張愛平， 王紅衛(wèi)， 李建軍， 封亞輝， 趙秀娟， 范崇光

(1.南通出入境檢驗檢疫局，江蘇南通 226004；2.江蘇出入境檢驗檢疫局，江蘇南京 200001；3.中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇如東 226400；4.南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇南通 226019)

天然氣作為三大能源之一，在我國能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。然而，組成天然氣的氣體物質(zhì)中含有汞。汞的毒性較大，它在自然界中以金屬汞、無機汞和有機汞的形式存在，而汞化合物的生物化學(xué)行為和毒性與其化學(xué)形態(tài)密切相關(guān)[2]。無機汞包括一價汞和二價汞，其中一價汞很不穩(wěn)定；有機汞包括甲基汞、乙基汞、苯基汞等形態(tài)。有機汞的毒性大于無機汞的毒性，尤其是甲基汞的毒性最大，乙基汞的毒性雖低于甲基汞，但甲基汞和乙基汞均是脂溶性的，容易被生物體吸收。

目前，汞形態(tài)分析的主要手段包括：氣相色譜法[3，4]、高效液相色譜法[5，6]、離子色譜法[7]、毛細管電泳法[8]等。高效液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(HPLC-ICP-MS)測定汞形態(tài)是最簡單、穩(wěn)定性最好、檢測限最低的一種方法。

本實驗采用自制的溶液吸收前處理裝置，對液化天然氣中汞形態(tài)進行有效的吸收，實現(xiàn)樣品簡單快速前處理。在優(yōu)化儀器條件下，利用HPLC-ICP-MS測定汞形態(tài)。方法簡便、快速、準確、檢出限低，適用于液化天然氣中汞形態(tài)分析。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

Agilent1200型高效液相色譜儀，Agilent 7700型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國，Agilent公司)。Agilent Zorbax Plus C18色譜柱(150×4.6 mm,5 μm)，Agilent Zorbax Plus C18保護柱(12.5×4.6 mm,5 μm)(美國，Agilent公司)；0.45 μm微孔纖維素濾膜(美國，Agilent公司)。超純水機(Milli-Q公司)。

HgCl2(100 μg/mL)、氯化甲基汞(MeHgCl)(86.2 μg/g)、氯化乙基汞(EtHgCl)(77.3 μg/g)，均購自國家標準物質(zhì)中心；氯化苯基汞(PhHgCl)(純度≥93.8%，LGC公司)。苯基汞標準溶液(95.09 mg/mL)：準確稱取0.0158 g PhHgCl，置于100 mL容量瓶中，加甲醇定容?；旌蠘藴嗜芤?100 ng/mL)：移取100 μL HgCl2、116 μL MeHgCl、129 μL EtHgCl和105 μL PhHgCl標準溶液，置于100 mL容量瓶中，加入L-半胱氨酸和乙酸銨+8%甲醇混合溶液定容，制備成100 ng/mL混合標準溶液。吡咯烷二硫代氨基甲酸、2-巰基乙醇、L-半胱氨酸(純度≥98.6%)、氨水、均為分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；乙酸銨(美國ROE SCIENTIFIC公司)；甲醇(色譜純，德國MERCK公司)。10 mmol/L L-半胱氨酸-乙酸銨溶液(pH=7.5)：分別稱取1.2116 g L-半胱氨酸和0.7708 g乙酸銨于100 mL燒杯中，加入超純水溶解，用氨水(1∶1)調(diào)節(jié)至pH=7.5后,定容至1 000 mL，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，避光存貯。

1.2 樣品前處理

圖1 液化天然氣樣品前處理裝置Fig.1 The pretreatment equipment of liquefied natural gas1.the sample bottle of liquefied natural gas;2.Theredactor;3.Flow meter;4 and 5.Flow controller;6.latex pipe;7.brown tube for gas absorption.

