侯曉玲,陳 勇,趙陳晨,王 萍,劉 潔,黃曉麗

四川省成都生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站,四川 成都 610066

醛酮類化合物是一類具有較強(qiáng)刺激性氣味的氣體,大多存在致癌、致畸、致突變風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。 例如,甲醛對人眼、鼻等有刺激作用,會導(dǎo)致阻塞性肺通氣功能障礙[4]。 世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)2017 年10 月27 日公布的致癌物清單中,甲醛被列為一類致癌物。 乙醛能通過呼吸道和消化道進(jìn)入人體,刺激皮膚、眼睛和上呼吸道黏膜,表現(xiàn)為眼球結(jié)膜充血、咽部充血和呼吸系統(tǒng)損害[5]。 早在20 世紀(jì)80 年代,乙醛就被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)列為二類致癌物。 醛酮類化合物同時(shí)也是揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的重要組成部分,在大氣污染中扮演著重要角色,是光化學(xué)煙霧的主要成分,對臭氧層破壞的貢獻(xiàn)較大[1]。 大氣中的醛酮類化合物為水溶性物質(zhì),可隨降雨沉積在地表或海洋,從而對大氣、水體、土壤等造成污染,破壞生態(tài)環(huán)境。 因此,準(zhǔn)確測定大氣中醛酮類化合物的含量,對其污染防治有重要意義。 2018 年,生態(tài)環(huán)境部發(fā)布針對重點(diǎn)地區(qū)VOCs 的監(jiān)測方案[6],其中就包括了對13 種醛酮類化合物的測定。

大氣中醛酮類化合物的測定方法主要有分光光度法、氣相色譜法、液相色譜法、熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜法、液相色譜/質(zhì)譜法等[2,7-9]。 我國于2014 年頒布實(shí)施了《環(huán)境空氣 醛、酮類化合物的測定 高效液相色譜法》(HJ 683—2014)[10],將衍生液相色譜法作為進(jìn)行醛酮類化合物分析的首要方法。 在這些涉及衍生的方法中,或使用醛酮類衍生物的標(biāo)準(zhǔn)溶液配置一系列濃度點(diǎn),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線;或使用醛酮類液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行衍生反應(yīng),繪制相應(yīng)的工作曲線。 實(shí)際采集樣品時(shí),氣態(tài)醛酮類分子與采樣管中的2,4-二硝基苯肼(DNPH)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成相應(yīng)的衍生物,隨后通過氣相色譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀或液相色譜儀進(jìn)行定性定量分析。 目前的校準(zhǔn)曲線生成方式均未采用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),未考慮采樣條件、形態(tài)差異等,與實(shí)際樣品采集存在顯著差別,難以準(zhǔn)確評估醛酮類化合物的真實(shí)回收率與準(zhǔn)確度。 因此,用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)生成工作曲線的方式,對于該方法的完善具有重大意義。

本研究考察了以氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)繪制工作曲線的方式,采用超高效液相色譜法測定環(huán)境空氣中的13 種醛酮類化合物。 該工作曲線定量法的操作過程模擬了樣品采集及前處理方式,可以減少系統(tǒng)誤差,使定量結(jié)果更為準(zhǔn)確,從而更真實(shí)地反映大氣中醛酮類化合物的濃度水平。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

超高效液相色譜儀配備二極管陣列檢測器(DAD)(美國Agilent,HPLC1290),清罐儀(美國Entech,3100),靜態(tài)稀釋儀(美國Entech,4700),大氣采樣器(青島眾瑞,ZR-3500),自制采樣器,C18反相色譜柱(美國Agilent,4.6 mm×150 mm×1.8 μm),5 L Tedlar 氣體采樣袋(大連德霖),6 L內(nèi)壁經(jīng)惰性化處理的不銹鋼采樣罐(美國Entech),5 mL 容量瓶(A 級),2 mL 醫(yī)用無菌注射器,0.2 μm 有機(jī)濾膜(針頭過濾器),DNPH 采樣管(天津博納艾杰爾,1 000 mg/6 mL)。

