《Talanta》：DI-SPME method for the analysis of fire accelerants in simulated fire debris samples using GC/MS and GC×GC/Q-TOFMS
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火灾残留物分析中低挥发性化合物检测效率不足，本研究提出DI-SPME结合GC×GC新方法，开发PTFE纤维保护装置，优化后LOD达2.92-85.70 μg L?1，显著提升加速剂指纹识别能力并符合绿色化学原则。
作者：Wagner Augusto Fiel、Rogério Araújo Lordeiro、Zenida de Lourdes Cardeal、Helvécio Costa Menezes
所属机构：米纳斯吉拉斯联邦大学化学系（ICEx），地址：巴西贝洛奥里藏特市安东尼奥·卡洛斯大道6627号，邮编31270901
摘要
气候变化加剧了干旱和热浪，增加了野火的发生频率以及有害污染物的释放，这些污染物威胁着生态系统、人类健康和空气质量。因此，法医和环境调查需要选择性和可持续的分析方法。用于火灾残骸分析的最常见方法之一是顶空固相微萃取（HS-SPME）；然而，该方法在捕获低挥发性分析物方面存在局限性，因为这些分析物通常会在燃烧过程中丢失。本文提出了一种替代策略，将直接浸渍固相微萃取（DI-SPME）与全面二维气相色谱（GC×GC）结合使用。开发了一种新型PTFE纤维保护装置，该装置由带孔的圆柱管组成，可以防止粗颗粒对纤维的损坏，同时允许分析物扩散，从而延长纤维寿命并消除基于溶剂的固液萃取过程。使用添加了汽油和柴油的办公纸制备的模拟火灾残骸样本，在燃烧后通过乙酸乙酯进行水萃取进行了分析。方法验证采用了C14–C18线性烷烃作为易燃液体的标记化合物。通过中心复合设计优化了GC/MS参数，而GC×GC/Q-TOFMS条件则通过分数因子设计进行筛选。该方法表现出高灵敏度（LOD为2.92–85.70 μg L-1）以及令人满意的日内和日间精度（6.8–25.4%）。这种方法符合绿色化学原则，减少了溶剂消耗和分析时间，并实现了自动化和微型化。简化的样品制备、高分辨率分离和多变量分析相结合，为法医和环境火灾调查提供了可靠的助燃剂鉴定支持。
引言
随着全球变暖的加剧，世界上许多地区变得越来越炎热和干燥，导致野火频发[1][2]。此外，为清理农田而故意引发的火灾往往失控，进一步加剧了这一问题。因此，火灾残骸的分析特别具有挑战性，因为燃烧过程中温度极高，灭火过程中使用了大量的抑制措施，以及火灾后的微生物降解作用，这些因素都减少了可检测到的易燃液体残留物（ILRs）的数量。此外，样品基质中可能含有与ILRs相同的化合物，这可能导致假阳性结果。在这种情况下，法医分析师必须采用最先进的技术进行样品采集、运输和实验室分析，以便应用更加灵敏和选择性的方法[1]。
火灾现场分析的主要目的是确定火灾是否是人为引起的，因为检测到易燃液体残留物可以为犯罪活动提供关键证据。色谱技术是最广泛用于ILR分析的方法，通常需要样品制备步骤[1][3]。美国材料与试验协会（ASTM）已经标准化了几种方法，包括溶剂萃取[4]、静态顶空采样[5]以及相关变体，如使用活性炭条的被动浓缩[6]和固相微萃取（SPME）[7]。尽管溶剂萃取是一种传统技术，但由于使用有毒溶剂和耗时程序，它越来越多地被替代方法取代。相比之下，基于顶空的技术（静态和动态）正变得越来越重要。其中，使用活性炭条的被动顶空采样（ACS）仍然是火灾残骸分析中最常用的方法，因为它成本低、灵敏度高且非破坏性[1][3]。然而，使用有毒溶剂（如二硫化碳[8]、二氯甲烷[9]或戊烷[10]）进行脱附，以及较长的萃取时间（通常超过4小时），促使人们采用了热脱附方法[9]。
固相微萃取（SPME）[11][12][13]最初由Almirall等人[14]应用于燃料分析，已成为ACS的广泛替代方案，克服了其许多局限性。最常用的配置是顶空SPME（HS-SPME），它将萃取和预浓缩结合在一个步骤中，从而减少了分析时间，并允许使用不同极性分析物的多种聚合物涂层。此外，GC进样器中的热脱附消除了对有机溶剂的需求，促进了自动化，使该技术更加可持续，同时提供了与ACS相当的灵敏度。然而，纤维易碎、相对于活性炭条成本较高，以及顶空采样对低挥发性化合物的萃取效率较低等问题仍然存在。通过将纤维置于直接浸渍模式（DI-SPME）[1][3]操作，可以缓解这些局限性。多项研究表明，对于沸点较高和蒸气压较低的化合物（包括沸点通常在200–250°C范围内的化合物、高分子量烷烃、烷基化芳烃和环状烃[15][16]，HS-SPME的效率会降低。在火灾现场，火焰的高温和收集残骸前的环境暴露会促进易燃液体中更易挥发化合物的蒸发，因此样品中剩余的主要是较不易挥发的化合物[1]，这些化合物可以通过DI-SPME技术有效检测到。
