新型离子迁移谱技术应用于水中丙酮、苯酚的检测

窦怀智 江 涛 张晓冬 童 捷 潘生林

(1.南通出入境检验检疫局，南通 226004；2.南京出入境检验检疫局，南京 210000)



仪器应用

新型离子迁移谱技术应用于水中丙酮、苯酚的检测

窦怀智1江 涛1张晓冬1童 捷2潘生林2

(1.南通出入境检验检疫局，南通 226004；2.南京出入境检验检疫局，南京 210000)

利用FAIMS(强场非对称波形离子迁移谱)芯片搭建的检测设备，成功实现了对水中微量丙酮和苯酚的检测。痕量气体发生器将含丙酮、苯酚的水样蒸发，由载气将蒸汽带入检测核心，得到相应的信号，并通过软件转化为对应的谱图；对比背景和含有机物水蒸气的谱图，可确定有机物在谱图上的位置。通过正负模式选择，交变电场强度和补偿电压大小的调节，可以分别检出水中的丙酮和苯酚。该设备对不同浓度样品检测结果显示检测信号值与浓度成高度正相关。

离子迁移谱 丙酮 苯酚

大江大河一般既是沿岸城市的水源地也是重要的运输通道，运送工业原料的化工品船行驶过程中如果发生泄漏或者违规排放洗舱水就会危害到沿岸民众的生命健康，影响他们的正常生活。因此，对相关水域的水质进行快速检测甚至实时监控的需求日益迫切。离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术[1]无需真空环境，可直接在常压下工作，具有功率要求低，检测速度快的优点[2]。使用了微加工技术的强场非对称波形离子迁移谱(Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry, FAIMS)技术[3-5]，在进一步解决了传统离子迁移谱技术分辨率低、体积大的问题的同时，大幅提高了检测速度[1]，为满足这种需求提供了较好的解决方案。本课题组长期跟踪FAIMS技术的发展，与产业合作方苏州微木智能系统有限公司致力于开发出能够满足日常检验监管工作的检测设备，本文专门讨论了设备用于检测近年来多次泄漏污染事件涉及的丙酮和苯酚的情况。图1是FAIMS检测核心的结构原理图，样品气化和电离的程度直接影响检测结果，与食品安全领域的应用[6,7]相比，FAMIS技术搭建的检测设备对水中丙酮和苯酚的检测具有更好的适用性。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

检测平台的工作流程如图2所示。整个检测流程以洁净空气作为载气(由空压机作为气源，结合滤芯进行过滤净化)，利用两台流量控制器(MFC)分别对两路气流进行控制(根据流量比的不同调节待测样品气体的浓度)，载气与样品气混合后带入检测器，进行测试数据采集，测试时的气压由气路中的压力调节阀控制。

1.2 样品制备

分别称取苯酚和丙酮各0.10 g，使用100 mL容量瓶定容，逐级稀释，分别配制浓度为5 mg/L、25 mg/L和50 mg/L的待测水溶液。将待测水溶液加入扩散管，管口覆盖2层PTFE滤膜及密封垫圈，使用封盖密封保存待测。

2 仪器工作参数

2.1 设备参数

将待测样品放入痕量气体发生器(VG炉)密封，设定加热温度50℃，调节压力阀使得压力数值达到1bar，总流量值2000 mL/min，气流稳定后，点击测试软件开启扫描, 输出结果。将加入纯水的金属扩散管放入VG炉中，设定MFC2流量值2000mL/min(MFC1仅在浓度过高时用于稀释流量)，测得的结果作为背景值。