13 種 醛 酮-DNPH 標(biāo) 準(zhǔn) 溶 液 ( 美 國AccuStandard,批號218061262,有效期2020-07-20),15 種醛酮類標(biāo)準(zhǔn)溶液(美國AccuStandard,1 000 μg/mL,批號218011208,有效期2020-02-23),13 種醛酮類標(biāo)準(zhǔn)氣體(中國測試技術(shù)研究院,5 μmol/mol,批號1812120014,有效期2020-12-20),乙腈(美國Honeywell,色譜純),超純水。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)氣體配制

將標(biāo)準(zhǔn)氣體鋼瓶及高純氮?dú)怃撈颗c氣體稀釋裝置連接,設(shè)定初始濃度和出口位置濃度,出口端連接抽真空的6 L 采樣罐,配氣壓力設(shè)定為35 psi(1 psi=6.895 kPa)。 將預(yù)先用氮?dú)馇逑春貌⑴趴盏? L Tedlar 氣袋接在采樣罐出口端,通過壓力差將氣體轉(zhuǎn)移到采樣袋,充好后同時(shí)關(guān)閉氣袋和采樣罐閥門。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)氣體采集

將充滿標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣袋出口通過轉(zhuǎn)接頭連接至DNPH 采樣管的一端,采樣管的另一端連接至采樣器管路,進(jìn)行樣品采集。 采集完畢后,密封采樣管兩端,4 ℃避光保存,待洗脫。

1.4 樣品前處理

參照HJ 683—2014[10],從采樣管大口徑端加入乙腈洗脫采樣管,使乙腈自然流過采樣管。 將洗脫液收集至5 mL 容量瓶,用乙腈定容。 用注射器吸取洗脫液,經(jīng)針頭過濾器過濾,轉(zhuǎn)移至2 mL棕色樣品瓶待測。

1.5 分析條件

柱溫40 ℃,流量0.3 mL/min,流動(dòng)相為乙腈和水。 采用二元梯度淋洗:0 ～20 min,60%乙腈;20 ～30 min,乙腈從60%線性增至100%;30 ～32 min,乙腈線性減至60%,保持8 min。 進(jìn)樣體積為5 μL,DAD 檢測波長為360 nm,用保留時(shí)間定性,用峰面積定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 采樣條件的選擇

2.1.1 采樣柱的選擇

選用美國Waters、上海安譜(CNW)、天津博納艾杰爾(Aelga)3 家公司的商品化DNPH 采樣管分析目標(biāo)化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液的衍生化效率。 配制0.2 μg/mL 醛酮類化合物標(biāo)準(zhǔn)溶液,均勻加入DNPH 采樣管后,用乙腈洗脫至5 mL 容量瓶并定容,過濾后上機(jī)測定。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,美國Waters采樣管無溶液緩存空間,洗脫操作不便;上海安譜采樣管的衍生化效率為天津博納艾杰爾采樣管衍生化效率的一半。 因此,本研究后續(xù)優(yōu)化過程均選用天津博納艾杰爾采樣管(Aelga-DNPH)。

2.1.2 液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)衍生化效率比較

液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)衍生化效率考察:取15 種醛酮類標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)100 μL,用乙腈試劑定容至1 mL,得到濃度為100 μg/mL 的液標(biāo)中間使用液。 取25 μL 中間使用液,用乙腈定容至1 mL,用滴管將該溶液完全轉(zhuǎn)移至Aelga-DNPH采樣管,密封并避光保存,常溫下分別靜置20、60、90 min,然后用乙腈溶液將其洗脫并定容至5 mL 容量瓶,過濾后上機(jī)測定。

氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)衍生化效率考察:將5 μmol/mol的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過靜態(tài)氣體稀釋儀制得6 L 250 nmol/mol 稀釋氣體,儲存于蘇瑪罐中。 通過壓力差將蘇瑪罐中的氣體轉(zhuǎn)移到5 L Tedlar 氣袋。 實(shí)驗(yàn)中,將氣袋出口連接至Aelga-DNPH 采樣管的一端,采樣管的另一端與采樣器管路相連。 同時(shí)打開氣袋閥門和采樣器啟動(dòng)開關(guān),以200 mL/min 的流量采集樣品,溫度為25 ℃,采樣體積為5 L。 采樣完畢后,密封、避光保存,并于常溫下分別靜置20、60、90 min,然后用乙腈洗脫并定容,過濾后上機(jī)檢測。

