环境空气中13 种醛酮类化合物与2,4-二硝基苯肼采样管反应效率研究

侯晓玲,陈 勇,赵陈晨,王 萍,刘 洁,黄晓丽

四川省成都生态环境监测中心站,四川 成都 610066

醛酮类化合物是一类具有较强刺激性气味的气体,大多存在致癌、致畸、致突变风险[1-3]。 例如,甲醛对人眼、鼻等有刺激作用,会导致阻塞性肺通气功能障碍[4]。 世界卫生组织国际癌症研究机构2017 年10 月27 日公布的致癌物清单中,甲醛被列为一类致癌物。 乙醛能通过呼吸道和消化道进入人体,刺激皮肤、眼睛和上呼吸道黏膜,表现为眼球结膜充血、咽部充血和呼吸系统损害[5]。 早在20 世纪80 年代,乙醛就被国际癌症研究机构列为二类致癌物。 醛酮类化合物同时也是挥发性有机物(VOCs)的重要组成部分,在大气污染中扮演着重要角色,是光化学烟雾的主要成分,对臭氧层破坏的贡献较大[1]。 大气中的醛酮类化合物为水溶性物质,可随降雨沉积在地表或海洋,从而对大气、水体、土壤等造成污染,破坏生态环境。 因此,准确测定大气中醛酮类化合物的含量,对其污染防治有重要意义。 2018 年,生态环境部发布针对重点地区VOCs 的监测方案[6],其中就包括了对13 种醛酮类化合物的测定。

大气中醛酮类化合物的测定方法主要有分光光度法、气相色谱法、液相色谱法、热脱附-气相色谱/质谱法、液相色谱/质谱法等[2,7-9]。 我国于2014 年颁布实施了《环境空气 醛、酮类化合物的测定 高效液相色谱法》(HJ 683—2014)[10],将衍生液相色谱法作为进行醛酮类化合物分析的首要方法。 在这些涉及衍生的方法中,或使用醛酮类衍生物的标准溶液配置一系列浓度点,绘制标准曲线;或使用醛酮类液体标准物质进行衍生反应,绘制相应的工作曲线。 实际采集样品时,气态醛酮类分子与采样管中的2,4-二硝基苯肼(DNPH)发生化学反应,生成相应的衍生物,随后通过气相色谱仪、气相色谱-质谱联用仪或液相色谱仪进行定性定量分析。 目前的校准曲线生成方式均未采用气体标准物质,未考虑采样条件、形态差异等,与实际样品采集存在显著差别,难以准确评估醛酮类化合物的真实回收率与准确度。 因此,用气体标准物质生成工作曲线的方式,对于该方法的完善具有重大意义。

本研究考察了以气体标准物质绘制工作曲线的方式,采用超高效液相色谱法测定环境空气中的13 种醛酮类化合物。 该工作曲线定量法的操作过程模拟了样品采集及前处理方式,可以减少系统误差,使定量结果更为准确,从而更真实地反映大气中醛酮类化合物的浓度水平。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

超高效液相色谱仪配备二极管阵列检测器(DAD)(美国Agilent,HPLC1290),清罐仪(美国Entech,3100),静态稀释仪(美国Entech,4700),大气采样器(青岛众瑞,ZR-3500),自制采样器,C18反相色谱柱(美国Agilent,4.6 mm×150 mm×1.8 μm),5 L Tedlar 气体采样袋(大连德霖),6 L内壁经惰性化处理的不锈钢采样罐(美国Entech),5 mL 容量瓶(A 级),2 mL 医用无菌注射器,0.2 μm 有机滤膜(针头过滤器),DNPH 采样管(天津博纳艾杰尔,1 000 mg/6 mL)。

13 种 醛 酮-DNPH 标 准 溶 液 ( 美 国AccuStandard,批号218061262,有效期2020-07-20),15 种醛酮类标准溶液(美国AccuStandard,1 000 μg/mL,批号218011208,有效期2020-02-23),13 种醛酮类标准气体(中国测试技术研究院,5 μmol/mol,批号1812120014,有效期2020-12-20),乙腈(美国Honeywell,色谱纯),超纯水。

1.2 标准气体配制

将标准气体钢瓶及高纯氮气钢瓶与气体稀释装置连接,设定初始浓度和出口位置浓度,出口端连接抽真空的6 L 采样罐,配气压力设定为35 psi(1 psi=6.895 kPa)。 将预先用氮气清洗好并排空的5 L Tedlar 气袋接在采样罐出口端,通过压力差将气体转移到采样袋,充好后同时关闭气袋和采样罐阀门。

