頂空氣相色譜法測(cè)定富氫水中的氫氣

龍慶云，楊品，韋桂歡

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027）

頂空氣相色譜法測(cè)定富氫水中的氫氣

龍慶云，楊品，韋桂歡

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027）

建立頂空氣相色譜法測(cè)定富氫水中氫氣的方法。采用頂空的方式將水中的微量氫氣轉(zhuǎn)移到氣相中，通過(guò)分子篩色譜柱分離，用熱導(dǎo)檢測(cè)器測(cè)定。分析條件如下：分流比為5∶1，氣液體積比為1.2∶1，平衡溫度為40℃，平衡時(shí)間為15 min。水中氫氣的質(zhì)量濃度在0.080～1.603 mg/L范圍內(nèi)與色譜峰面積成良好線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.999，方法檢出限為0.005 mg/L。樣品加標(biāo)回收率為91.03%～94.25%，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.61%～2.32%(n=6)。該法可用于富氫水中氫氣的測(cè)定。

氫氣；頂空；氣相色譜法；富氫水

近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)氫氣能夠與生物體內(nèi)的氧自由基反應(yīng)，在醫(yī)學(xué)上具有抗氧化、抗炎癥和抗細(xì)胞凋亡等作用［1］。目前有關(guān)氫氣生物學(xué)效應(yīng)的研究處于初步階段，主要集中在體外細(xì)胞和動(dòng)植物模型實(shí)驗(yàn)［2–9］，而針對(duì)不同疾病的臨床效果還在研究階段［10–13］。使用氫氣治療疾病的途徑主要包括呼吸氫氣、飲用富氫水或注射富氫生理鹽水等［14］。氫氣易燃易爆，因而呼吸氫氣的方式具有安全隱患和局限性，當(dāng)將氫氣溶解在溶液中才可以被安全使用。

富氫水是近年來(lái)出現(xiàn)的一種含有氫氣的飲用水，在有關(guān)富氫水的研究或生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，都需要準(zhǔn)確測(cè)定富氫水中溶解氫氣的質(zhì)量濃度，目前測(cè)定富氫水中氫氣質(zhì)量濃度的方法主要有氣相色譜法、電極法和氧化還原滴定法［15］。電極法和氧化還原滴定法都是通過(guò)測(cè)定富氫水的氧化還原指標(biāo)來(lái)確定水中氫氣的質(zhì)量濃度，容易受到其它氧化還原性物質(zhì)的干擾，影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性；氣相色譜法將氫氣與其它物質(zhì)在色譜柱上進(jìn)行分離，然后進(jìn)行測(cè)定，該方法可以消除干擾，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確。由于氫氣在水中的溶解度比較小，直接進(jìn)樣分析相對(duì)困難，筆者采用頂空的方法將水相中的氫氣轉(zhuǎn)移到氣相中進(jìn)行測(cè)定，具有較好的效果，能夠滿足實(shí)際測(cè)定要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

氣相色譜儀：Agilent 7890A型，配TCD檢測(cè)器，美國(guó)安捷倫科技有限公司；

頂空自動(dòng)進(jìn)樣器：HT3型，美國(guó)Tekmar公司；

頂空瓶：22 mL，美國(guó)Tekmar公司；

鉗口工具：20 mm，美國(guó)Tekmar公司；

氫氣、氬氣：純度均大于99.999%；

純凈水：怡寶牌，華潤(rùn)怡寶飲料（中國(guó)）有限公司；

實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 儀器工作條件

色譜柱：HP–Mole sieve毛細(xì)管柱（30 m×0.32 mm，25 μm；美國(guó)安捷倫科技有限公司）；平衡溫度：40℃；平衡時(shí)間：15 min；閥箱溫度：100℃；傳輸線溫度：100℃；混合級(jí)別：10級(jí)；混合時(shí)間：2 min；進(jìn)樣口溫度：200℃；檢測(cè)器溫度：200℃；柱溫：40℃，保持5 min；載氣：氬氣，流量為3 mL/min；分流比：5∶1。

1.3 氫氣標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

經(jīng)氣體擴(kuò)散器向超純水中充高純氫氣至水相中氫氣達(dá)到飽和，水中氫氣的飽和質(zhì)量濃度通過(guò)測(cè)量水溫后查表獲得［16］。在虹吸作用下采集飽和含氫水樣，用超純水稀釋，配制成所需質(zhì)量濃度的氫氣系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.4 樣品前處理

取10 mL水樣于專用頂空瓶中，用鉗口工具迅速密封，振搖10 s，放至頂空自動(dòng)進(jìn)樣器上進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析條件優(yōu)化

