果提高柱流速，柱效会有一定损失，对分离不利。但是考虑到前面已经讨论的内容，流出时的柱温对分离有显著影响。如果提高柱流速，目标物能在更低温度下流出，将对分离有利。改变柱流速后，出峰时间和分离度的变化如下图所示。

柱流速从1.0mL/min增加到2.0mL/min后，茚并[1,2,3-cd]芘出峰时间提前近3min，流出温度降低约6℃，从而使分离度有所提高。当柱流速减小到0.6mL/min时，虽然更加接近最佳线速度，但是出峰时间面向推迟，在柱温升到300℃之后才流出，分离度显著降低。
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至于说柱效的变化在这里没有体现出来影响，这主要是因为范迪姆特曲线在一段区间内是比较平缓的，提高线速度虽然导致柱效降低，但是变化并不陡峭，只要不出现非常大的变化，不会导致质变。而且理论上分离度与柱效的平方根成正比，这也进一步削弱的柱效略微降低带来的不利影响。这一问题实际上具有普遍性，准备以后另外撰文详细讨论。
另外，提高柱流速还对不分流进样有利，这在本文后面还要进一步讨论。
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1.5 其他难分离组分
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还有两个需要注意的物质，一个是环戊烯[c,d]芘，另一个是三亚苯。
环戊烯[cd]芘与临近组分的分离并不困难，但是使用不同固定相时，其出峰顺序将发生变化，需要十分注意。使用弱极性的HP-5ms柱时，环戊烯[cd]芘在苯并[a]蒽之前出峰；使用中等极性的DB-35ms柱时环戊烯[cd]芘移动到苯并[a]蒽之后；使用极性更强的DB-17ms柱时，环戊烯[cd]芘进一步向后移动，接近（艹屈）。
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三亚苯是一种十分常见的多环芳烃，虽然不在标准测定的目标物范围内，但是常在样品总以干扰物形式出现，因此不少研究也予以关注。三亚苯是（艹屈）的异构体，目前三种常见固定相都无法实现这二者的分离。有文献（Anal Bioanal Chem (2006) 386: 859-881，DOI 10.1007/s00216-006-0771-0）报道了DB-XLB色谱柱对二者分离效果较好，但是没有给出详细资料。Select PAH专用柱在2℃/min的极慢升温条件下可以使三亚苯与（艹屈）的分离度接近1，但是分析时间超过1小时，速度太慢。
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DB-XLB和Select PAH这两种固定相都属于厂家保密技术，都没有透露分子结构信息，因此不利于探讨其分离的规律。测定萘的保留指数得到DB-17ms为1410，Select PAH为1395，说明Select PAH的极性接近DB-17ms，略低一点。而DB-XLB对芳烃类物质表现出的极性介于HP-5ms与 DB-35ms之间，属于极性比较弱的固定相。因此我猜测，所谓专用柱其实是在DB-17ms的基础上添加了少量DB-XLB固定相。
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问题讨论2：低沸点组分峰型不好
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PAHs都属于很稳定的弱极性物质，不存在吸附和分解的问题。因此在使用分流进样时，只要分流比不是太小（通常10左右即可）就不会出现峰型不好的问题。但是PAHs检测都是针对痕量污染，为了获得高灵敏度就必须使用不分流进样。
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在不分流进样时，样品只在很低流速的载气携带下进入色谱柱。

假设样品气化后体积为0.8mL，载气流速为1mL/min，则可以大致估算样品蒸汽转移进入色谱柱需要的时间为：t=V/F=0.8mL/1mL/min=0.8min。

这个时间就是初始的峰宽度。也就是说，如果不采取其他措施，不分流进样时峰宽至少有0.8min，这对毛细管柱分析是不可接受的。而且由于蒸汽流动过程中存在扩散问题，实际需要的时间会比计算值更高，并且会出现拖尾。

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为了解决不分流进样时存在的峰变宽和拖尾问题，一般需要借助溶剂聚焦或者固定相聚焦这两种手段。

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所谓固定相聚焦，是指样品蒸汽缓慢进入色谱柱时保持较低的柱温，蒸汽被固定相捕集，从而能重新聚集在一个比较小的范围内，然后快速升温，样品就能以比较尖锐的峰型流出。

溶剂聚焦的原理也类似，当柱温比溶剂沸点还有低很多时（通常需要低30~40℃，甚至更多）大量溶剂先冷凝成为液态，样品蒸汽溶解在这些液态溶剂中，其原理与固定相对样品蒸汽的的捕集类似，但是由于溶剂量比较大，因此作用更显著。在程序升温过程中，溶剂沸点较低因而先逐渐蒸发，液体体积越来越小，样品就能重新聚集到一个很窄的范围内。

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要实现这两种聚焦效果，在实际应用中要注意优化很多条件，详情可以参看相关专著。但是最显而易见的一点是，必须要使用较低的初始柱温。初始柱温太高往往是导致峰型展宽、拖尾、甚至分叉的罪魁祸首，特别是对早期流出的低沸点目标物影响较大。

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下图显示了初始柱温不同时的峰型。对比分流进样模式，在初始柱温80℃时使用不分流进样导致前三个目标物峰型显著变差，峰展宽和拖尾都比较严重。后续高沸点组分则无显著变化。将初始柱温降低到60℃后，前三个低沸点组分的峰型显著改善，几乎可以获得与分流进样差不多的尖锐峰型，只有萘存在很微弱的拖尾，对分离和定量的不利影响可以忽略。