迄今为止，尚未有研究报道将DI-SPME应用于火灾残骸分析；其应用主要限于其他基质，特别是水。Bianchin等人[17]开发了一种方法，使用结合HS–DI-SPME策略从水中同时提取BTEX和PAHs化合物（这些化合物可能存在于易燃液体残留物中），所使用的纤维为50 μm/30 μm DVB/CAR/PDMS。在DI-SPME的萃取条件下为48分钟、温度为80°C，HS-SPME的萃取条件下为32分钟，检测限达到了0.07–0.32 μg L-1的范围。相比之下，Crucello等人[18]开发了一种DI-SPME方法，该方法结合了纤维上的衍生化和全面二维气相色谱，用于分析石油勘探过程中产生的水中的环烷酸。使用100 μm PDMS纤维，在30°C下萃取25分钟后，成功检测到了94种环烷酸（线性、单环和双环），其检测限比以往研究报道的低至2000倍。
高效的萃取必须与灵敏且稳健的分离技术相结合。虽然一维气相色谱（1D-GC）广泛用于ILR分析，但石油衍生液体的复杂性往往导致严重的共洗[19]。全面二维气相色谱（GC×GC）通过结合两个具有不同分离机制的柱子并应用调制，显著提高了分辨率和灵敏度[20][21]。多项研究已经证明了GC×GC在易燃液体残留物分析中的潜力。例如，Kates等人[22]比较了GC/MS和GC×GC-TOFMS对添加了汽油并使用ACS萃取的森林火灾样品的分析结果。对于所有评估的化合物类别，GC×GC的检测率明显高于GC/MS。这种改进在萘衍生物方面尤为明显——根据ASTM E1618[23]，萘衍生物是重要的汽油鉴别指标——GC×GC的检测率为2–99%，而GC/MS仅为0–1%。尽管取得了这些进展，但针对GC×GC基火灾残骸分析的成本效益优化实验设计策略仍然有限。
总之，当前的火灾残骸分析方法存在一些重要局限性，包括使用HS-SPME时对低挥发性化合物的回收率较低、ACS相关的较长萃取时间，以及一维GC固有的共洗问题。为了克服这些局限性，本研究提出了将直接浸渍固相微萃取（DI-SPME）与全面二维气相色谱（GC×GC）结合用于易燃液体残留物分析。通过中心复合设计和分数因子实验设计优化了萃取和分离条件，并开发了一种新型纤维保护装置，以使DI-SPME能够应用于异质固体火灾残骸样品。
液体样品的制备
从巴西贝洛奥里藏特的Petrobras加油站购买了普通汽油和S10柴油样品。样品收集在琥珀色玻璃或聚合物瓶中，并在0°C下冷藏保存。储备溶液是通过用Nova Analítica（巴西圣保罗Diadema）提供的聚四氟乙烯（PTFE）隔膜将10.0 μL汽油或柴油移液至2 mL螺旋盖小瓶中制备的。然后用J.T. Baker公司的HPLC级甲醇将体积调整至1 mL。
一维气相色谱（1D-GC）分辨率的优化
进行了色谱测试，以确定通过液体注入1%（m/v）甲醇制备的汽油和柴油溶液来最大化化合物分辨率的条件（烤箱加热速率和氦气流量），具体见表1。根据所建立的模型，得到了图2a和2b所示的响应曲线，结果表明烤箱加热速率是95%置信水平下唯一具有统计显著性的因素。汽油需要线性模型，而
结论
本研究开发了一种灵敏且选择性的方法，使用GC/MS和GC×GC/Q-TOFMS分析了模拟火灾残骸样本中的火灾助燃剂。设计了一种简单且低成本的纤维保护装置，使得DI-SPME能够应用于异质固体样品，同时最小化了样品制备步骤并防止了纤维损坏。据我们所知，这是首次报道将DI-SPME应用于火灾残骸分析的研究。
作者贡献声明
Zenilda de Lourdes Cardeal：撰写、审稿与编辑、监督、资源获取。Helvécio Costa Menezes：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、方法论设计、概念构思。Wagner Augusto Fiel：撰写、初稿撰写、方法验证、方法论设计、概念构思。Rogério Araújo Lordeiro：撰写、初稿撰写、资源管理、概念构思
资金来源
本研究得到了巴西国家精神活性物质科学技术研究所（INCT-SP）/国家科学技术发展委员会（CNPq）[资助编号406958/2022-0]、米纳斯吉拉斯州研究支持基金会（FAPEMIG）/INCT-SP [资助编号APQ-03984-24]以及高等教育人员培训协调委员会（CAPES）/INCT-SP的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
