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(xué) 貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550001；

2．貴州省煙草科學(xué)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(guān)注，由聚乙烯、聚丙烯為原料人工合成的傳統(tǒng)農(nóng)用地膜很難在自然條件下降解，并以碎片的形式長時(shí)間存在于環(huán)境中。地膜長期殘留會(huì)造成土壤板結(jié)，影響作物根系的生長發(fā)育，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)等問題［1］。高分子聚合物聚己二酸－對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT）生物降解膜是一種能在1～2個(gè)植物生長周期內(nèi)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(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景［2］。雖然PBAT純料的化學(xué)結(jié)構(gòu)（如圖1）中無毒性單元，且表現(xiàn)出環(huán)境無毒性，但在PBAT生物降解膜生產(chǎn)過程中，不可避免地存在不同程度的溶劑或揮發(fā)性物質(zhì)添加，可在較低溫度下釋放到空氣中，從而產(chǎn)生較大氣味，威脅環(huán)境和人類健康［3］。因此，有必要建立PBAT生物降解膜中揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的組成與含量的分析方法。

圖1 PBAT的結(jié)構(gòu)式Fig．1 Chemical structure of PBAT

傳統(tǒng)塑料中VOCs定性與定量分析主要采用液－液萃?。↙LE）、固相萃?。⊿PE）、頂空固相微萃?。℉S－SPME）等前處理方法［4-5］，其中HS－SPME集采樣、萃取、濃縮和進(jìn)樣于一體，具有處理時(shí)間短，樣品用量小，操作可自動(dòng)化，無需有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用到越來越多的分析領(lǐng)域［6-8］。目前，塑料中VOCs的檢測(cè)方法主要有氣相色譜法（GC）［9］及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC－MS）［10］，但這些方法檢測(cè)復(fù)雜基質(zhì)時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的峰重疊，且靈敏度低，可檢測(cè)物質(zhì)偏少。全二維氣相色譜－飛行時(shí)間質(zhì)譜（GC×GC－TOF MS）技術(shù)的出現(xiàn)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(zhì)量和結(jié)構(gòu)信息［11］?；诖?，本研究利用HS－SPME結(jié)合GC×GC－TOF MS測(cè)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GC×GC－TOF MS由Agilent 7890A氣相系統(tǒng)、Zoex Zx－1環(huán)形調(diào)制器（美國Zoex公司）、Zoex Fas－TOF高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜（美國Zoex公司）以及多功能自動(dòng)進(jìn)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(nèi)標(biāo)乙酸苯乙酯（純度＞98%）均購于Sigma公司。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)標(biāo)，密封后用多功能自動(dòng)進(jìn)樣器在80℃平衡10 min進(jìn)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(shí)間質(zhì)譜條件

色譜條件：一維柱為DB－5MS石英毛細(xì)管柱（30 m×0．25 mm，1．0μm），二維柱為BP－50石英毛細(xì)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(jìn)樣口壓力：初始?jí)毫?．207 MPa，保持2 min，以2．07 kPa/min升至0．331 MPa，保持1 min；樣品運(yùn)行時(shí)間：63 min；進(jìn)樣口溫度：260℃；進(jìn)樣模式：不分流進(jìn)樣；吹掃時(shí)間：3．5 min；調(diào)制周期：7 s；持續(xù)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(zhì)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(zhì)量掃描范圍m/z50～500；分辨率：4 000，F(xiàn)WHM（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(jié)合目標(biāo)物的準(zhǔn)確分子量、特征離子碎片峰對(duì)VOCs進(jìn)行鑒定，采用乙酸苯乙酯按照校正因子F=1進(jìn)行內(nèi)標(biāo)法相對(duì)定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 HS－SPME條件優(yōu)化