2.1.1 色譜分離

采用頂空方式分析水中的氫氣，要將氫氣與氧氣、氮?dú)夥珠_(kāi)，同時(shí)減少水蒸汽的干擾。選擇5A分子篩毛細(xì)管柱，能將氫氣與氧氣、氮?dú)庥行Х蛛x，同時(shí)5A分子篩毛細(xì)柱的柱效受水蒸汽影響較小且加熱后可恢復(fù)。結(jié)合分離度和分析時(shí)間，對(duì)柱箱溫度、色譜柱流量進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)定柱箱溫度為40℃，色譜柱流量為3 mL/min，分析時(shí)間不超過(guò)5 min，色譜圖見(jiàn)圖1。由圖1可知，氫氣與氧氣、氮?dú)饽軌蛲耆蛛x，色譜峰形良好，沒(méi)有雜質(zhì)干擾。

圖1 氫氣的色譜圖

2.1.2 氣液體積比

氣液體積比是影響頂空分析靈敏度和平衡效率的重要因素。取樣量少時(shí)，氣液體積比大，分析靈敏度低，氣液平衡的時(shí)間長(zhǎng)；取樣量增大時(shí)，氣液體積比減小，分析靈敏度提高，氣液平衡的時(shí)間縮短；取樣量過(guò)大時(shí)，自動(dòng)頂空進(jìn)樣器的針頭會(huì)插至液面以下，導(dǎo)致無(wú)法分析。與自動(dòng)頂空進(jìn)樣器適配的頂空瓶體積為22 mL，為保證水樣不被吹入進(jìn)樣系統(tǒng)，又能達(dá)到較高的靈敏度，選擇氣液體積比為1.2∶1，對(duì)應(yīng)的取樣量為10 mL。

2.1.3 頂空平衡溫度

溫度是影響氣液平衡的重要因素，提高平衡溫度可以縮短平衡時(shí)間，加大待測(cè)組分的揮出量。以飽和含氫水為樣品，考察平衡溫度分別為30，35，40，45，50℃時(shí)氫氣響應(yīng)值的變化，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著平衡溫度的升高，氫氣的響應(yīng)值迅速增大，40℃后變化緩慢；同時(shí)水蒸汽含量增大，色譜柱損壞的幾率加大，并且頂空瓶的壓力增大，使氣密性受到影響。在滿足靈敏度和重現(xiàn)性的條件下，選擇頂空平衡溫度為40℃較為合適。

圖2 不同平衡溫度對(duì)應(yīng)的色譜峰面積

2.1.4 頂空平衡時(shí)間

頂空平衡時(shí)間是在一定的平衡溫度下達(dá)到氣液平衡所需要的時(shí)間，是影響提取效率的一個(gè)重要參數(shù)。以飽和含氫水為樣品，在平衡溫度為40℃的條件下，考察平衡時(shí)間分別為 5，10，15，20，30 min時(shí)氫氣響應(yīng)值的變化，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著平衡時(shí)間的延長(zhǎng)，氫氣的響應(yīng)值增大，10 min后變化緩慢，15 min后基本平衡。這是由于氫氣在水中溶解度小，易揮發(fā)，氫氣分子小，擴(kuò)散速率快，容易達(dá)到平衡。綜合考慮選擇平衡時(shí)間為15 min。

圖3 不同平衡時(shí)間對(duì)應(yīng)的色譜峰面積

2.2 線性方程

于 6 只頂空瓶中分別加入 0.0，2.0，5.0，8.0，9.0，9.5 mL 高純水，再分別加入 10.0，8.0，5.0，2.0，1.0，0.5 mL溫度為20℃的飽和含氫水，得到水中氫系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度見(jiàn)表1。在1.2儀器工作條件下進(jìn)樣分析，以氫氣在水中的質(zhì)量濃度(x)為橫坐標(biāo)，以色譜峰面積(y)為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，得線性方程為y=354.31x+1.451 3，相關(guān)系數(shù)為0.999。

表1 水中氫系列標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度

2.3 方法檢出限

以純凈水為空白樣品，加入少量飽和含氫水，得到低質(zhì)量濃度加標(biāo)樣品，平行測(cè)定7次，測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)為0.001 41 mg/L，按照公式MDL=3.143s計(jì)算方法檢出限，得方法檢出限為0.004 44 mg/L，取值為 0.005 mg/L。

2.4 精密度試驗(yàn)

按照 1.2儀器工作條件，對(duì) 0.080，0.321，1.603 mg/L 3個(gè)質(zhì)量濃度水平的含氫水樣進(jìn)行6次平行測(cè)定，計(jì)算測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，3個(gè)濃度水平含氫水樣測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.61%～2.32%，表明該方法精密度較高，滿足水中微量氫測(cè)定要求。

表2 精密度試驗(yàn)結(jié)果

2.5 加標(biāo)回收試驗(yàn)

在純凈水中加入不同量的飽和含氫水，按1.4方法處理樣品，在1.2儀器工作條件下對(duì)樣品平行測(cè)定3次，計(jì)算平均回收率，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，不同加標(biāo)量的平均回收率為91.03%～94.25%，表明該方法準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)語(yǔ)

采用頂空的方式將富氫水中的微量氫氣轉(zhuǎn)移到氣相中，通過(guò)分子篩色譜柱分離，熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)。該方法靈敏度高，線性關(guān)系好，可用于富氫水中氫氣含量的測(cè)定。

表3 加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果

［1］Ikuroh Ohsawa, Masahiro Ishikava, Kumiko Takahashi, et al.Hydrogen acts as a therapeutic antioxidam by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals［J］. Nature Medicine, 2007, 13(6):688–694.