自制樣品前處理裝置見圖1。按圖1連接設(shè)備2～7，并檢查氣密性。移取10 mL的10 mmol/L L-半胱氨酸-乙酸銨溶液于7棕色氣泡吸收管中，接上1液化天然氣鋼瓶，通過減壓閥2減壓，3流量計控制在流量5 mL/min，先打開控制閥4，待流量穩(wěn)定后切換至控制閥5，然后進入7棕色氣泡吸收管吸收，時間為10 min。

1.3 HPLC-ICP-MS條件

1.3.1HPLC條件Agilent Zorbax Plus C18色譜柱(150×4.6 mm,5 μm)和保護柱(12.5×4.6 mm,5 μm)；流動相：A為10 mmol/L L-半胱氨酸和乙酸銨溶液(pH=7.5)；B為甲醇；流速:1.00 mL/min；進樣量:50 μL；梯度洗脫程序：0.00～3.00 min，92%A；3.00～3.10 min，92%～55%A；3.10～5.00 min，55%A；5.00～5.10 min，55%～92%A，5.10～10.00 min，92%A。

1.3.2ICP-MS條件射頻功率：1 600 W；采樣深度：8.0 mm；載氣流速：0.54 L/min；補償氣流速：0.10 L/min；霧化室溫度：-5 ℃；Ni采樣錐和截取錐；1.0 mm石英矩管。

1.4 結(jié)果計算

試樣中汞形態(tài)分析結(jié)果按照下式計算：

(1)

式中：ci為液化天然氣中汞形態(tài)含量，ng/mL；c為液化天然氣吸收液中汞形態(tài)濃度，ng/mL；c0為空白吸收液中汞形態(tài)濃度，ng/mL；V為吸收液的體積，mL；Vi為液化天然氣通過吸收液的體積，mL；計算結(jié)果保留二位有效數(shù)字。

2 結(jié)果與討論

2.1 HPLC條件的優(yōu)化

2.1.1色譜柱的選擇分別比較了Thermo scientific C18、DIKMA C18、Agilent Zorbax Plus C18、Eclipse XDB C18以及SB-C18等多種色譜柱對汞形態(tài)的分離性能。實驗結(jié)果表明,幾種色譜柱雖都可對汞形態(tài)進行分離，但Plus C18柱對二價汞與甲基汞的分離效果最為理想，并且分析時間也相對較短，因此，本實驗選擇Plus C18柱(150×4.6 mm,5 mm)對四種汞形態(tài)進行分離分析。

2.1.2絡(luò)合劑的選擇在反相液相色譜中，常選用適當?shù)慕j(luò)合劑與各種汞形態(tài)結(jié)合，形成非極性化合物后在色譜柱上進行分離[2，9]。常用的絡(luò)合劑多為含硫化合物，本實驗考察了吡咯烷二硫代氨基甲酸、2-巰基乙醇和L-半胱氨酸三種絡(luò)合劑。實驗表明：吡咯烷二硫代氨基甲酸與色譜柱絡(luò)合強度大，洗脫時間長，不利于汞形態(tài)的分析；2-巰基乙醇的親水性較強，與汞形成的絡(luò)合物在色譜柱上保留較弱，而且不穩(wěn)定；只有L-半胱氨酸是分離汞形態(tài)的理想選擇，因此，本實驗選擇L-半胱氨酸作為汞形態(tài)分析的絡(luò)合配體。隨著L-半胱氨酸濃度增加，四種汞形態(tài)的分離度、峰形和基線均有明顯的改善；但L-半胱氨酸的加入量過高時，對色譜柱的損害較大，壽命會變短，同時容易在ICP-MS錐口沉積，影響實驗結(jié)果。綜合考慮，選擇10 mmol/L的L-半胱氨酸作為流動相。

圖2 標準溶液(a)和樣品溶液(b)的色譜圖Fig.2 The chromatogram of standard solution(a) and sample solution(b)