1.3 标准气体采集

将充满标准气体的气袋出口通过转接头连接至DNPH 采样管的一端,采样管的另一端连接至采样器管路,进行样品采集。 采集完毕后,密封采样管两端,4 ℃避光保存,待洗脱。

1.4 样品前处理

参照HJ 683—2014[10],从采样管大口径端加入乙腈洗脱采样管,使乙腈自然流过采样管。 将洗脱液收集至5 mL 容量瓶,用乙腈定容。 用注射器吸取洗脱液,经针头过滤器过滤,转移至2 mL棕色样品瓶待测。

1.5 分析条件

柱温40 ℃,流量0.3 mL/min,流动相为乙腈和水。 采用二元梯度淋洗:0 ～20 min,60%乙腈;20 ～30 min,乙腈从60%线性增至100%;30 ～32 min,乙腈线性减至60%,保持8 min。 进样体积为5 μL,DAD 检测波长为360 nm,用保留时间定性,用峰面积定量。

2 结果与讨论

2.1 采样条件的选择

2.1.1 采样柱的选择

选用美国Waters、上海安谱(CNW)、天津博纳艾杰尔(Aelga)3 家公司的商品化DNPH 采样管分析目标化合物标准溶液的衍生化效率。 配制0.2 μg/mL 醛酮类化合物标准溶液,均匀加入DNPH 采样管后,用乙腈洗脱至5 mL 容量瓶并定容,过滤后上机测定。 实验结果显示,美国Waters采样管无溶液缓存空间,洗脱操作不便;上海安谱采样管的衍生化效率为天津博纳艾杰尔采样管衍生化效率的一半。 因此,本研究后续优化过程均选用天津博纳艾杰尔采样管(Aelga-DNPH)。

2.1.2 液体标准物质与气体标准物质衍生化效率比较

液体标准物质衍生化效率考察:取15 种醛酮类标准溶液(1 000 μg/mL)100 μL,用乙腈试剂定容至1 mL,得到浓度为100 μg/mL 的液标中间使用液。 取25 μL 中间使用液,用乙腈定容至1 mL,用滴管将该溶液完全转移至Aelga-DNPH采样管,密封并避光保存,常温下分别静置20、60、90 min,然后用乙腈溶液将其洗脱并定容至5 mL 容量瓶,过滤后上机测定。

气体标准物质衍生化效率考察:将5 μmol/mol的标准气体通过静态气体稀释仪制得6 L 250 nmol/mol 稀释气体,储存于苏玛罐中。 通过压力差将苏玛罐中的气体转移到5 L Tedlar 气袋。 实验中,将气袋出口连接至Aelga-DNPH 采样管的一端,采样管的另一端与采样器管路相连。 同时打开气袋阀门和采样器启动开关,以200 mL/min 的流量采集样品,温度为25 ℃,采样体积为5 L。 采样完毕后,密封、避光保存,并于常温下分别静置20、60、90 min,然后用乙腈洗脱并定容,过滤后上机检测。

选择液体标准物质和气体标准物质重合的11 种醛酮类化合物为实验对象,图1 为两种不同介质中11 种目标物与Aelga-DNPH 采样管的衍生化效率。 结果表明,气体标准物质的衍生化效率普遍高于液体标准物质;液体标准物质各化合物的衍生化反应效率差异较大,甲醛的衍生化效率可以达到80%～90%,而丙酮几乎不反应,其反应效率低于10%。

图1 衍生化效率比较Fig.1 Comparison of derivatization efficiency

2.1.3 Aelga-DNPH 采样管采集方向

HJ 683—2014[10]提到,用乙腈洗脱采样管时,乙腈流向应与采样时的气流方向相反。 鉴于Aelga-DNPH 采样管两端孔径差别较大,采气时会影响气体与衍生物的有效接触面积,因此,本研究考察了从两端分别进行气体采集。 其中,将气体从小口径端进入采样管称为反向采集,从大口径端进入采样管称为正向采集。 采样完毕后,均从大口径端滴入乙腈洗脱采样管,定容、过滤并上机测定,比较两种采样方式的反应效率。 结果显示,反向采集时,丁烯醛未检出,丙酮、甲基丙烯醛、苯甲醛的反应效率低于10%,其他化合物无显著差异;正向采集时,13 种醛酮类化合物的反应效率均有所提高。 经比较,从大口径端进行气体采集时,醛酮类化合物的衍生化效率更高,因此,后续实验采用正向采集方式。

