CN111983048A - 一种测定有机胺单体氮稳定同位素的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于稳定同位素示踪环境中有机污染物来源解析方面的分析方法领域，公开了一种测定有机胺单体氮稳定同位素的方法及其应用。该方法首先通过稀盐酸超声萃取环境样品中有机胺至水相，再利用含双(2‑乙基己基)磷酸酯的氯仿萃取至有机相中，采用氯甲酸异丁酯对有机胺的氨基进行衍生化生成氨基甲酸异丁酯，而后利用气相色谱/燃烧/稳定同位素比值质谱(GC/C/IRMS)实现混合有机胺中单体氮稳定同位素的分离和分析测定。本发明成功实现了对环境样品中有机胺单体氮稳定同位素的分离和分析测定，为示踪环境中有机胺源‑汇机制提供新兴有效的方法手段。

Description

一种测定有机胺单体氮稳定同位素的方法及其应用
技术领域
本发明属于稳定同位素示踪环境中有机污染物来源解析方面的分析方法领域，更具体地，涉及一种测定有机胺单体氮稳定同位素的方法及其应用。
背景技术
有机胺是氨分子(NH3)的一个或多个氢原子被脂肪或芳香烃基团所取代的衍生物，比氨分子具有更强的碱性，可显著促进大气成核过程，并参与二次有机气溶胶的形成，是大气气溶胶中重要的化学组分，对灰霾污染的发生提供有利条件。而且大部分有机胺具有毒性和过敏性，对眼睛、鼻子、皮肤及呼吸道有刺激性，对肝脏和肾也有损伤，还可以与亚硝酸盐反应，形成具有强致癌的亚硝胺类物质，对人体健康造成较大影响。
有机胺来源广泛，既有自然来源，包括海洋、森林火灾、植被以及土壤等；又有人为来源，包括畜牧养殖业、工业排放、堆肥及机动车等。有机胺的排放以人为活动(主要是农业)为主，约占一半左右，其他30％排放来自海洋有机胺分解，20％来自生物质燃烧和土壤挥发。有机胺进入大气中主要发生3种化学反应：与酸性物质(如硫酸、硝酸等)发生酸-碱反应；与羰基化合物反应，生成亚胺、烯胺和胺类聚合物；与臭氧、OH等氧化剂发生反应。胺可促进新粒子形成及亚微粒子增长，直接或间接影响环境空气质量和区域气候变化。因此，近年来，有机胺复合污染问题逐渐成为大气环境科学领域的研究热点之一。
目前，国内外对大气中有机胺的来源解析方面的研究，主要基于气相色谱联合不同的检测器、高效液相色谱及离子色谱等色谱分离和检测的方法，来研究大气中有机胺的种类、浓度、不同粒径分布以及季节变化，阐明其污染特征和对来源进行分析。由于环境体系复杂，这些研究方法往往不能真正做到对有机胺的来源、生成和转化机制进行示踪，因此，对有机胺源-汇机制的分析也就具有不确定性。近年来，稳定同位素示踪环境中有机污染的应用逐渐成为研究热点，已应用于示踪解析有机污染物来源、降解与环境迁移和转化机制。利用碳、氢、氮等稳定同位素示踪多环芳烃、氯代烃、多溴联苯醚的研究已有广泛报道，但是氮稳定同位素示踪含氮物质主要是先对含氮物质氧化成亚硝酸盐或硝酸盐，再利用特殊微生物菌群对含氮物质进行还原生成氮气，再进行分析测定，这样测定的氮稳定同位素往往是混合物的特征氮稳定同位素，无法对单一化合物氮稳定同位素进行分析研究，而且样品测定前处理步骤多，对样品中含氮物质的浓度要求高。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明目的在于提供一种测定有机胺单体氮稳定同位素的方法。该方法利用气相色谱通过接口链接的燃烧氧化炉串联稳定同位素比值质谱仪成功实现了含氮有机物单体氮稳定同位素的分析测定。
本发明的另一目的目的在于提供上述测定有机胺单体氮稳定同位素的方法的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，包括如下具体步骤：
S1.取环境样品加入含盐酸的超纯水，室温下超声萃取，得到有机胺水相萃取液；
S2.用氯仿对有机胺水相进行萃取，弃去氯仿层，收集水相层；通过滴加Na2HPO4调节水相的pH值至4～10，再用含双(2-乙基己基)磷酸酯的氯仿萃取，收集含有机胺的氯仿层；
S3.用无水Na2SO4对含有机胺的氯仿层进行除水，利用高纯氮气对除水后的氯仿进行吹干处理，得到含有机胺的混合物；
S4.将乙腈、吡啶和异丁醇加入步骤S3所得含有机胺的混合物，再加氯甲酸异丁酯密封衍生化反应，高纯氮气吹干，得到氨基甲酸异丁酯；
S5.将步骤S4所得氨基甲酸异丁酯用甲苯溶剂进行稀释，然后加入碱性甲醇摇匀，再加入NaOH继续摇匀，离心分离溶剂层，再加入无水Na2SO4除去水，氮吹干后定容，最后利用GC/C/IRMS测定样品中的有机胺单体氮稳定同位素。
