氣相?離子遷移譜法檢測沙林氣體的方法研究

楊 姝 王學(xué)峰 高 適 錢廷碧 賀金娜

（陸軍防化學(xué)院履約技術(shù)中心，北京 102205）

甲氟膦酸異丙酯又被稱作沙林（GB），是典型的神經(jīng)性毒劑之一，作為有機(jī)膦酸類物質(zhì)，其毒理作用是通過抑制生物體內(nèi)的乙酰膽堿酯脢，導(dǎo)致生物的神經(jīng)出現(xiàn)紊亂。它的揮發(fā)度高，毒性強(qiáng)，潛伏時(shí)間短，是戰(zhàn)場上最為常見的化學(xué)毒劑之一。沙林經(jīng)呼吸道致毒時(shí)，蒸汽/氣溶膠暴露半致死濃度（LCT50inh）為35 mg·min/m3（暴露2分鐘為3 ppm），在0.01 ppm 濃度的毒劑蒸汽下暴露2分鐘就會(huì)出現(xiàn)縮瞳現(xiàn)象，立即威脅生命和健康濃度（IDLH）為0.02 ppm［1］。由于化學(xué)毒劑有著易于合成、價(jià)格低廉、難防難控等特點(diǎn)，有效的檢測方法可以對(duì)沙林毒氣進(jìn)行定性定量，提高防護(hù)能力。

1 氣相色譜‐離子遷移譜方法概述

離子遷移譜技術(shù)（Ion Mobility Spectroscopy，IMS）是上世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的微痕量檢測技術(shù)。IMS 的工作原理是電離進(jìn)入離子化區(qū)域中的氣體分子，根據(jù)不同離子在電場中的遷移速率不同進(jìn)行區(qū)分。其對(duì)化合物的檢測下限可低至ppb 級(jí)，有著應(yīng)用范圍廣，技術(shù)成本低，分辨率高，容易被小型化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于對(duì)化學(xué)毒劑、危險(xiǎn)品、爆炸物和毒品的檢測和鑒定［2］，適用于有機(jī)膦毒劑分析檢測［3，4］。盡管IMS 有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其主要是通過區(qū)分離子遷移時(shí)間來進(jìn)行分析的，所以難以對(duì)遷移率相同或相近的物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分；由于直接對(duì)氣體分子離子化，所以在檢測類似物混合物時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)離子在電離區(qū)互相湮滅的情況；檢測成分較為復(fù)雜的物質(zhì)時(shí)，容易受到其中濃度較大的物質(zhì)的影響，不利于分析［2，5］。

氣相色譜技術(shù)（Gas chromatography，GC）是實(shí)驗(yàn)室中較為常見的氣相檢測手段，廣泛的應(yīng)用于易揮發(fā)型化學(xué)物質(zhì)以及有毒有害物質(zhì)的檢測中［6］。GC 技術(shù)發(fā)展較為成熟，一般為了提高檢測速度和準(zhǔn)度，經(jīng)常將氣相色譜技術(shù)與火焰光度計(jì)、質(zhì)譜儀、氮?磷探測儀等技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用。氣相色譜?離子遷移譜法（GC?IMS）是將上述兩種技術(shù)聯(lián)用的極具前景的新檢測手段［7］，二者聯(lián)用有效利用GC 的高效分離能力，彌補(bǔ)IMS 對(duì)遷移率相近混合物檢測不靈敏的缺點(diǎn)，并且降低空氣濕度對(duì)IMS的影響；而IMS的準(zhǔn)確定性，可以改善GC重復(fù)性差、對(duì)復(fù)雜化合物難以定性的情況。另外，GC?IMS 相較于常用的GC?MS 技術(shù)，接口更簡單，不需要真空環(huán)境，日常更容易維護(hù)和使用［2］。

通過配套軟件LAV 的自帶插件可以對(duì)復(fù)雜化合物的特征進(jìn)行整合分析，獲得保留時(shí)間、漂移時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度的綜合譜圖，提供全面的圖像。如圖1 所示的3 類譜圖，分別為3D 投影平面頂視圖、3D?IMS 色譜圖以及離子流圖。頂視圖中的一個(gè)點(diǎn)即是色譜圖中的一個(gè)峰，表示著一種化合物。根據(jù)不同化合物的性質(zhì)，同一種化合物可能產(chǎn)生單體、二聚體乃至三聚體?；衔锏臐舛炔煌?，頂視圖中給點(diǎn)的顏色飽和度不同。

