CN113358798B - 热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热脱附‑气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，包括以下步骤，配成标准储存溶液；标准储备液分别配成浓度梯度的标准曲线溶液；热脱附‑气相色谱质谱仪检测：数据分析，分别绘制杂环异味物质的标准曲线，计算杂环异味物质的检出限和定量限；将杂环异味物质标准品溶液分别加标至环境空气样品中，通过热脱附前处理后，按色谱条件和质谱条件依次进样，将得出的定量离子峰面积带入标准曲线中，即可得到实际环境样品中所含杂环异味物质的具体含量，按照加标量和测定值计算其回收率。本发明具有较低的检出限和良好的重现性，实现了对环境空气中痕量杂环类异味物质的准确定量分析。

Description

热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法

技术领域

本发明属于环境检测技术领域，具体涉及一种热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法。

背景技术

引起恶臭污染的物质种类众多，主要包括氨、硫化氢、硫醇、硫醚、有机胺、挥发性有机酸、醛酮等含有硫、氮、氧的杂原子化合物。其中，噻吩、嘧啶、粪臭素等杂环化合物因其嗅觉阈值低、气味难闻，已经得到广泛关注。杂环化合物广泛存在于畜禽养殖、城镇污水处理等市政处理设施。

传统检测杂环化合物的方法主要包括气相色谱法、液相色谱法、气相色谱质谱法和液相色谱质谱法。但杂环化合物在环境中以很低的浓度存在(甚至达到ppt级)，采用上述传统的检测方法存在检出限不足等缺点，需研究新的检测方法以降低物质的检出限，从而实现环境空气中低浓度杂环化合物的分析检测。

目前用于提高杂环化合物检出限的主要方法包括薄膜萃取法、固相微萃取法、光学探针法和热脱附法。薄膜萃取法、固相微萃取法和光学探针法需合成相应材料，具有操作方法复杂、成本过高、重现性不足等缺点。而热脱附法已有市售的吸附管，操作较为简便、重现性较高，可以成功实现对环境空气中杂环化合物的吸附富集。我国现有的检测标准和检测方法研究中，还未有对环境空气中杂环类物质的检测方法，所以开发一种对环境空气中杂环类异味物质检出限较低的分析方法具有重要的研究意义。

发明内容

鉴于国内无针对环境空气中杂环化合物的检测技术，国外检测技术检出限较高，无法准确识别环境空气中痕量杂环物质的不足，本发明旨在填补现有技术空缺，提供一种环境空气中杂环类异味物质热脱附-气相色谱质谱检测方法，该方法具有比现有技术更低的检出限、快速的检测速度和良好的重现性，可以有效提高对环境空气中痕量杂环类异味化合物的检测识别，为后续异味污染分析与管控提供技术支撑。

本发明选择6种杂环类化合物为目标物，包括噻吩、嘧啶、四氢噻吩、N-甲基邻甲苯胺、吲哚、3-甲基吲哚，建立了热脱附-气相色谱质谱仪定性定量分析环境中杂环类异味物质的分析方法，并优化了提取方法和仪器条件，该方法具有较低的检出限和良好的重现性，实现了对环境空气中痕量杂环类异味物质的准确定量分析，并在实际环境样品检测中得到了良好的验证效果，从而填补了国内检测环境空气中杂环化合物方法研究的空白，为我国环境恶臭污染分析与评估提供了技术支持。

本发明提供的热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，包括以下步骤：

(1)溶液的制备：

标准储备溶液的制备：准确移取相应体积或质量的各种杂环异味物质标准品溶于甲醇中，配成10mg/mL混合标准储存溶液；

标准曲线溶液的制备：将上述含有各种杂环异味物质的标准储备液分别配成0.01μg/L～100μg/L范围内具有一定浓度梯度的至少5份混合标准曲线溶液；

(2)热脱附-气相色谱质谱仪检测：

热脱附条件：吸附管为三合一组合型Carbopack C,Carbopack B,Carboxen 1000；解吸管参数：初始温度40℃，干吹温度40℃，解吸温度280℃，解吸时间11min，冷却时间0.3min；捕集阱参数：初始温度-10℃，解吸温度280℃，解吸时间3min；等温区参数：阀温260℃，气相传输线温度260℃，水冷传输线温度260℃；