2.2 实验条件的优化

在对环境空气中的醛酮类化合物气体进行采集时,采样器流量、采样温度、采样气与管中DNPH 的反应时间、目标化合物的化学性质等都会影响目标化合物与DNPH 采样管的衍生化效率,进而影响实验数据的稳定性及准确性。 本研究使用250 nmol/mol 的13 种醛酮类化合物标准气体考察实验条件优化。

2.2.1 反应时间的影响

在同一浓度、相同采样流量下,对反应时间(2、40、60、90、120、150、180 min)进行了实验,考察不同反应时间对醛酮类化合物衍生化效率的影响。 实验结果表明,不是所有醛酮类化合物与衍生物的反应都是瞬间完成的。 对于甲醛、乙醛等化合物,其反应效率较高,室温下的放置时间对这类化合物的衍生化效率几乎没有影响;而对于苯甲醛、间甲基苯甲醛等化合物,随着静置时间的延长,其回收率越来越高。 反应时间对目标化合物反应效率的影响见图 2。 在将采样管静置120 min 以后,大部分化合物的反应效率趋于稳定。 经综合考虑,选择将采样管在室温下避光放置150 min 作为后续实验反应时间的优化条件。

图2 反应时间对目标化合物反应效率的影响Fig.2 Effects of reaction time on reaction efficiency of target compounds

2.2.2 采样流量的影响

在同一浓度下,对采样流量(200、300、500、800、1 000 mL/min)进行了实验,考察采样流量对醛酮类化合物与DNPH 采样管衍生化效率的影响(图3)。 结果表明,13 种醛酮类化合物的反应效率随着采样流量的增大而增大。 除苯甲醛和间甲基苯甲醛两种化合物之外,其余化合物在采样流量为500 mL/min 时的反应效率达到最大值,并且如继续增大流量,反应效率有所降低。 苯甲醛和间甲基苯甲醛的反应效率随着采样流量的增加逐渐变大。 由于这两种物质在聚四氟乙烯气袋上的吸附性较强,采样流量越大,采样时间越短,则目标分子接触气袋内表面的概率越小,吸附的影响也就越小。 经综合考虑,选择500 mL/min 作为后续实验采样流量的优化条件。

2.2.3 采样温度的影响

模拟实际环境温度条件,在0 ～40 ℃范围内考察采样温度对化合物反应效率的影响(图4)。结果表明,在0 ～25 ℃范围内,随着温度的升高,化合物的衍生化效率逐渐提高;当温度继续升高到40 ℃时,大部分化合物的衍生化效率反而降低。 由此可见,不同环境温度条件下,由气体标准物质(同等浓度范围内)绘制的工作曲线的斜率差异较大,而液体标准物质绘制的标准曲线不会出现这种现象。 因此,在冬季或夏季(特别是冬季),采用传统的标准曲线定量方式时,实际样品的准确度差异较大。 经综合考虑,选择25 ℃作为绘制工作曲线的环境温度。

2.2.4 采样管和洗脱液的保存

环境温度、采样流量、化学反应时间、目标化合物的化学性质等都会影响目标化合物与DNPH采样管的衍生化效率,并不是所有目标化合物的衍生化效率都能达到100%的理想化状态。 在最优实验条件下,采集一批次浓度为100 nmol/mol的气体样品(5 L),密封并4 ℃避光保存,放置不同时间后进行前处理并上机测定。 将第1 天测定后的洗脱液重新密封并4 ℃避光保存,分别于第5、10、15、20、30 天上机测定。

图3 采样流量对目标化合物反应效率的影响Fig.3 Effects of sample flow rate on reaction efficiency of target compounds

图4 环境温度对目标化合物反应效率的影响Fig.4 Effects of temperature on reaction efficiency of target compounds

图5 显示,除甲醛和丙烯醛外,其余化合物的采样管在4 ℃条件下保存30 d 和保存1 d 的测试结果无明显差异。 30 d 内,洗脱液中13 种目标化合物的测定结果的相对标准偏差在9%以下。 因此,若待测目标化合物中含有甲醛和丙烯醛,建议在完成样品采集后,立即送回实验室进行样品前处理并上机测定。 若无法立即分析,则将处理后的洗脱液4 ℃密封避光保存,30 d 内完成测定。