2.1.1 萃取纖維頭的優(yōu)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(shí)驗(yàn)考察了不同類型5種萃取纖維頭（PDMS－DVB、PDMS－DVB－CAR、PDMS－CAR、PA、PEG）對(duì)萃取效率的影響。結(jié)果顯示，PDMS－DVB－CAR萃取纖維對(duì)大部分VOCs具有更高的吸附性，萃取效率最高。這是因?yàn)镻DMSDVB－CAR為中等極性、高度交聯(lián)涂層，能兼顧各類化合物，更有利于復(fù)雜VOCs的吸附。其余4種涂層對(duì)分子的大小、極性強(qiáng)弱各有偏重。其中，PDMS－CAR對(duì)烷烴及醛酮類化合物具有較高選擇性，PA對(duì)酸類和醛酮類化合物具有較高選擇性，PDMS－DVB對(duì)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(zhì)的萃取?；诒狙芯恐械蜆O性VOCs種類較多，因此選擇綜合性更強(qiáng)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(gè)動(dòng)力學(xué)過程，樣品中各相分配系數(shù)決定萃取效率。在選擇平衡溫度條件時(shí)，溫度不宜過高也不宜過低［13］，實(shí)驗(yàn)考察了平衡溫度分別為60、70、80、90℃時(shí)對(duì)萃取效率的影響。結(jié)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(dāng)平衡溫度達(dá)到90℃時(shí)，雖有利于高沸點(diǎn)化合物的蒸發(fā)，但同時(shí)降低了樣品在涂層中的分配，部分揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)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(shí)間的選擇 目標(biāo)物從樣品中揮發(fā)到頂空空間，需一定時(shí)間才能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡［14］，因此實(shí)驗(yàn)考察80℃下平衡時(shí)間分別為5、10、15、20 min時(shí)對(duì)PDMS－DVB－CAR萃取效率的影響。結(jié)果顯示，隨著平衡時(shí)間從5 min增至10 min，萃取效率明顯增加，且平衡時(shí)間10 min時(shí)的萃取效率最高，繼續(xù)延長平衡時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，萃取效率呈下降趨勢(shì)。因此，選取最佳平衡時(shí)間為10 min。

2.1.4 萃取時(shí)間的選擇 目標(biāo)物在樣品溶液、頂空和纖維頭涂層三相達(dá)到平衡之前，萃取時(shí)間會(huì)影響分配平衡狀態(tài)，萃取時(shí)間過短，則吸附不完全；萃取時(shí)間過長，則吸附組分可能發(fā)生解吸。因此選擇合理的萃取時(shí)間方能達(dá)到最佳的萃取效果［15］。實(shí)驗(yàn)考察了萃取時(shí)間分別為20、30、40、50 min時(shí)對(duì)萃取效率的影響，結(jié)果顯示，萃取效率隨著萃取時(shí)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(shí)間。

2.2 定性分析

通過目標(biāo)物的保留時(shí)間、正反匹配度、準(zhǔn)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(shí)間、匹配度、準(zhǔn)確分子量等參數(shù)如表1所示。

表1 55種VOCs定性與相關(guān)參數(shù)Table 1 Qualitative analysis and parameters of 55 VOCs

由表1數(shù)據(jù)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(jìn)一步利用準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)來確定元素的組成，以確保VOCs定性的準(zhǔn)確度，如4-甲基聯(lián)苯的理論質(zhì)量數(shù)為168．093 9，實(shí)際質(zhì)量數(shù)為168．093 8，質(zhì)量數(shù)偏差僅為0．000 1，表明理論值與實(shí)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(xiàn)了GC×GC－TOF MS在分離復(fù)雜成分中的優(yōu)勢(shì)。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(guī)一維色譜中達(dá)到基線分離，但在GC×GC中具有不同的二維保留時(shí)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(duì)于復(fù)雜化合物的分離，特別是同系物與同分異構(gòu)體，全二維色譜能夠達(dá)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(zhǔn)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(fù)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(duì)定量及方法學(xué)驗(yàn)證

采用內(nèi)標(biāo)法以校正因子F=1對(duì)PBAT生物降解膜VOCs進(jìn)行相對(duì)定量，對(duì)方法的日內(nèi)（1 d內(nèi)重復(fù)5次）和日間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，5 d內(nèi)重復(fù)5次）進(jìn)行考察，結(jié)果如表1所示。主要VOCs的日內(nèi)RSD不高于13%，日間RSD不高于19%。由此可見，方法具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，能較好對(duì)不同來源PBAT生物降解膜中的VOCs進(jìn)行相對(duì)含量組成分析。

2.4 實(shí)際樣品分析

主成分分析（PCA）是一種無監(jiān)督的模式識(shí)別方法，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(qū)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(duì)樣品中VOCs進(jìn)行主成分分析（圖4A）。結(jié)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(jì)貢獻(xiàn)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(xiàn)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(qū)分不同來源的PBAT生物降解膜。為進(jìn)一步找出對(duì)差異區(qū)分有重要貢獻(xiàn)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(jié)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(xiàn)的VOCs。對(duì)VIP值大于1．2的變量使用熱圖分析（圖4B），發(fā)現(xiàn)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(duì)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(duì)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(yīng)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(duì)應(yīng)生成水解產(chǎn)物2，6-二異丙基苯胺，而2，6-二叔丁基對(duì)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(duì)差異區(qū)分有重要貢獻(xiàn)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(jié) 論

本研究建立了一種HS－SPME結(jié)合GC×GC－TOF MS技術(shù)測(cè)定PBAT生物降解膜中55種VOCs的分析方法，優(yōu)化了HS－SPME條件，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析了VOCs化學(xué)成分的變化，區(qū)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(qiáng)，可用于PBAT生物降解膜中VOCs的安全評(píng)價(jià)。