气相色谱条件：色谱柱为弱极性柱，60m×320μm×1μm；程序升温条件：初始温度40℃，先以4℃/min升温速率升温至160℃，后以15℃/min速度升温至280℃，保持2min；

质谱条件：EI源，离子源温度为250℃，扫描范围为30～350amu，扫描周期为0.2s/san。

全扫描和选择离子扫描模式；

(3)数据分析：

将上述各种杂环异味物质标准品的混合溶液按所述色谱条件和质谱条件进样检测，记录谱图数据，记录各种杂环异味物质的保留时间和质谱监测离子碎片信息；然后将所配具有一定浓度梯度的至少5份混合标准曲线溶液按上述色谱条件和质谱条件依次进样，记录其浓度数据和峰响应强度数据，分别绘制各种杂环异味物质的标准曲线，计算各种杂环异味物质的检出限和定量限；

实际环境空气样品采集自某污水处理厂和畜禽养殖厂，将上述各种杂环异味物质标准品溶液分别加标至环境空气样品中，通过热脱附前处理后，按所述色谱条件和质谱条件依次进样，将得出的定量离子峰面积带入上述标准曲线中，即可得到实际环境样品中所含上述各种杂环异味物质的具体含量，按照加标量和测定值计算其回收率；

上述各种杂环异味物质的基本性质、质谱监测离子和质谱分析参数见表1～表3。

具体的，上述各种杂环异味物质标准品储备溶液的浓度为10mg/mL。

具体的，上述混合标准曲线溶液配制时，先用甲醇分别稀释定容至1mg/mL、100mg/L、10mg/L、1mg/L，再用甲醇分别稀释定容至100μg/L、1μg/L、0.5μg/L、0.1μg/L、0.05μg/L、0.02μg/L、0.01μg/L。

具体的，上述混合标准曲线溶液的浓度梯度为0.01μg/L、0.02μg/L、0.05μg/L、0.1μg/L、0.5μg/L、1μg/L。

优选的，上述色谱条件中，进样口温度为100℃；溶剂延迟时间为10min；高纯氦气作为载气，恒定流量为1.5mL/min；分流进样，分流比为10：1。

优选的，上述质谱条件中，离子源温度为250℃，接口温度为250℃；扫描范围为30～350amu，扫描周期为0.2s/san。

本发明方法的检出限为将上述各种杂环异味物质不同浓度梯度的混合标准曲线溶液按所述色谱条件和质谱条件依次进样，以3倍信噪比(S/N＝3)计算检出限，检出限在0.073～0.29μg/m³之间。

本发明方法的定量限为将上述各种杂环异味物质不同浓度梯度的混合标准曲线溶液按所述色谱条件和质谱条件依次进样，以10倍信噪比(S/N＝10)计算定量限，定量限在0.22～0.87μg/m³之间。

本发明方法的重现性为不同日期、不同分析人员将上述各种杂环异味物质浓度为0.1μg/L的标准品溶液按所述色谱条件和质谱条件依次重复进样6次，相对标准偏差(RSD)在2.8％～9.7％之间。

本发明方法的回收率为将上述各种杂环异味物质标准品的混合溶液加入实际环境空气样品中，重复测定3次，样品回收率在92.1％～102.4％之间。

表1 6种杂环异味物质的基本性质

表2 6种杂环异味物质的保留时间和质谱监测离子

表3 6种杂环异味物质的质谱分析参数

本发明提供环境空气中杂环类异味物质热脱附-气相色谱质谱检测方法具有下列优点：前处理简便、检出限低、重现性好、回收率高，适合于环境空气中痕量杂环类异味物质的分析检测。

本发明方法可同时检测环境空气中6种痕量杂环类异味物质，检测效率高，40分钟内即可得出检测结果。

本发明方法用于6种杂环类异味物质的标准曲线线性好，定量准确，相关系数R²均大于0.99。

本发明方法重复性好，考察不同日期、不同分析人员对精密度的影响，两个检测人员用对重复性下浓度的各6份平行进行检测，12次重复的相对标准偏差(RSD)不大于9.7％。