2.1.3溶液pH值的選擇考察了流動相的pH值對各種汞形態(tài)分離效果的影響。實驗結(jié)果表明，pH值在4.0～10.0范圍內(nèi)，隨著pH值增加，四種汞形態(tài)的保留時間延長，峰高有所降低。綜合考慮本實驗選擇流動相的pH值為7.5。實驗結(jié)果表明，隨著乙酸銨濃度的增加，各種汞形態(tài)峰形更加穩(wěn)定，拖尾現(xiàn)象得到改善。當乙酸銨濃度達到10 mmol/L以上時，增加其濃度對色譜峰影響不再明顯，因此選擇10 mmol/L乙酸銨作為緩沖溶液。

1.3.1優(yōu)化色譜條件下，不同汞形態(tài)的色譜圖見圖2。

2.2 ICP-MS條件的優(yōu)化

實驗測定PhHgCl，需要增大甲醇比例，易導(dǎo)致ICP-MS熄火。為了解決ICP-MS熄火問題，往往采用價格昂貴的Pt采樣錐和截取錐，并且需要在載氣中加入一定量的氧氣[10]。本實驗采用1.0 mm石英矩管直接進樣，避免了價格昂貴的Pt采樣錐和截取錐，以及氧氣的引入，并且得到了很好的實驗結(jié)果。補償氣流會影響組分的分離度和檢測靈敏度，因此優(yōu)化了補償氣流速。當補償氣流速從0.00 L/min逐漸增加到0.10 L/min時，汞形態(tài)可以實現(xiàn)很好地分離，并且靈敏度亦增加至最強。再次增加補償氣流速后，汞形態(tài)的信號強度逐漸降低。因此，選擇補償氣流速0.10 L/min為最佳條件。另外，考察了采樣深度和霧化室溫度，選擇了采樣深度8.0 mm和霧化室溫度-5 ℃的最佳實驗條件。

2.3 標準曲線和檢出限

分別移取0.00，1.00，2.00，3.00，4.00，5.00 mL的混合標準溶液于100 mL容量瓶中，以10 mmol/L L-半胱氨酸-乙酸銨+8%甲醇混合溶液定容，制備成0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 ng/mL系列混合標準溶液，以四種汞形態(tài)的響應(yīng)面積(Y)和濃度(X)進行線性回歸得到標準曲線，結(jié)果表明在此線性范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。以3倍信噪比(S/N≥3)計算方法的檢出限,四種汞形態(tài)的檢出限在0.013～0.049之間。保留時間、線性方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)、檢出限等見表1。

表1 線性參數(shù)和檢出限

2.4 方法的加標回收率和精密度

選取液化天然氣樣品三份，按照實驗方法進行處理，處理后在棕色氣泡吸收管中加入加標溶液，在上述優(yōu)化的條件下將上述收溶液通過0.45 μm微孔纖維素濾膜過濾后，HPLC-ICP-MS法測定。實驗結(jié)果如表2所示，加標回收率在79.0%～96.0%之間，相對標準偏差(RSD)在2.2%～4.2%之間，結(jié)果表明建立的方法具有較好的準確度和精密度。

表2 方法的精密度和加標回收率

2.5 樣品分析

取某一進口液化天然氣樣品，根據(jù)本文前處理方法，所得吸收液通過0.45 μm微孔纖維素濾膜過濾后，在上述優(yōu)化的條件下HPLC-ICP-MS法測定。實驗結(jié)果顯示，該液化天然氣中含0.022 ng/mL的無機汞，0.35 ng/mL的甲基汞，未發(fā)現(xiàn)乙基汞，也未發(fā)現(xiàn)苯基汞(流動相梯度洗脫導(dǎo)致的基線漂移)。

3 結(jié)論

本文采用自制的溶液吸收前處理裝置，保持待測樣品中汞形態(tài)不變，裝置簡單、快速、易于操作，結(jié)合高選擇性高靈敏度的HPLC和ICP-MS聯(lián)用技術(shù)，建立液化天然氣中汞形態(tài)快速分離檢測的方法。本方法采用的樣品前處理操作簡單，溶劑用量少，適用于不同形態(tài)汞的快速提取、分離與測定。同時可為其它氣體樣品中汞形態(tài)測定提供技術(shù)支持。