頂空-氣相色譜法測定海水中三甲胺的含量

曹方方 ,石敬華 ,解 鑫 ,許秀艷* ,張鳳菊 ,由希華

(1.山東省生態環境監測中心,濟南 250101;2.中國環境監測總站,北京 100012)

有機胺廣泛存在于海水中,是海洋生態系統中重要的有機氮源[1],也是大氣和水體的重要污染物,其中大氣中有30%有機胺來源于海洋有機物的轉化[2]。三甲胺是海水中含量最高的有機胺[3],主要由海洋生物排泄或腐爛過程釋放以及浮游植物產生的含氮滲透物質(如甘氨酸甜菜堿和膽堿等)降解生成[4]。三甲胺不僅會增加大氣中堿含量,影響大氣化學組成,還會與大氣中的臭氧等強氧化劑反應,生成二次有機氣溶膠,增強細顆粒污染物的穩定性以及影響云霧的形成過程等[5-7]。三甲胺還是高鹽缺氧環境中形成溫室氣體甲烷的重要底物之一,間接影響著全球氣候的變化[8-9],在沿海濕地和海洋環境的生物地球化學碳循環中發揮了關鍵作用。此外,隨著人類活動的加劇,人為排放至海水中的有機胺廢水增多,這會造成海水富營養化,引起近海赤潮綠藻污染現象,因此三甲胺污染已成為制約海洋生態健康的關鍵問題之一[10-12]。為有效監控海水中有機胺濃度水平的變化,系統性研究海洋有機胺對大氣環境的影響,有必要開發一種快速、準確測定海水中三甲胺含量的方法。

三甲胺具有極性、揮發性強,同時與水完全互溶的特點,從海水中分離、提取并準確檢測比較困難,且這方面的研究報道也較少。文獻[2]采用吹掃捕集-光電離飛行時間質譜法測定海水中三甲胺的含量,該方法具有靈敏度高、樣品用量少的特點,但是測試儀器需要定制,無法快速推廣;文獻[13]采用固相微萃取-氣相色譜法測定海水中三甲胺的含量,但樣品用量較大(1 L海水樣品)。

頂空-氣相色譜法利用相平衡原理檢測待測組分,常用于土壤、氣體等樣品中揮發性有機物的檢測[14-16],但未見在海水三甲胺檢測中的應用。鑒于此,本工作采用頂空-氣相色譜法測定三甲胺的含量,并成功應用于實際海水樣品的分析。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890 型氣相色譜儀,配氮磷檢測器(NPD);Agilent 7694E 型頂空自動進樣器;JH 202型電子天平。

三甲胺標準中間液:10 mg·L－1,取適量三甲胺標準儲備溶液,用0.12 mol·L－1鹽酸溶液稀釋而成。使用時,用0.12 mol·L－1鹽酸溶液稀釋至所需質量濃度。

基質匹配標準溶液系列:用空白海水逐級稀釋三甲胺標準中間液,配制成三甲胺質量濃度分別為5.0,10.0,20.0,50.0,100.0μg·L－1的基質匹配標準溶液系列。

三甲胺鹽酸鹽的純度為98%;鹽酸、氯化鈉、氫氧化鈉、硫酸鉀均為優級純。試驗用水為新制備的去離子水,使用前做空白檢查。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 頂空條件

平衡溫度85 ℃,取樣針溫度105 ℃,傳輸線溫度115 ℃;平衡時間40 min;進樣體積1 mL。

1.2.2 色譜條件

CP-Volamine石英毛細管色譜柱(30 m×0.32 mm,5.0μm);進樣口溫度220 ℃;分流進樣,分流比10∶1;載氣為高純氮氣;柱流量1 mL·min－1。柱升溫程序:初始溫度為65 ℃,保持5 min;以10 ℃·min－1升溫至200 ℃。檢測器溫度300 ℃;氫氣流量3 mL·min－1,空氣流量60 mL·min－1,尾吹氣流量30 mL·min－1。

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1.3 試驗方法

采集海水樣品,加入適量鹽酸,將其酸度調節至pH≤2,于4 ℃避光、密封保存,30 d內完成分析。

分取10.00 mL上述海水樣品于20 mL頂空瓶中,加入2.5 g 氯化鈉、0.8 g 硫酸鉀、2.5 mL 7.5 mol·L－1氫氧化鈉溶液,混勻后按照儀器工作條件測定。

2 結果與討論

2.1 樣品保存條件的優化

三甲胺可以與鹽酸反應生成三甲胺鹽酸鹽,三甲胺鹽酸鹽與水完全互溶且在酸性環境下化學性質較穩定。試驗將鹽酸加至5.0μg·L－1三甲胺標準溶液中,并將其酸度調節至pH≤2,在4 ℃密封避光條件下保存,上述溶液至少可以保存30 d,30 d內完成分析。

2.2 鹽析試劑的選擇

三甲胺極性強,水溶性好,在樣品中加入一定量的鹽,可以降低加堿后生成的三甲胺在水溶液中的溶解度。試驗比較了分別加入1.0,1.5,2.0,2.5,3.0 g氯化鈉(硫酸鉀用量為0.8 g)和0,0.3,0.5,0.8,1.0 g硫酸鉀(氯化鈉用量為2.5 g)時三甲胺響應信號的變化,其中加入硫酸鉀是為了增加水溶液的鹽離子強度[12],所得結果見圖1。