优选地，步骤S1所述环境样品为环境大气、颗粒物或水体。
优选地，步骤S1中所述含盐酸的超纯水的浓度为0.01～5mol/L。
优选地，步骤S2中所述Na2HPO4的浓度为0.1～10mol/L，所述含双(2-乙基己基)磷酸酯的氯仿中双(2-乙基己基)磷酸酯的浓度为0.01～10mol/L。
优选地，步骤S4所述吡啶、氯甲酸异丁酯、含有机胺的混合物的体积比为(1～100)：(1～200)：(0.1～1)；所述乙腈、吡啶和异丁醇的体积比为(25～250)：(15～200)：(3～40)；所述衍生化反应的时间为10～60min。
优选地，步骤S5中所述NaOH的浓度为0.1～10mol/L，继续摇匀的时间为2～120min。
优选地，步骤S5中所述的氨基甲酸异丁酯和甲苯的体积比为(1～10)：(10～200)；所述离心的转速为1000～10000转/分钟，所述离心的时间为1～30min；所述甲苯、碱性甲醇和NaOH溶液的体积比为(0.1～2)：(0.1～1)：(0.1～1.5)。
优选地，步骤S5中所述GC/C/IRMS测试的气相色谱条件为：气相色谱条件为分流模式进样1～2μL，进样口温度设置为250～290℃，传输线温度为200～300℃，高纯氦气流速1～3mL/min，升温程序设置为60～120℃保留2～10min，5～40℃/min升温到200～240℃，保留3～10min，色谱柱为5％苯基-甲基聚硅氧烷毛细管柱，所述毛细管柱的尺寸为30m×0.32mm×0.25μm。
优选地，步骤S5中所述GC/C/IRMS测试的燃烧炉条件为：燃烧炉中氧化管为陶瓷管，陶瓷氧化管内填料为CuO、Ni和Pt三种金属混合物，气相色谱与燃烧炉接口温度设置为250～350℃，燃烧氧化温度设置为850～1050℃，样品线氦气压力设为1～5psi；所述GC/C/IRMS测试的稳定同位素比值质谱离子源参数为：加速电压为3800～4100V，提取电压为70～100％AV，陷阱电流为150～600μA，磁电流为3000～4000mA。
所述的方法在测定环境样品为环境大气、颗粒物或水体中有机胺单体氮稳定同位素中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.传统方法先通过氧化有机胺至硝酸盐或亚硝酸盐，再利用特殊微生物菌群进行还原生成氮气，收集氮气再进行测定有机胺氮稳定同位素，而本发明简化了样品前处理步骤，不需要先氧化后再利用特殊微生物菌群还原处理，减少了有机胺样品前处理的难度，缩短了样品前处理所需的时间，降低了对样品中有机胺浓度的要求。
2.本发明所采用的气相色谱接口燃烧氧化炉串联稳定同位素比值质谱，利用色谱对有机胺进行柱色谱分离策略，实现了对环境样品中多种有机胺单体氮稳定同位素的同时分析测定，可以实现对多种有机胺单体进行分析，显著提高了有机胺氮稳定同位素的分析效率。
3.本发明采取氯甲酸异丁酯在水相中对有机胺进行衍生化处理，然后提取氨基甲酸异丁酯，既降低了对衍生化处理的技术难度和要求，又对测定氮稳定同位素不产生影响，更重要的是不改变有机胺单体原有的氮稳定同位素比值，具有很明显的创新性。
4.本发明利用CuO、Ni和Pt三种金属混合物作为燃烧炉填料对有机胺进行氧化和还原生成氮气，随后通过液氮对H2O、CO2、CO进行冷冻去除，实现了有机胺单体氮稳定同位素分析测定，为氮稳定同位素示踪有机胺来源解析可以提供有效的技术方法。
附图说明
图1为实施例1中有机胺单体氮稳定同位素测定的GC/C/IRMS色谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例大气颗粒物样品采自海洋、城市交通主干道、垃圾填埋场以及大学校园。采用智能大流量TSP(PM10)采样器，利用石英滤膜收集大气颗粒物，石英滤膜及颗粒物样品均用铝箔严密包裹，密封袋密封置于-20℃冰箱中保存。
1.取石英滤膜面积的1/2碎样品置于体积为100mL的棕色瓶中，加入50mL的含0.1mol/L的HCl超纯水，室温下超声萃取15min，收集水相至另一棕色瓶。
2.利用分液漏斗用3mL氯仿对水相萃取3次，弃去氯仿层。
3.通过滴加1mol/L的Na2HPO4调节水相pH值至8，利用含0.1mol/L双(2-乙基己基)磷酸酯的氯仿萃取3次，每次3mL，收集氯仿层。
4.利用无水Na2SO4对氯仿层进行除水干燥处理，把除水后的氯仿转入10mL的小瓶中，利用柔和的高纯氮气进行吹干处理。