本发明方法用于6种杂环类异味物质的定量限低，可以达到0.22μg/m³。

本发明方法采用热脱附前处理、气相色谱-质谱检测技术，建立了环境空气中6种痕量杂环类异味物质的分析方法，为杂环类异味物质检测标准制订和质量控制提供了依据。

附图说明

图1为本发明方法S1中噻吩、嘧啶、四氢噻吩、N-甲基邻甲苯胺、吲哚、3-甲基吲哚6种杂环异味物质的总离子流色谱图；

图2为本发明方法S3中两种吸附管填料对吸附效果的影响图；

图3为本发明方法S4中不同进样流速对吸附效果的影响曲线图，a.噻吩，b.嘧啶，c.四氢噻吩，d.N-甲基邻甲苯胺，e.吲哚，f.3-甲基吲哚；

图4为本发明方法S5中不同进样体积对吸附效果的影响曲线图，a.噻吩，b.嘧啶，c.四氢噻吩，d.N-甲基邻甲苯胺，e.吲哚，f.3-甲基吲哚；

图5为本发明方法S6中噻吩的标准曲线图。

图6为本发明方法S6中嘧啶的标准曲线图；

图7为本发明方法S6中四氢噻吩的标准曲线图；

图8为本发明方法S6中N-甲基邻甲苯胺的标准曲线图；

图9为本发明方法S6中吲哚的标准曲线图；

图10为本发明方法S6中3-甲基吲哚的标准曲线图。

具体实施方式

以下通过具体的实施例进一步说明本发明的技术方案，具体实施例不代表对本发明保护范围的限制。其他人根据本发明理念所做出的的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。

仪器与试剂：

噻吩(99％)、嘧啶(98％)、四氢噻吩(98％)、N-甲基邻甲苯胺(99％)、吲哚(99％)、3-甲基吲哚(99％)6种标准品均购于北京百灵威科技有限公司；甲醇为色谱纯试剂，购于北京百灵威科技有限公司；溴氯甲烷、1,4-二氟苯、氯苯-d5、对溴氟苯4种内标气体购于美国林德公司；高纯氮气和高纯氦气(99.999％)购于埃佛罗(天津)空气制品有限公司。

7890A-5975C气相色谱-质谱仪(GC-MS)购于安捷伦科技(中国)有限公司，配备J&W123-5563(60m×320μm×1μm)色谱柱；7550S热脱附吸附仪(CDS)购于北京莱伯泰科仪器股份有限公司；BCT 700老化炉购于北京博赛德科技有限公司；低流速采样泵(SKC 224-50)购自北京康林科技有限公司。

S1：6种杂环异味物质保留时间和质谱监测离子碎片信息的考察

6种杂环异味物质标准溶液的制备：

分别准确移取0.2380mL噻吩、0.2460mL嘧啶、0.2500mL四氢噻吩、0.2580mL N-甲基邻甲苯胺4种液体标准品，分别准确称取0.2500g吲哚和3-甲基吲哚固体标准品，均溶于适量甲醇溶液中，充分溶解后转移至25.00mL容量瓶中，定容至刻度后摇匀，配成10mg/mL混合标准储存溶液，置于4℃下保存；

分别将上述浓度为10mg/mL混合标准溶液用甲醇依次稀释为1mg/mL、100mg/L、10mg/L、1mg/L、100μg/L、1μg/L、0.5μg/L、0.1μg/L、0.05μg/L、0.02μg/L、0.01μg/L的带有浓度梯度的系列混合标准溶液，均置于4℃下保存；

热脱附条件：吸附管填料使用三合一组合型(Carbopack C,Carbopack B,Carboxen 1000)；解吸管参数：初始温度40℃，干吹温度40℃，解吸温度280℃，解吸时间11min，冷却时间0.3min；捕集阱参数：初始温度-10℃，解吸温度280℃，解吸时间3min；等温区参数：阀温260℃，气相传输线温度260℃，水冷传输线温度260℃；

色谱条件：高纯氦气作为载气，恒定流量为1.5mL/min，分流进样，分流比为10：1；柱温箱的初始温度为40℃，先以4℃/min升温速率升温至160℃，后以15℃/min速度升温至280℃，保持2min；进样口温度为100℃；溶剂延迟时间为10min；