選擇液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重合的11 種醛酮類化合物為實(shí)驗(yàn)對象,圖1 為兩種不同介質(zhì)中11 種目標(biāo)物與Aelga-DNPH 采樣管的衍生化效率。 結(jié)果表明,氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的衍生化效率普遍高于液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì);液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各化合物的衍生化反應(yīng)效率差異較大,甲醛的衍生化效率可以達(dá)到80%～90%,而丙酮幾乎不反應(yīng),其反應(yīng)效率低于10%。

圖1 衍生化效率比較Fig.1 Comparison of derivatization efficiency

2.1.3 Aelga-DNPH 采樣管采集方向

HJ 683—2014[10]提到,用乙腈洗脫采樣管時(shí),乙腈流向應(yīng)與采樣時(shí)的氣流方向相反。 鑒于Aelga-DNPH 采樣管兩端孔徑差別較大,采氣時(shí)會影響氣體與衍生物的有效接觸面積,因此,本研究考察了從兩端分別進(jìn)行氣體采集。 其中,將氣體從小口徑端進(jìn)入采樣管稱為反向采集,從大口徑端進(jìn)入采樣管稱為正向采集。 采樣完畢后,均從大口徑端滴入乙腈洗脫采樣管,定容、過濾并上機(jī)測定,比較兩種采樣方式的反應(yīng)效率。 結(jié)果顯示,反向采集時(shí),丁烯醛未檢出,丙酮、甲基丙烯醛、苯甲醛的反應(yīng)效率低于10%,其他化合物無顯著差異;正向采集時(shí),13 種醛酮類化合物的反應(yīng)效率均有所提高。 經(jīng)比較,從大口徑端進(jìn)行氣體采集時(shí),醛酮類化合物的衍生化效率更高,因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用正向采集方式。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

在對環(huán)境空氣中的醛酮類化合物氣體進(jìn)行采集時(shí),采樣器流量、采樣溫度、采樣氣與管中DNPH 的反應(yīng)時(shí)間、目標(biāo)化合物的化學(xué)性質(zhì)等都會影響目標(biāo)化合物與DNPH 采樣管的衍生化效率,進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。 本研究使用250 nmol/mol 的13 種醛酮類化合物標(biāo)準(zhǔn)氣體考察實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化。

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間的影響

在同一濃度、相同采樣流量下,對反應(yīng)時(shí)間(2、40、60、90、120、150、180 min)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),考察不同反應(yīng)時(shí)間對醛酮類化合物衍生化效率的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不是所有醛酮類化合物與衍生物的反應(yīng)都是瞬間完成的。 對于甲醛、乙醛等化合物,其反應(yīng)效率較高,室溫下的放置時(shí)間對這類化合物的衍生化效率幾乎沒有影響;而對于苯甲醛、間甲基苯甲醛等化合物,隨著靜置時(shí)間的延長,其回收率越來越高。 反應(yīng)時(shí)間對目標(biāo)化合物反應(yīng)效率的影響見圖 2。 在將采樣管靜置120 min 以后,大部分化合物的反應(yīng)效率趨于穩(wěn)定。 經(jīng)綜合考慮,選擇將采樣管在室溫下避光放置150 min 作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化條件。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對目標(biāo)化合物反應(yīng)效率的影響Fig.2 Effects of reaction time on reaction efficiency of target compounds

2.2.2 采樣流量的影響

在同一濃度下,對采樣流量(200、300、500、800、1 000 mL/min)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),考察采樣流量對醛酮類化合物與DNPH 采樣管衍生化效率的影響(圖3)。 結(jié)果表明,13 種醛酮類化合物的反應(yīng)效率隨著采樣流量的增大而增大。 除苯甲醛和間甲基苯甲醛兩種化合物之外,其余化合物在采樣流量為500 mL/min 時(shí)的反應(yīng)效率達(dá)到最大值,并且如繼續(xù)增大流量,反應(yīng)效率有所降低。 苯甲醛和間甲基苯甲醛的反應(yīng)效率隨著采樣流量的增加逐漸變大。 由于這兩種物質(zhì)在聚四氟乙烯氣袋上的吸附性較強(qiáng),采樣流量越大,采樣時(shí)間越短,則目標(biāo)分子接觸氣袋內(nèi)表面的概率越小,吸附的影響也就越小。 經(jīng)綜合考慮,選擇500 mL/min 作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)采樣流量的優(yōu)化條件。