［2］方舟子.富氧水和富氫水能保健嗎？［J］. 科學(xué)世界，2016(9):104–105.

［3］秦秀軍，尹晶晶，孫鴿，等.富氫水對(duì)γ射線照射Beagle犬淋巴細(xì)胞基因表達(dá)譜的影響［J］.第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37(12):1 475–1 480.

［4］李少偉，劉宗正，劉春霞，等.口服富氫水對(duì)小鼠脂肪肝缺血再灌注損傷的保護(hù)作用［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，2015，53(1):10–15.

［5］劉穎，蘭青，王迪芬，等.富氫水對(duì)創(chuàng)傷性腦損傷大鼠腦創(chuàng)傷區(qū)CD34表達(dá)的影響［J］.中華危重病急救醫(yī)學(xué)，2017，29(3):260–264.

［6］秦秀軍，尹晶晶，許文黎，等.不同劑量富氫水對(duì)小鼠輻射損傷保護(hù)作用的研究［J］.中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，2014，34(8):578–582.

［7］田紀(jì)元，鄔奇，蘇娜娜，等.富氫水對(duì)植物的生長(zhǎng)效應(yīng)及在芽苗菜生產(chǎn)中的應(yīng)用前景［J］.中國(guó)蔬菜，2016(9): 31–34.

［8］劉豐嬌，蔡冰冰，孫勝楠，等.富氫水浸種增強(qiáng)黃瓜幼苗耐冷性的作用及其生理機(jī)制［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50(5): 881–889.

［9］宋韻瓊，沙米拉·太來(lái)提，杜紅梅.富氫水處理對(duì)小蒼蘭生長(zhǎng)發(fā)育的影響［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2016，34(3):55–61.

［10］漆楠楠，楊琳，李希紅，等.富氫水治療新生兒缺氧缺血性腦病療效分析［J］.泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，37(12): 1 331–1 332.

［11］劉晶晶.富氫水標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一助力中國(guó)氫健康產(chǎn)業(yè)騰飛［J］.中國(guó)食品，2016(12): 50–55.

［12］歐明毫，劉建紅，黃森，等.富氫水對(duì)女子柔道運(yùn)動(dòng)員機(jī)體抗氧化能力的影響［J］.中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2017，36(1): 17–20.

［13］季天也.破解“富氫水”功效謎團(tuán)［J］.環(huán)境與生活，2015(7):98–102.

［14］秦秀軍，安全，張偉，等.富氫水制備及保存方法的初步研究［J］.癌變畸變突變，2013，25(6): 457–460.

［15］Tomoki Seo, Ryosuke Kurokawa, Bunpei Sato. A convenient method for determining the concentration of hydrogen in water:use of methylene blue with colloidal platinum［J］. Medical Gas Research, 2012，2(1): 1–6.

［16］迪安. 蘭氏化學(xué)手冊(cè)［M］. 2版. 魏俊發(fā)譯，北京：科學(xué)出版社，2003: 54.

Determination of Hydrogen in Hydrogen-Rich Water by Headspace Gas Chromatography

Long Qingyun, Yang Pin, Wei Guihuan
（The 718th Research Institute of CSIC, Handan 056027, China）

A method for determining hydrogen in hydrogen-rich water by headspace gas chromatography was established. The trace hydrogen in water was transferred to gas by the manner of headspace, then separated by the molecular sieve chromatography column, finally determined by gas chromatography with TCD. The analysis conditions were determined as the following: the split ratio was 5∶1, the gas–liquid volume ratio was 1.2∶1, the equilibrium temperature was 40℃, and the equilibrium time was 15 min. The mass concentration of hydrogen in water was linear with chromatographic peak area in the range of 0.080–1.603 mg/L, and the linear correlation coefficient was 0.999. The detection limit was 0.005 mg/L. The addition recoveries of the sample were 91.03%–94.25%, and the relative standard deviations of determination results were 0.61%–2.32%(n=6). The method is suitable for the determining hydrogen in hydrogen-rich water.

hydrogen; headspace; gas chromatography; hydrogen-rich water

O657.7

A

1008–6145(2017)05–0072–03

10.3969/j.issn.1008–6145.2017.05.018

聯(lián)系人：龍慶云；E-mail: lqyway@163.com

2017–07–18