质谱条件：离子源为EI源，温度为250℃，接口温度为250℃，扫描方式为全扫描和选择离子扫描模式，扫描范围为30～350amu，扫描周期为0.2s/san；

将上述所配100μg/L混合标准溶液按照所述色谱质谱条件进样检测，分别记录各物质的保留时间及质谱监测离子碎片信息。

结果：上述6种杂环异味物质的基本性质、质谱监测离子碎片信息见表1～2；总离子流色谱图见图1。

S2：吸附管填料的选择

为了考察吸附管填料对富集效果的影响，选取了两种典型填料吸附管三合一型(Carbopack C,Carbopack B and Carboxen 1000)和Tenax TA型进行研究，准确移取所配10mg/L的6种杂环类异味物质混合标准溶液1μL，打入充有3L氮气的泰德拉气体采样袋中，置于40～50℃的烘箱中加热30min确保液体全部气化，手动摇匀气袋后用低流速采样泵吸取相同体积的气体于两种吸附管中，记录6种杂环类异味物质相对应的色谱峰面积。

结果：两种吸附管对上述6种杂环类异味物质的富集效果见图2，三合一型填料吸附管对上述6种杂环类异味物质的富集效果优于Tenax TA型填料，选取三合一型填料吸附管进行实验研究。

S3：采样流速的优化

低流速采样泵的流速范围为30～300mL/min，分别选取了30、50、60、100、150、300mL/min采样流速进行样品采集，采取气化后进样方式，选取三合一型吸附管分别采集相同体积的气体于吸附管中，并按照上述仪器条件进行测试，记录其采样流速及对应的色谱峰面积。

结果：进样流速对吸附效果的影响见图3，随着采样流速的增大，噻吩、嘧啶、四氢噻吩和吲哚在吸附管中的富集效果均逐渐增强，N-甲基邻甲苯胺和3-甲基吲哚在气体流速为30～100mL/min时富集效果逐渐增加，但随着气体流速的再次增大，在100～300mL/min时略有降低，表明流速能够增大样品流通量和扩散速度，而流速过高也会造成分析物未能及时富集而流失。为了保证上述6种物质均有良好的富集效果，选取采样流速100mL/min进行研究。

S4：采样体积的优化

选取采样体积为100mL、300mL、500mL、1000mL、1500mL、2000mL，研究不同采样体积对富集效果的影响，采取气化后进样方式，选取三合一型吸附管，采样流速设为100mL/min，按照上述仪器条件进行测试，记录其采样体积及对应的色谱峰面积。

结果：进样体积对吸附效果的影响见图4，采样体积越大，富集效果越好，但随着采样体积逐渐增大，物质峰面积的增加程度逐渐降低，且采样体积过大会造成检测物质在吸附管中出现穿透现象，选取采样体积为2000mL进行研究。

S5：6种杂环异味物质标准曲线、检出限和定量限的考察

将上述所配6个浓度梯度1μg/L、0.5μg/L、0.1μg/L、0.05μg/L、0.02μg/L、0.01μg/L的6种杂环类异味物质混合标准溶液分别采用气化进样方式、三合一型吸附管、采样流速100mL/min、采样体积2000mL和上述气相色谱质谱条件进样检测，记录其浓度及对应的色谱峰面积，对数据进行回归分析以确定该方法中每种异味物质的线性关系，分别绘制6种杂环异味物质的标准曲线，并计算线性相关系数R²、检出限LOD和定量限LOQ。

结果：6种杂环异味物质在上述浓度范围内具有良好的线性关系，线性相关系数均大于0.99，其质谱分析参数见表4，6种杂环异味物质的标准曲线图见图5～10。

S6：回收率和重现性的考察

将上述6种杂环异味物质标准品的混合标准溶液加入不含目标化合物的环境空气中，采用气化进样方式、三合一型吸附管、采样流速100mL/min、采样体积2000mL，先经热脱附仪前处理后，再按照上述色谱及质谱条件重复测定6次，计算其回收率和相对标准偏差(RSD)。

结果：6种杂环异味物质在实际环境空气样品中的回收率和重现性见表4，表明本发明方法的回收率高，重现性好。

S7：实际环境样品的检测

选取了某污水处理厂和畜禽养殖厂的厂界下风向环境空气样品为实际检测样品，应用本方法对2个样品分别进行定性和定量分析。

结果：污水处理厂和畜禽养殖厂的厂界下风向样品中均有吲哚检出，含量分别为5.8×10^-4mg/m³和4.1×10^-2mg/m³。

综上所述，上述各实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，皆应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）溶液的制备：