2.2.3 采樣溫度的影響

模擬實(shí)際環(huán)境溫度條件,在0 ～40 ℃范圍內(nèi)考察采樣溫度對化合物反應(yīng)效率的影響(圖4)。結(jié)果表明,在0 ～25 ℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,化合物的衍生化效率逐漸提高;當(dāng)溫度繼續(xù)升高到40 ℃時(shí),大部分化合物的衍生化效率反而降低。 由此可見,不同環(huán)境溫度條件下,由氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(同等濃度范圍內(nèi))繪制的工作曲線的斜率差異較大,而液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。 因此,在冬季或夏季(特別是冬季),采用傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線定量方式時(shí),實(shí)際樣品的準(zhǔn)確度差異較大。 經(jīng)綜合考慮,選擇25 ℃作為繪制工作曲線的環(huán)境溫度。

2.2.4 采樣管和洗脫液的保存

環(huán)境溫度、采樣流量、化學(xué)反應(yīng)時(shí)間、目標(biāo)化合物的化學(xué)性質(zhì)等都會影響目標(biāo)化合物與DNPH采樣管的衍生化效率,并不是所有目標(biāo)化合物的衍生化效率都能達(dá)到100%的理想化狀態(tài)。 在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下,采集一批次濃度為100 nmol/mol的氣體樣品(5 L),密封并4 ℃避光保存,放置不同時(shí)間后進(jìn)行前處理并上機(jī)測定。 將第1 天測定后的洗脫液重新密封并4 ℃避光保存,分別于第5、10、15、20、30 天上機(jī)測定。

圖3 采樣流量對目標(biāo)化合物反應(yīng)效率的影響Fig.3 Effects of sample flow rate on reaction efficiency of target compounds

圖4 環(huán)境溫度對目標(biāo)化合物反應(yīng)效率的影響Fig.4 Effects of temperature on reaction efficiency of target compounds

圖5 顯示,除甲醛和丙烯醛外,其余化合物的采樣管在4 ℃條件下保存30 d 和保存1 d 的測試結(jié)果無明顯差異。 30 d 內(nèi),洗脫液中13 種目標(biāo)化合物的測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在9%以下。 因此,若待測目標(biāo)化合物中含有甲醛和丙烯醛,建議在完成樣品采集后,立即送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品前處理并上機(jī)測定。 若無法立即分析,則將處理后的洗脫液4 ℃密封避光保存,30 d 內(nèi)完成測定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 工作曲線的繪制

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下,配制25、50、100、250、500 nmol/mol 的標(biāo)準(zhǔn)氣體樣品,并采集5 L 標(biāo)準(zhǔn)氣體于采樣管中,得到相應(yīng)的線性方程及相關(guān)系數(shù)(r)。 結(jié)果顯示,r 可達(dá)0.995 以上,滿足方法定量要求。 同時(shí),以醛酮-DNPH 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制一系列對應(yīng)濃度,得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程及r(表1)。 采用液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)曲線法時(shí),所有目標(biāo)化合物標(biāo)準(zhǔn)曲線的r 都可達(dá)到0.999 9,線性關(guān)系很好。 但除甲醛對應(yīng)的兩種曲線的斜率相近之外,其余化合物標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程的斜率都比工作曲線大。 其原因在于甲醛的實(shí)際回收率可達(dá)100%,而其他化合物的回收率則差距顯著。 因此,除甲醛外,其他化合物采用液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線會直接影響實(shí)際樣品分析的準(zhǔn)確性。

圖5 樣品管保存時(shí)間對目標(biāo)化合物反應(yīng)效率的影響Fig.5 Effects of sample tube storage time on reaction efficiency of target compounds

表1 工作曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)果Table 1 The results of working curve and standard curve