3 实验结果

3.1 工作曲线的绘制

在最佳实验条件下,配制25、50、100、250、500 nmol/mol 的标准气体样品,并采集5 L 标准气体于采样管中,得到相应的线性方程及相关系数(r)。 结果显示,r 可达0.995 以上,满足方法定量要求。 同时,以醛酮-DNPH 标准溶液配制一系列对应浓度,得到相应的标准曲线方程及r(表1)。 采用液体标准物质曲线法时,所有目标化合物标准曲线的r 都可达到0.999 9,线性关系很好。 但除甲醛对应的两种曲线的斜率相近之外,其余化合物标准曲线线性方程的斜率都比工作曲线大。 其原因在于甲醛的实际回收率可达100%,而其他化合物的回收率则差距显著。 因此,除甲醛外,其他化合物采用液体标准物质绘制标准曲线会直接影响实际样品分析的准确性。

图5 样品管保存时间对目标化合物反应效率的影响Fig.5 Effects of sample tube storage time on reaction efficiency of target compounds

表1 工作曲线与标准曲线结果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%。 该回收率为固定最佳实验条件下多个浓度点的平均值,具有较好的代表性。 一般而言,分子较小的醛酮类化合物的回收率较高,是因为其羰基更易与衍生物质接触并发生反应。 若分子中的羰基是与双键碳原子相连,如丙烯醛、丁烯醛、苯甲醛等,则其回收率偏低。 丙烯醛、丁烯醛等与DNPH 生成的醛腙化合物含有双键不饱和键,会继续与采样管中过量的DNPH 发生加成反应,从而导致回收率偏低。 苯甲醛和间甲基苯甲醛的羰基碳上含有给电基团(芳基),降低了羰基的亲电能力,使之与DNPH 的反应活性下降。 同时,给电基团(芳基)体积较大,会降低醛酮类化合物与DNPH 的反应效率。 综上,将气体标准物质绘制工作曲线法应用于环境空气中醛酮类化合物的测定,其分析结果更接近真实值。

3.2 采样管的穿透容量控制

配制一系列浓度的标准混合气体样品,以最优采样条件(采集体积为5 L)考察DNPH 采样管的穿透容量。 按照浓度从低到高的顺序进行分析,每分析完一个样品,均将结果代入拟合工作曲线。当某种化合物的浓度增加至某一数值时,若该化合物的线性相关系数低于0.995,且响应值表现为偏低,即认为该化合物在此浓度已经穿透,前一个浓度点为该化合物的容量水平。 为了表达方便,用气体摩尔浓度表示采样管容量水平。 实验结果显示,苯甲醛、间甲基苯甲醛在采样管中的容量水平为500 nmol/mol,丙烯醛、丙酮、丁烯醛、甲基丙烯醛和2-丁酮为1 000 nmol/mol,戊醛和己醛为1 250nmol/mol,而甲醛、乙醛、丙醛、正丁醛4 种正构醛类可达1 500 nmol/mol 以上。 本实验采用标准气体考察醛酮类化合物在采样管中的穿透容量,可能与实际样品仍然存在一定差别,但实验结果与化合物反应效率考察结果基本吻合。 醛酮类化合物在采样管中的穿透容量与化合物的化学反应效率成正比。 甲醛等低分子量醛类化合物的活性高,化学反应效率高,在采样管中DNPH 衍生物过量的情况下,高浓度的甲醛依然能够与衍生物迅速发生反应,因此,这几种化合物的穿透容量水平更高。

4 结论

本研究采用气体标准物质考察了醛酮类气体与DNPH 采样管的反应效率。 结果显示,化学结构的不同导致醛酮类化合物的反应效率存在差别,13 种醛酮类化合物的回收率为50%～102%。HJ 683—2014 是以标准衍生物溶液绘制校准曲线,以空白管中加入标准衍生物溶液的方式进行加标回收考察,在质量保证与控制措施方面并未对回收率提出要求,因此,采用该方法测定环境空气中的醛酮类化合物时,难以保证所有化合物测定数据的准确度。 建议在标准方法中纳入更为严格的质量保证和控制措施,可用气体标准物质对回收率进行考察,或用气体标准物质绘制工作曲线。 本研究通过建立工作曲线的方式对环境空气中的醛酮类化合物进行了定量分析,是对传统测定方法的进一步深入研究,其定量结果更接近真实值,更适用于环境空气中醛酮类化合物的分析。