圖1 GC‐IMS 軟件測試譜圖［8］

GC?IMS 可以直接對(duì)氣體樣品進(jìn)行快速分析，現(xiàn)在多用于對(duì)食品氣味的分類、檢測、評(píng)價(jià)［7，9?17］，尚未應(yīng)用在毒劑氣體測試分析中。針對(duì)毒劑氣體發(fā)生的測試，過去多采取的方法是，利用有機(jī)溶劑（乙醇、乙腈等）進(jìn)行1~3 小時(shí)的采集，再使用分光光度計(jì)法進(jìn)行定量分析，一般全流程操作需要2~4 小時(shí)。利用GC?IMS 則可以直接對(duì)氣體分子進(jìn)行檢測分析，大大縮短了采集氣體所需要花費(fèi)的時(shí)間，因此本研究旨在運(yùn)用GC?IMS 法實(shí)現(xiàn)對(duì)沙林氣體進(jìn)行快速檢測。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要儀器及試劑

毒劑氣體發(fā)生器，自制；GC?IMS 氣相離子遷移譜聯(lián)用儀；氣體流量控制模塊；冷肼；0 號(hào)柴油；16種多環(huán)芳烴（PAHs）混標(biāo)；鹽酸聯(lián)苯胺（A.R）、過硼酸鈉（A. R），乙醇（A. R）；沙林（GB）含量大于98%，自制。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)采用空氣壓縮機(jī)供氣，經(jīng)過五級(jí)干燥塔干燥后由氣體流量控制模塊（MFC）對(duì)氣路的流量進(jìn)行控制。干燥塔為自制800mL 不銹鋼塔串聯(lián)而成，內(nèi)裝分子篩、活性炭、無水CaCl2。如圖2 所示經(jīng)過干燥后的空氣進(jìn)入毒劑氣體發(fā)生器，經(jīng)由冷阱控制氣室的環(huán)境溫度，通過溫度調(diào)控?fù)]發(fā)度配制不同濃度的染毒氣體。揮發(fā)的氣體，通過細(xì)孔被空氣氣流帶出，再在氣體流量控制模塊中與空氣混合。為避免氣流產(chǎn)生的擾動(dòng)，控制氣路中的流速始終保持在700mL/min。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

將氣路直（旁）接接入GC?IMS 中進(jìn)行檢測（圖3），氣路中毒劑氣體的濃度由溶劑吸收采集，采用分光光度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 氣路連接

2.3 實(shí)驗(yàn)方法參數(shù)

GC?IMS 內(nèi)部氣路如圖4 所示，由電子壓力控制器1（EPC1）控制IMS 檢測器的漂移氣體，EPC2控制色譜柱載氣。氣體樣品經(jīng)過六通閥進(jìn)入色譜柱，色譜柱洗脫后通過IMS 進(jìn)行檢測。

圖4 GC‐IMS 內(nèi)部設(shè)置［8］

預(yù)設(shè)GC 條件為：色譜柱：DB?5，長15m，直徑0.53 mm，膜厚0.25 μm；進(jìn)樣體積：1000μL；色譜柱溫度：60 ℃；定量環(huán)溫度：60 ℃；載氣：高純N2，純度≥99.999%。

預(yù)設(shè)IMS 條件：漂移管長度：5 cm；管內(nèi)電壓：400 V/cm；漂移管溫度：45 ℃；漂移氣為高純N2；電離源：氚源；檢測模式：正離子模式；IMS 溫度：45 ℃。

探索檢測沙林氣體時(shí)GC 的載氣終止流量、檢測時(shí)長、進(jìn)樣量條件；IMS 的檢測模式條件，以建立檢測的工作曲線以及最低檢出限，建立GC?IMS 法測定化學(xué)毒劑沙林氣體的方法體系。

