温度/溶剂双梯度高效液相色谱法测定环境空气中的羰基化合物

王斐+王婷+范智超+吴卫东+马文鹏+白昭

摘 要：该文建立了环境空气中13种碳数在1～8范围内的羰基化合物（6种脂肪醛、2种芳香醛、3种不饱和醛和2种酮）的温度/溶剂双梯度2，4-二硝基苯肼衍生/高效液相色谱分析方法。通过选择合适的色谱柱，优化柱温，用水和乙腈两元溶剂梯度基线分离了13种羰基化合物的衍生物。利用温度梯度解决了13种羰基化合物中C3组分（丙烯醛、丙酮和丙醛）和C4组分（丁烯醛、甲基丙烯醛、丁酮和正丁醛）难以分离的问题。优化的方法在各自的浓度范围内线性相关系数良好（r≥0.999 9）；对于50.0L的空气样品检出限在0.04～0.19μg/m3（以羰基化合物计）；该方法的相对标准偏差小于3.6%；加标回收率在95%～106%，适用于环境空气中羰基化合物的测定。

关键词：羰基化合物；环境空气；2，4-二硝基苯肼；温度/溶剂双梯度；液相色谱

中图分类号 X131.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）17-23-03

Determination of Carbonyl Compounds in Ambient Air by Temperature/Solvent Double-Gradient High Performance Liquid Chromatography

Wang Fei et al.

（Shaanxi Environmental Monitoring Center，Xi′an 710054，China）

Abstract：A sensitive method based on derivatization with 2，4-dinitrophenylhydrazine（DNPH）followed by temperature/organic solvent double-gradient high performance liquid chromatography analysis of 13 carbonyl compounds（6 aliphatic，2 aromatic and 3 unsaturated aldehydes and 2 ketones）in ambient air was developed.Chromatographic conditions including chromatographic column，column temperature，and detection wavelength were investigated so that the separation was carried out on gradient elution using two solvents（water and acetonitrile）. The problem that the C3 series（acrolein-DNPH，acetone-DNPH and propionaldehyde-DNPH）and C3 series（crotonaldehyde-DNPH，methacrolein-DNPH，2-butanone-DNPH and butyraldehyde-DNPH）in 13 carbonyl compounds were difficlut to separate were solved using temperature gradient.The optimized method has been validated when rectilinear relationship was obtained between the concentrations of analytes and peak area，and the correlation coefficients were ≥0.999 9. The limits of detection for air samples of 50.0 L varied between 0.04～0.19μg/m3 expressed as carbonyl.The method relative standard deviations（%RSD）of all applied carbonyls were lower than 3.6%，and spiked recoveries were in the range of 95%～106%. The method was applied to monitor the concentration of carbonyl compounds in ambient air.

Key words：Carbonyl compounds；Ambient air；2，4-dinitrophenylhydrazine；Temperature/solvent double-gradient；Liquid chromatography

羰基化合物是一类危害环境和人体健康的有机化合物，具有潜在致癌性，其中甲醛具有致癌性[1]，在环境空气[2]和大气颗粒物[3]中都检出了该化合物。目前，可以用配备氢火焰离子化检测器[4]或质谱检测器[5]的气相色谱或配备二极管阵列检测器[6]检测羰基化合物。

羰基化合物和2，4-二硝基苯肼反应后生成的腙类衍生物经富集后，可以用反相色谱分析。在美国环保局制定的环境空气中羰基化合物的分析方法中，用水/乙腈二元梯度不能基线分离13种羰基化合物中C3组分中的丙烯醛和丙酮[7]。Prieto-Blanco等[8]也发现丙烯醛和丙酮难以分离。另外，Possanzini小组发现，对于C4组分中的甲基丙烯醛、丁酮也难以分离[9]。为了改善分离效果，实现准确的定性和定量，Prieto-Blanco等[10]引入第3种溶剂四氢呋喃来改善含有3个碳原子的羰基化合物（丙烯醛、丙酮和丙醛）的分离效果，也改善了含有4个碳原子的羰基化合物（丁烯醛、甲基丙烯醛、丁酮和正丁醛）的分离效果。张洪飞[11]等在水和乙腈二元梯度的基础上引入和四氢呋喃和异丙醇这2种溶剂改善丙烯醛、丙酮和丙醛的分离效果。