圖1 氯化鈉和硫酸鉀用量對三甲胺響應信號的影響Fig.1 Effect of amounts of sodium chloride and potassium sulfate on the response signal of trimethylamine

由圖1可知:對于氯化鈉,三甲胺的響應信號隨著氯化鈉用量的增加而升高;當加入2.5 g氯化鈉時,響應信號達到最大;氯化鈉用量繼續增加,響應信號反而降低,推測海水本身有一定鹽度(鹽度約3.5%),當氯化鈉加至飽和狀態時,氯化鈉晶體析出,強極性的三甲胺會吸附在氯化鈉晶體上,導致三甲胺揮發量減小,響應信號降低。對于硫酸鉀,硫酸鉀加入后三甲胺的響應信號顯著增加,且三甲胺的響應信號隨著硫酸鉀用量的增加而升高;當加入0.8 g硫酸鉀時,響應信號達到最大;硫酸鉀用量繼續增加,響應信號降低。綜上,試驗選擇加入的鹽析試劑為2.5 g氯化鈉和0.8 g硫酸鉀。

2.3 氫氧化鈉溶液用量的選擇

由于在海水樣品中加入了鹽酸作固定劑,其中的三甲胺以鹽酸鹽的形式穩定存在,在頂空條件下無法揮發進入頂空-氣相部分,此時需要加入適量氫氧化鈉溶液釋放出三甲胺。氫氧化鈉溶液用量過少時,與三甲胺鹽酸鹽反應不完全,三甲胺不能充分揮發;當氫氧化鈉溶液用量過多時,樣品被過度稀釋,測試靈敏度降低,因此氫氧化鈉溶液用量的選擇很關鍵。試驗考察了7.5 mol·L－1氫氧化鈉溶液用量分別為0.2,0.6,1.0,1.2,1.5,2.0,2.5 mL 時對三甲胺響應信號的影響,結果見圖2。

圖2 氫氧化鈉溶液用量對三甲胺響應信號的影響Fig.2 Effect of the amount of sodium hydroxide solution on the response signal of trimethylamine

由圖2可知,隨著氫氧化鈉溶液用量的增加,響應信號不斷升高,當加入2.5 mL 氫氧化鈉溶液時,響應信號還在升高,但升高趨勢變緩?？紤]到加入過量會導致頂空管路堵塞[17],因此試驗選擇的氫氧化鈉溶液用量為2.5 mL。

2.4 頂空條件的選擇

平衡溫度和平衡時間是兩個重要的頂空參數。試驗考察了平衡溫度分別為65,70,75,80,85 ℃以及平衡時間分別為20,30,40,50 min時對三甲胺響應信號的影響,結果見圖3。

圖3 平衡溫度和平衡時間對三甲胺響應信號的影響Fig.3 Effect of equilibrium temperature and equilibrium time on the response signal of trimethylamine

由圖3可知:三甲胺的響應信號隨著平衡溫度的升高而升高,考慮到溫度過高水蒸氣會和三甲胺共溢出,故設置的最高平衡溫度為85 ℃,該溫度下三甲胺的響應信號也最高;隨著平衡時間的延長,三甲胺的響應信號逐漸升高并趨于穩定,當平衡40 min時,氣液兩相達到動態平衡。因此,試驗選擇的平衡溫度為85 ℃,平衡時間為40 min。

2.5 色譜行為

在最優儀器工作條件下,海水樣品的色譜圖見圖4。

圖4 海水樣品的色譜圖Fig.4 Chromatogram of seawater sample

由圖4可知,三甲胺的保留時間為6.29 min,二甲胺的保留時間為5.93 min,可以實現色譜分離,而且三甲胺絕對校正因子(0.18)高于二甲胺(0.02),說明海水中的其他有機胺不干擾三甲胺的準確測定。

2.6 方法學考察

按照儀器工作條件測定基質匹配標準溶液系列,以三甲胺的質量濃度為橫坐標,其對應的響應信號作縱坐標繪制工作曲線。結果顯示,三甲胺的質量濃度在5.0～100.0μg·L－1內和其對應的響應信號呈線性關系,線性回歸方程為y＝0.176 2x＋0.090 3,相關系數為0.997 0。

按照儀器工作條件測定7份2.0μg·L－1基質匹配標準溶液,并以t(6,0.01)×s(置信水平為99%,s為三甲胺測定值的標準偏差)計算方法檢出限(3.143s),所得結果為0.4μg·L－1。

按照試驗方法對加標空白海水樣品(加標量10.0μg·L－1)重復分析5次,計算三甲胺測定值的相對標準偏差(RSD),結果為2.1%,說明方法精密度良好。

按照試驗方法分析在我國東部近岸2個取樣點采集的海水樣品,并進行加標回收試驗和計算回收率,所得結果見表1。

表1 回收試驗結果Tab.1 Results of test for recovery

由表1可知,兩個不同取樣點的近岸海水樣品中三甲胺的質量濃度分別為16.1,6.2μg·L－1,回收率為92.0%～118%,表明該方法可以應用于海水中三甲胺含量的測定,且準確度較高。

本工作采用頂空-氣相色譜法測定海水中三甲胺的含量,該方法具有普適性強、操作簡便、成本低,同時具有靈敏度高、穩定性好的特點,可以應用于近岸海水樣品中三甲胺含量的測定,可為海洋生態環境影響研究提供強有力的技術支撐。