5.往小瓶中加入150μL的乙腈、100μL的吡啶、20μL的异丁醇，再加入300μL的氯甲酸异丁酯，盖好瓶盖，密封衍生化反应10min。
6.高纯氮气柔和吹干，2mL甲苯进行稀释，添加1mL碱性甲醇轻轻摇匀，再添加1.5mL的5mol/L的NaOH保持3～4min，利用离心机以4000转/分钟的转速离心2～3min，分离甲苯层，再添加无水Na2SO4除去水，柔和氮吹定容至一定体积，再通过GC/C/IRMS进行单体氮稳定同位素测定。
GC/C/IRMS的型号为Agilent Technologies 7890B GC System/Elementar GC5/Elementar Isoprime 100，单体氮稳定同位素测定采用国际同位素标准品USGS61(δ15N＝-2.87‰)、USGS62(δ15N＝+20.17‰)、USGS63(δ15N＝+37.83‰)进行校正，气相色谱条件为分流模式进样1μL，分馏比为10，进样口温度设为250℃，传输线温度为300℃，高纯氦气流速1.3mL/min，升温程序设置为120℃保留2min，以40℃/min升温到240℃，保留3min，色谱柱为5％苯基-甲基聚硅氧烷毛细管柱，所述毛细管柱的尺寸为30m×0.32mm×0.25μm。
GC/C/IRMS测试燃烧氧化炉的条件设置为：燃烧炉中氧化管为陶瓷管，氧化管填料为CuO、Ni和Pt三种金属混合物，气相色谱与燃烧炉接口温度设置为350℃，燃烧温度设置为950℃，样品线氦气压力为1.5psi。
GC/C/IRMS测试稳定同位素比值质谱离子源设置为：加速电压为3800～4100V，提取电压为70～100％AV，陷阱电流为150～600μA，磁电流为3000～4000mA。
图1为本实施例的有机胺单体氮稳定同位素测定的GC/C/IRMS色谱图。其中，(a)为有机胺单体质量28离子电流随时间变化；(b)为有机胺单体质量29与质量28离子电流的瞬时比率。图中1-9分别表示：1、甲胺；2、丙胺；3、1-正丁胺；4、二丙胺；5、己胺；6、苯胺；7、二苯胺；8、间甲基胺；9、二己胺。从图1中可知，混合有机胺中各单体得到了很好的分离，成功实现了环境样品中9种有机胺单体氮稳定同位素测定。
实施例2
本实施例大气气体样品采自相应的海洋、城市交通主干道、垃圾填埋场以及大学校园。由于有机胺易溶于水且呈碱性，故本实施例采用50mL浓度为0.1mol/L的HCl吸收采集气体有机胺样品，采用流量为1.2m3/min的气体流速，连续12h采集，样品采集后密封置于-20℃冰箱中保存。
1.利用分液漏斗用3mL氯仿对收集样品连续萃取3次，弃去氯仿层。
2.通过滴加1mol/L的Na2HPO4调节水相pH值至8，利用含0.1mol/L双(2-乙基己基)磷酸酯的氯仿萃取3次，每次3mL，收集氯仿层。
3.利用无水Na2SO4对氯仿层进行除水干燥处理，把除水后的氯仿转入10mL的小瓶中，利用柔和的高纯氮气进行吹干处理。
4.往小瓶中加入150μL的乙腈、100μL的吡啶、20μL的异丁醇，再加入300μL的氯甲酸异丁酯，盖好瓶盖，密封衍生化反应10min。
5.高纯氮气柔和吹干，2mL甲苯进行稀释，添加1mL碱性甲醇轻轻摇匀，再添加1.5mL的5mol/L的NaOH保持3～4min，利用离心机以4000转/分钟的转速离心2～3min，分离甲苯层，再添加无水Na2SO4除去水，柔和氮吹定容至0.5mL，再通过GC/C/IRMS进行单体氮稳定同位素测定。
GC/C/IRMS的型号为Agilent Technologies 7890B GC System/Elementar GC5/Elementar Isoprime 100，单体氮稳定同位素测定采用国际同位素标准品USGS61(δ15N＝-2.87‰)、USGS62(δ15N＝+20.17‰)、USGS63(δ15N＝+37.83‰)进行校正，气相色谱条件为分流模式进样1μL，分馏比为10，进样口温度设为250℃，传输线温度为300℃，高纯氦气流速1.3mL/min，升温程序设置为120℃保留2min，以40℃/min升温到240℃，保留3min，色谱柱为5％苯基-甲基聚硅氧烷毛细管柱，所述毛细管柱的尺寸为30m×0.32mm×0.25μm。
GC/C/IRMS测试燃烧氧化炉的条件设置为：燃烧炉中氧化管为陶瓷管，氧化管填料为CuO、Ni和Pt三种金属混合物，气相色谱与燃烧炉接口温度设置为350℃，燃烧温度设置为950℃，样品线氦气压力为1.5psi。