在反相色谱中，柱温可以影响溶质保留时间的变化，从而用来改善分离效果[12]。本文建立了温度梯度结合溶剂梯度的2，4-二硝基苯肼衍生/高效液相色谱法分析方法，优化了包括色谱柱、柱温这些色谱条件，利用温度梯度解决了13种羰基化合物中C3组分（丙烯醛、丙酮和丙醛）和C4组分（丁烯醛、甲基丙烯醛、丁酮和正丁醛）难以分离的问题，使13种衍生物可以在35min完成良好的分离。并且对方法的线性范围、精密度和准确度进行了考察。该方法用于环境空气实际样品中羰基化合物的测定。

1 材料与方法

1.1 试剂和材料 2，4-二硝基苯肼（DNPH）衍生化的羰基化合物标准溶液，购自AccuStandard公司（New Haven，CT，USA），包括：甲醛-DNPH（简称C1）、乙醛-DNPH（简称C2）、丙烯醛-DNPH（简称C3a）、丙酮-DNPH（C3b）、丙醛-DNPH（简称C3c）、丁烯醛-DNPH（简称C4a）、甲基丙烯醛-DNPH（简称C4b）、丁酮-DNPH（C4c）、正丁醛-DNPH（简称C4d）、苯甲醛-DNPH（简称C5）、戊醛-DNPH（简称C6）、间甲基苯甲醛-DNPH（简称C7）和己醛-DNPH（简称C8）。臭氧去除柱（WAKO公司，Presep（R）-C），DNPH采样管（WAKO公司，Presep（R）-C DNPH（short））。色谱纯乙腈（Fisher Scientific，Geel，Belgium），去离子水用Millipore Milli-Q system（Bedford，MA，USA）制备。

1.2 仪器及色谱条件 岛津LC-20A型高效液相色谱仪。色谱柱：Akzonobel Kromasil 100-5C18（250mm×4.6mm，5μm）。流动相：水/乙腈。梯度洗脱：流动相的初始浓度是60%乙腈，保持20min，20～30min内乙腈从60%线性增至100%，100%保持到40min。检测波长：360nm。流动相流速：1.00mL/min。进样量：20μL。柱温：50℃到30℃非线性温度梯度。

1.3 样品的采集 在臭氧去除柱后接DNPH采样管，再连接空气采样器，采样速度为1.0L/min，采样体积为50.0L。采样结束后，采样管两端密封，并用铝箔将采样管包严，低温（<4℃）保存与运输。

1.4 样品的前处理 加入10mL乙腈洗脱DNPH采样管，让乙腈自然流过采样管，流向应与采样时气流方向相反。将洗脱液收集于10mL容量瓶中用乙腈定容，待测。

2 结果与分析

2.1 优化色谱分离

2.1.1 选择适合的色谱柱 首先比较了13种羰基化合物（6种脂肪醛，2种芳香醛，3种不饱和醛和2种酮）衍生物在4种反相色谱柱Agilent ZORBAX SB-C18（150mm×4.6mm，5μm）、Shimadzu VP-ODS（150mm×4.6mm，5μm）和Phenomenex Gemini C18（250mm×4.6mm，5μm）和Akzonobel Kromasil 100-5C18（250mm×4.6mm，5μm）上的分离情况，结果如图1所示。4种色谱柱都能有效分离C1到C8的8组组分，其原因是羰基化合物的保留主要由碳原子数决定，碳原子数越大保留时间越长；但是在分离具有相同碳原子数的组分时，羰基化合物的保留还与官能团的种类有关，在分离C3组分（丙烯醛、丙酮和丙醛）和C4组分（丁烯醛、甲基丙烯醛、丁酮和正丁醛）时，4种色谱柱的分离效果存在差异。Agilent ZORBAX SB-C18（150mm×4.6mm，5μm）、Shimadzu VP-ODS（150mm×4.6mm，5μm）和Phenomenex Gemini C18（250mm×4.6mm，5μm）3种色谱柱都不能基线分离C3组分中的丙烯醛和丙酮，也不能基线分离C4组分中的甲基丙烯醛、丁酮和正丁醛。而Akzonobel Kromasil 100-5C18虽然不能基线C3组分，但是能基线分离C4组分。