PAHs的沸点足够高，通过固定相聚焦效应就已经足够获得很好的峰型了，因此可以不考虑溶剂聚焦，常见的低沸点溶剂，如正己烷、二氯甲烷、异辛烷、乙酸乙酯、环己烷、苯、等，对峰型都无显著影响，可根据具体情况选用。
但不建议选用甲苯、二甲苯等沸点较高的溶剂。因为这类沸点较高的溶剂在当前的柱温条件下还会产生溶剂聚焦效应，为了使两种聚焦效应互相配合，就必须更加仔细的优化进样条件，如果选取不合适的条件，反而导致两种效应产生矛盾，出现分叉峰、前伸峰等反常现象。
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问题讨论3：高沸点组分响应值低
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高沸点、晚流出的几个目标物往往峰高较低，这将影响信噪比、导致检出限提高。其原因主要有三方面：
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3.1 色谱过程中峰的自然展宽
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根据塔板理论速率理论，色谱峰具有正态分布函数形式，其宽度是由分子扩散、涡流扩散、传质阻力三方面因素共同决定的，随着保留时间的延迟，峰展宽不可避免。而峰面积由样品质量决定，不会变化，因此后期出来的峰普遍变得又矮又胖。
通过程序升温可以改善这一问题，快速升温能使峰变得窄而高，从而提高信噪比。但是程序升温需要服务于分离效果，不能随意修改。
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3.2 不分流进样条件不合适导致高沸点组分损失
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不不分流进样实际上不是完全的不分流，样品也不是100%进入色谱柱。在进样前期是不分流的，此时样品蒸汽向色谱柱转移。经过一段时间后，目标物已经大部分进入色谱柱，但是进样口内还有少量残余，此时需打开分流阀进行吹扫，除去残余。
由此可见，进样持续的时间需要足够长，如果时间太短，过早的开启吹扫，样品损失就会比较多。前面已经估算过在不分流条件下载气把样品蒸汽搬运到色谱柱内需要的时间，但是这种估算是针对蒸汽进行的。如果样品不能瞬间完全气化，搬运过程就会变慢，需要的时间就更长。
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5环的PAHs沸点接近500℃甚至更高，在色谱进样口的温度下无法瞬间完全气化，只能气化一部分、载气搬运一部分，蒸气压降低后再气化一部分、载气再搬运一部分，……，如此反复，直到完全进色谱柱。这个过程需要的时间比低沸点组分要长得多。如果没有给足够时间进行转移，就会导致残留较多高沸点组分，如果过早的开启吹扫，就会导致高沸点组分损失较多。
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下图对比了不同进样时间的影响，可以看出中间的大部分组分几乎无差别，但是晚流出的高沸点组分差别显著。随着不分流时间的缩短，高沸点组分损失显著，峰高明显减小，而且沸点越高的组分差距越显著。但是也要注意，不分流时间也不是越大越好，过长的不分流时间会使低沸点组分产生一定的拖尾。

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载气流速的影响是类似的，因为载气转移样品的时间与流速成反比，较高的流速有利于较快的转移。而流速降低将导致转移不完全，高沸点组分会有一定损失。实验结果如下图所示，高沸点组分的峰高有一定程度降低。

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根据上述分析，进样口温度的影响同理。降低进样口温度将使高沸点组分气化不完全的问题更加严重，转移进入色谱柱需要的时间也会更长。如果不延长不分流时间，就会有更多的高沸点组分发生损失。而且要注意，由于大部分物质的蒸气压是随温度指数变化的，因此进样口温度的影响十分重要，少许变化就会导致高沸点组分的峰下降严重。实验结果如下图所示，沸点越高的组分，受影响越严重。但考虑到隔垫、密封圈等对高温的耐受性，进样口温度也不宜太高。

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3.3 离子源温度不够导致高沸点组分离子化效率低
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通常配EI源的四级杆质谱，离子源默认温度是230℃。在高真空条件下，这一温度对于大部分物质的离子化已经足够，即使是沸点在300℃以上的塑化剂类物质也不存在问题。
但是PAHs的沸点却还要高得多，5环PAHs沸点达到500℃以上，有时候还会涉及到沸点更高的6环PAHs，因此离子源使用默认的230℃是远远不够的。如上图所示，离子源温度设置为300℃时具有较高的信号响应，降低离子源温度到250℃后，低沸点组分变化不明显，而高沸点组分的信号响应显著降低。
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早期离子源的温度上限为250℃，因此老方法里面给出的离子源温度普遍不高，以默认230℃为主。而现在新型离子源大部分能够达到350℃的温度上限，因此在使用时要适当修改方法，不能墨守成规。对于其他高沸点组分，很多时候也能通过优化离子源温度来改善信噪比，有时候还对减小拖尾有好处。

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最后有一点需要说明的，本方法使用的柱流速为2.0mL/min，这对当前的质谱仪属于较为常规的条件。但是对于部分较老的质谱，使用扩散泵或者低抽速涡轮泵（75L/min），柱流速通常不宜超过1mL/min，流速增大后将影响质谱真空度，导致信噪比下降。在引用本方法时必须予以注意。