2.2 鉴别检测

如图1结构原理所示，样品分子或载气电离生成的气相离子在FAIMS的交变电场和补偿电压作用下实现分离和检测，图3为交变电场下的三维图谱，水中丙酮采用正模式检测即正离子扫描，水中苯酚检测采用负模式即负离子扫描。图中横座标是补偿电压(CV)，单位是V，纵座标是场强，以最大场强的百分比计，颜色深浅区别离子浓度高低。对比背景和加入待测样品后的数据信号，确定待测物质的特征信号。水分子增多使得电离产生的离子增多，增加了待测物质离子的碰撞频次，离子团的质量和气体密度也相应增加，导致离子团的平均自由程减小，离子迁移率降低。离子迁移率的大小与离子净位移(CV，补偿电压)成正比，因此湿度增大，会导致离子团净位移减小，使得离子峰的CV值向CV=0的位置偏移，反之亦然。离子迁移率同时也受到电场方向和强度大小的影响，因此检测结果显示，正模式下丙酮峰位(CV值)随着样品浓度的增加会逐渐向负方向漂移(见表1)，而负模式下苯酚峰位没有出现漂移。

综合信号强度、背景干扰等因素选择某一场强对应的扫描信号转换成二维图，图4和图5分别为场强54%时正模式背景、水中丙酮、负模式背景和水中苯酚的二维谱图。图中横坐标为补偿电压(CV)，单位是V，纵轴是相对离子电流强度AU。三维强场图中，当有丙酮、苯酚存在时出现了背景以外的显著信号；在二维谱图上，丙酮、苯酚均有独立的信号峰，说明实验使用的检测设备可以对水中的丙酮和苯酚进行有效地检测。

2.3 不同浓度的检测

表1 不同流量比条件下丙酮和苯酚的FAIMS检测结果

*注：电流值为相对量，无单位，已扣除背景电流值

3 结论

利用强场非对称微芯片的离子迁移谱技术搭建了水质检测设备。实验数据显示，该检测设备不单能分离鉴别出水中丙酮和苯酚，还能进行较为准确的定量。该设备体积小，结构简单，无苛刻的环境要求，检测时间大大缩短，为开发水中有毒有机物的现场快速检测设备打下基础，也为监控化工品运输中的渗漏污染或洗舱水排放提供了新手段。本研究使用的检测手段相较样品萃取后采用气相色谱等的传统检测方法更快捷高效，能够切合实际工作需求，推广应用后将大大提升监管机构的检测和应急能力。

[1] Eiceman G A, Karpas Z, Ion mobility spectrometry. CRC Press: 1994.

[2] Borsdorf H, Mayer T, Zarejousheghani M, Eiceman G A, Appl Spectrosc Rev, 2011, 46 (6):472-521.

[3] Buryakov I A, Krylov E V, Nazarov E G, Rasulev U K. Int J Mass Spectrom Ion Processes, 1993, 128 (3):143-148.

[4] Shvartsburg A A, Tang K Q, Smith R D, Holden M, Rush M, Thompson A, Toutoungi D. Anal Chem, 2009, 81 (19):8048-8053.

[5]刘坤, 唐飞, 王晓浩, 魏学业, 熊继军. 物理化学学报, 2009, 25 (8):1662-1670.

[6] 窦怀智, 江涛, 张晓冬, 侯晋. 分析仪器， 2014, (1):88-92.

[7]窦怀智, 江涛, 张晓冬, 侯晋. 化学通报. 2014, 77(2):178-181.

Determination of acetone and phenol in water by FAIMS.

Dou Huaizhi1,Jiang Tao1,Zhang Xiaodong1,Tong Jie2,Pan Shenglin2

(1.NantonEntry-ExitIspectionandQuarantineBureau,Nantong226004,China; 2.NanjingEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Nanjing210000,China)

The equipment based on FAIMS(Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry) chip was used to detect acetone and phenol in water successfully. Acetone and phenol in water were vapored by a trace gas generator. The mixture was sent to the chip core, then the signal was achieved and transformed into the spectrograph. The organic gas was confirmed and detected by comparing spectrograph of background with spectrograph of organic gas. The acetone and phenol in water could be determined separately by regulating the force of alternating electric field and choosing the mode of compensation voltage in positive or negative. The test results showed that the concentration of organic gas had a relationship in direct proportion with the signal value.

ion mobility spectrometry; acetone;phenol

江苏出入境检验检疫局科研项目，计划编号:2015KJ07

窦怀智，男，1982年出生，硕士，从事化学分析工作，E-mail：redestspring@163.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.06.002

2016-05-01