表1 中,除甲醛外,其他化合物的回收率在50%～80%。 該回收率為固定最佳實(shí)驗(yàn)條件下多個(gè)濃度點(diǎn)的平均值,具有較好的代表性。 一般而言,分子較小的醛酮類化合物的回收率較高,是因?yàn)槠漪驶着c衍生物質(zhì)接觸并發(fā)生反應(yīng)。 若分子中的羰基是與雙鍵碳原子相連,如丙烯醛、丁烯醛、苯甲醛等,則其回收率偏低。 丙烯醛、丁烯醛等與DNPH 生成的醛腙化合物含有雙鍵不飽和鍵,會繼續(xù)與采樣管中過量的DNPH 發(fā)生加成反應(yīng),從而導(dǎo)致回收率偏低。 苯甲醛和間甲基苯甲醛的羰基碳上含有給電基團(tuán)(芳基),降低了羰基的親電能力,使之與DNPH 的反應(yīng)活性下降。 同時(shí),給電基團(tuán)(芳基)體積較大,會降低醛酮類化合物與DNPH 的反應(yīng)效率。 綜上,將氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)繪制工作曲線法應(yīng)用于環(huán)境空氣中醛酮類化合物的測定,其分析結(jié)果更接近真實(shí)值。

3.2 采樣管的穿透容量控制

配制一系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體樣品,以最優(yōu)采樣條件(采集體積為5 L)考察DNPH 采樣管的穿透容量。 按照濃度從低到高的順序進(jìn)行分析,每分析完一個(gè)樣品,均將結(jié)果代入擬合工作曲線。當(dāng)某種化合物的濃度增加至某一數(shù)值時(shí),若該化合物的線性相關(guān)系數(shù)低于0.995,且響應(yīng)值表現(xiàn)為偏低,即認(rèn)為該化合物在此濃度已經(jīng)穿透,前一個(gè)濃度點(diǎn)為該化合物的容量水平。 為了表達(dá)方便,用氣體摩爾濃度表示采樣管容量水平。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,苯甲醛、間甲基苯甲醛在采樣管中的容量水平為500 nmol/mol,丙烯醛、丙酮、丁烯醛、甲基丙烯醛和2-丁酮為1 000 nmol/mol,戊醛和己醛為1 250nmol/mol,而甲醛、乙醛、丙醛、正丁醛4 種正構(gòu)醛類可達(dá)1 500 nmol/mol 以上。 本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)氣體考察醛酮類化合物在采樣管中的穿透容量,可能與實(shí)際樣品仍然存在一定差別,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與化合物反應(yīng)效率考察結(jié)果基本吻合。 醛酮類化合物在采樣管中的穿透容量與化合物的化學(xué)反應(yīng)效率成正比。 甲醛等低分子量醛類化合物的活性高,化學(xué)反應(yīng)效率高,在采樣管中DNPH 衍生物過量的情況下,高濃度的甲醛依然能夠與衍生物迅速發(fā)生反應(yīng),因此,這幾種化合物的穿透容量水平更高。

4 結(jié)論

本研究采用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)考察了醛酮類氣體與DNPH 采樣管的反應(yīng)效率。 結(jié)果顯示,化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致醛酮類化合物的反應(yīng)效率存在差別,13 種醛酮類化合物的回收率為50%～102%。HJ 683—2014 是以標(biāo)準(zhǔn)衍生物溶液繪制校準(zhǔn)曲線,以空白管中加入標(biāo)準(zhǔn)衍生物溶液的方式進(jìn)行加標(biāo)回收考察,在質(zhì)量保證與控制措施方面并未對回收率提出要求,因此,采用該方法測定環(huán)境空氣中的醛酮類化合物時(shí),難以保證所有化合物測定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。 建議在標(biāo)準(zhǔn)方法中納入更為嚴(yán)格的質(zhì)量保證和控制措施,可用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對回收率進(jìn)行考察,或用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)繪制工作曲線。 本研究通過建立工作曲線的方式對環(huán)境空氣中的醛酮類化合物進(jìn)行了定量分析,是對傳統(tǒng)測定方法的進(jìn)一步深入研究,其定量結(jié)果更接近真實(shí)值,更適用于環(huán)境空氣中醛酮類化合物的分析。