标准储备溶液的制备：准确移取相应体积或质量的杂环异味物质标准品溶于甲醇中，配成10 mg/mL混合标准储存溶液；

标准曲线溶液的制备：将杂环异味物质的标准储备液分别配成0.01 µg/L~100 µg/L范围内具有一定浓度梯度的至少5份混合标准曲线溶液；

（2）热脱附-气相色谱质谱仪检测：

热脱附条件：吸附管为三合一组合型Carbopack C, Carbopack B, Carboxen 1000；解吸管参数：初始温度40 ℃，干吹温度40 ℃，解吸温度280 ℃，解吸时间11 min，冷却时间0.3 min；捕集阱参数：初始温度-10 ℃，解吸温度280 ℃，解吸时间3 min；等温区参数：阀温260 ℃，气相传输线温度260 ℃，水冷传输线温度260 ℃；

气相色谱条件：色谱柱为弱极性柱，60 m×320 µm×1 µm；程序升温条件：初始温度40℃，先以4 ℃/min升温速率升温至160 ℃，后以15 ℃/min速度升温至280 ℃，保持2 min；

质谱条件：EI源，离子源温度250 ℃，扫描范围为30~350 amu，扫描周期为0.2 s/san，全扫描和选择离子扫描模式；

（3）数据分析：

所述的杂环异味物质，包括噻吩、嘧啶、四氢噻吩、N-甲基邻甲苯胺、吲哚和3-甲基吲哚；

将杂环异味物质标准品的混合溶液按所述色谱条件和质谱条件进样检测，记录谱图数据，记录杂环异味物质的保留时间和质谱监测离子碎片信息；然后将所配具有一定浓度梯度的至少5份混合标准曲线溶液按上述色谱条件和质谱条件依次进样，记录其浓度数据和峰响应强度数据，分别绘制杂环异味物质的标准曲线，计算杂环异味物质的检出限和定量限；

采集环境空气样品，将杂环异味物质标准品溶液分别加标至环境空气样品中，通过热脱附前处理后，按所述色谱条件和质谱条件依次进样，将得出的定量离子峰面积带入上述标准曲线中，即可得到实际环境样品中所含杂环异味物质的具体含量，按照加标量和测定值计算其回收率。

2.根据权利要求1所述的热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，其特征在于，混合标准曲线溶液配制时，先用甲醇分别稀释定容至1000 mg/L、100 mg/L、10 mg/L、1mg/L，再用甲醇分别稀释定容至100 µg/L、1 µg/L、0.5 µg/L、0.1 µg/L、0.05 µg/L、0.02 µg/L、0.01 µg/L；

混合标准曲线溶液的浓度梯度为0.01 µg/L、0.02 µg/L、0.05 µg/L、0.1 µg/L、0.5 µg/L、1 µg/L。

3.根据权利要求1所述的热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，其特征在于，标准溶液的气化过程中，选取三合一型填料吸附管，采样流速为50~100 mL/min，采样体积为1000~2000 mL。

4.根据权利要求1所述的热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，其特征在于，色谱条件中，进样口温度为100 ℃；溶剂延迟时间为10 min；高纯氦气作为载气，恒定流量为1~1.5 mL/min；分流进样，分流比为10：1。

5.根据权利要求1所述的热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，其特征在于，质谱条件中，离子源温度为250 ℃，接口温度为250 ℃；扫描范围为30~350 amu，扫描周期为0.2 s/san。

6.根据权利要求1所述的热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，其特征在于，检出限为将杂环异味物质不同浓度梯度的混合标准曲线溶液按所述色谱条件和质谱条件依次进样，以3倍信噪比计算检出限，检出限在0.073~0.29µg/m³之间。

7.根据权利要求1所述的热脱附-气相色谱质谱检测杂环类异味物质的方法，其特征在于，定量限为将杂环异味物质不同浓度梯度的混合标准曲线溶液按所述色谱条件和质谱条件依次进样，以10倍信噪比计算定量限，定量限在0.22~0.87µg/m³之间。

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