[t（min）]

图1 不同色谱柱分离13种羰基化合物的效果

注：柱温：30℃；其它色谱条件和色谱峰名称列在1.2节。

2.1.2 优化色谱柱柱温 给二元流动相中添加第3种溶剂，可以改变分离的选择性和分离度，而通过改变色谱柱的温度也可以改善分离的选择性和分离度[8]。Kromasil色谱柱的最高使用温度为60℃，因此考察了柱温为20℃、30℃、40℃和50℃时的C3组分和C4组分的分离效果，结果如图2所示。由图2可以看出，温度越高，C3组分在50℃时分离效果最好；C4组分在30℃时分离效果最好。

[t（min）]

图2 不同柱温条件下分离13种羰基化合物的效果

注：色谱柱：Akzonobel Kromasil 100-5C18（250mm×4.6mm，5μm）；其它色谱条件和色谱峰名称列在1.2节。

为了使C3组分和C4组分都可以达到较好分离，尝试使用温度梯度的方法。在分离前色谱柱在50℃下平衡，一旦开始色谱分析，设置色谱柱柱温箱的温度为30℃，产生了如图3所示的非线性温度梯度。由图3可知，C3组分在高温时达到了较好的分离，C4组分在低温时达到了较好的分离，13种羰基化合物达到了较好分离。

[t（min）][T（℃）]

图3 温度/溶剂双梯度分离13种羰基化合物色谱

注：色谱柱：Akzonobel Kromasil 100-5C18（250mm×4.6mm，5μm）；其它色谱条件和色谱峰名称列在1.2节。

2.2 方法性能 用乙腈将标准溶液配制成浓度范围为0.01～1.00μg/mL的标准溶液，采用优化后色谱条件进行分析。方法检出限为加入低浓度的羰基化合物衍生物，采集50.0L空气后进行前处理和分析，按照3倍信噪比计算得到。所有13种羰基化合物在0.01～1.00μg/mL范围内线性关系良好，相关系数大于0.999 5，方法的检出限为0.04～0.19μg/m3。分别在空白采样采样管中加入低、中、高含量（0.60μg、3.00μg和6.00μg）的羰基化合物，按照实验方法测定，各重复7次。结果是在低中高加标水平下，13种羰基化合物的加标回收率分别为95%～108%、96%～106%、95%～104%，相对标准偏差为2.1%～3.6%、1.9%～2.7%、1.8%～2.9%。

2.3 实际样品分析 用本文方法采集并分析了某小区运动场的环境空气样品，检出该小区运动场环境空气中含有微量的甲醛，浓度为0.91μg/m3。

3 结论

用2，4-二硝基苯肼衍生/高效液相色谱法测定环境空气中的羰基类化合物，同时使用温度梯度和二元溶剂梯度在Kromasil色谱柱上可以基线分离13种羰基化合物的衍生物，利用温度梯度解决了13种羰基化合物中C3组分（丙烯醛、丙酮和丙醛）和C4组分（丁烯醛、甲基丙烯醛、丁酮和正丁醛）难以分离的问题，实现了准确定性和定量。该方法检出限低，精密度和准确度高，适合环境空气中羰基类化合物的测定。

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（责编：张宏民）