GC/C/IRMS测试稳定同位素比值质谱离子源设置为：加速电压为3800～4100V，提取电压为70～100％AV，陷阱电流为150～600μA，磁电流为3000～4000mA。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
S1.取环境样品加入含盐酸的超纯水，室温下超声萃取，得到有机胺水相萃取液；
S2.用氯仿对有机胺水相进行萃取，弃去氯仿层，收集水相层；通过滴加Na2HPO4调节水相的pH值至4～10，再用含双(2-乙基己基)磷酸酯的氯仿萃取，收集含有机胺的氯仿层；
S3.用无水Na2SO4对含有机胺的氯仿层进行除水，利用高纯氮气对除水后的氯仿进行吹干处理，得到含有机胺的混合物；
S4.将乙腈、吡啶和异丁醇加入步骤S3所得含有机胺的混合物，再加氯甲酸异丁酯密封衍生化反应，高纯氮气吹干，得到氨基甲酸异丁酯；
S5.将步骤S4所得氨基甲酸异丁酯用甲苯溶剂进行稀释，然后加入碱性甲醇摇匀，加入NaOH继续摇匀，离心分离溶剂层，再加入无水Na2SO4除去水，氮吹干后定容，最后利用GC/C/IRMS测定样品中的有机胺单体氮稳定同位素。
2.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S1所述环境样品为环境大气、颗粒物或水体。
3.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S1中所述含盐酸的超纯水的浓度为0.01～5mol/L。
4.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S2中所述Na2HPO4的浓度为0.1～10mol/L，所述含双(2-乙基己基)磷酸酯的氯仿中双(2-乙基己基)磷酸酯的浓度为0.01～10mol/L。
5.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S4中所述吡啶、氯甲酸异丁酯、含有机胺的混合物的体积比为(1～100)：(1～200)：(0.1～1)；所述乙腈、吡啶和异丁醇的体积比为(25～250)：(15～200)：(3～40)；所述衍生化反应的时间为10～60min。
6.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S5中所述NaOH的浓度为0.1～10mol/L，继续摇匀的时间为2～120min。
7.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S5中所述的氨基甲酸异丁酯和甲苯的体积比为(1～10)：(10～200)；所述离心的转速为1000～10000转/分钟，所述离心的时间为1～30min；所述甲苯、碱性甲醇和NaOH溶液的体积比为(0.1～2)：(0.1～1)：(0.1～1.5)。
8.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S5中所述GC/C/IRMS测试的气相色谱条件为：气相色谱条件为分流模式进样1～2μL，进样口温度设置为250～290℃，传输线温度为200～300℃，高纯氦气流速1～3mL/min，升温程序设置为60～120℃保留2～10min，5～40℃/min升温到200～240℃，保留3～10min，色谱柱为5％苯基-甲基聚硅氧烷毛细管柱，所述毛细管柱的尺寸为30m×0.32mm×0.25μm。
9.根据权利要求1所述的测定有机胺单体氮稳定同位素的方法，其特征在于，步骤S5中所述GC/C/IRMS测试的燃烧炉条件为：燃烧炉中氧化管为陶瓷管，陶瓷氧化管内填料为CuO、Ni和Pt三种金属混合物，气相色谱与燃烧炉接口温度设置为250～350℃，燃烧氧化温度设置为850～1050℃，样品线氦气压力设为1～5psi；所述GC/C/IRMS测试的稳定同位素比值质谱离子源参数为：加速电压为3800～4100V，提取电压为70～100％AV，陷阱电流为150～600μA，磁电流为3000～4000mA。
10.权利要求1-9任一项所述的方法在测定环境样品为环境大气、颗粒物或水体中有机胺单体氮稳定同位素中的应用。
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