3 結(jié)果與討論

3.1 GC‐IMS 條件的確定

3.1.1 對(duì)沙林的定性

根據(jù)揮發(fā)性化合物在GC?IMS 中的漂移時(shí)間和氣相色譜保留時(shí)間，通過外標(biāo)法使用C4~C9 的正酮作為校準(zhǔn)液進(jìn)行檢測，與實(shí)測物質(zhì)的保留指數(shù)進(jìn)行對(duì)照，最后利用Library Search 軟件及其數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查找配對(duì)，從而對(duì)檢測的物質(zhì)進(jìn)行定性。本實(shí)驗(yàn)定性結(jié)果為圖5 所示，譜圖表明氣路中的揮發(fā)性物質(zhì)有單體及二聚體，檢測到的物質(zhì)為沙林。

圖5 軟件定性結(jié)果

3.1.2 檢測模式的選擇

分別在正離子模式與負(fù)離子模式下對(duì)0.313 μg/L（50ppb）的沙林氣體進(jìn)行檢測，測試譜圖如圖6 所示，在正離子模式下可以檢測到沙林氣體的反應(yīng)離子峰，負(fù)離子模式下未見離子峰，因此選擇正離子模式進(jìn)行檢測。

圖6 不同離子模式下的譜圖對(duì)比

3.1.3 氣相色譜分離條件的選擇

3.1.3.1 載氣最終流量的設(shè)定

GC?IMS 采取的是程序升流技術(shù)，通過載氣流量的線性增加達(dá)到分離效果。本實(shí)驗(yàn)對(duì)0.313 μg/L 在不同升流程序下的沙林氣體的色譜條件進(jìn)行了摸索。

設(shè)置初始流量為2mL/min，載氣終止流量設(shè)定為5mL/min、15mL/min、20mL/min、30mL/min、50mL/min、80mL/min 、100mL/min、120mL/min 分別進(jìn)行檢測，譜圖如圖7。結(jié)果表明載氣流量的增幅越少，色譜峰的拖尾情況越嚴(yán)重，響應(yīng)越小，該濃度下終止流量高于80mL/min 時(shí)離子峰分離較好，載氣流量在100mL/min~150mL/min之間時(shí)峰型差異不大。

圖7 載氣終止流量不同時(shí)的譜圖（5~120mL/min）

進(jìn)一步檢測1.876 μg/L（300ppb）濃度的沙林氣體發(fā)現(xiàn)，初始流量為2mL/min，載氣最終流量分別設(shè)為50mL/min、100mL/min、150mL/min 進(jìn)行檢測時(shí)，測試結(jié)果如圖8。綜合測試結(jié)果表明，載氣流設(shè)定從2 mL/min 線性增至150mL/min 時(shí)分離效果最好。這主要是因?yàn)檩d氣流速上升時(shí)，離子快速通過遷移區(qū)，導(dǎo)致到達(dá)檢測極的離子隨之增加，信號(hào)強(qiáng)度也就隨之增加。

圖8 載氣終止流量不同時(shí)的譜圖（50， 100， 150mL/min）

3.1.3.2 檢測時(shí)長的選擇

固定載氣最終流量，考察檢測時(shí)間對(duì)譜圖的影響，檢測時(shí)間分別設(shè)為：3 min、6 min、8 min、10 min、13 min、16 min，如圖9 所示，檢測時(shí)間越長出峰越晚，響應(yīng)值也有所下降，峰型不佳；時(shí)間過短則會(huì)導(dǎo)致離子遷移時(shí)間不夠，出峰過早容易受噪音影響。測試結(jié)果表明，檢測沙林氣體的時(shí)間在8~10 min 較合適。

圖9 檢測時(shí)間不同時(shí)的譜圖

3.1.3.3 進(jìn)樣量的設(shè)定

GC?IMS 可以通過改變定量環(huán)體積以及進(jìn)樣時(shí)間控制氣體的進(jìn)樣量，氣體進(jìn)樣量過大會(huì)導(dǎo)致定量環(huán)中死體積增大，影響峰形導(dǎo)致峰拖尾，進(jìn)樣量過小會(huì)導(dǎo)致檢測到的氣體量少，響應(yīng)不明顯。本儀器定量環(huán)為固定環(huán)1000μL，故而只討論進(jìn)樣時(shí)間對(duì)檢測的影響。如圖10 可以看出進(jìn)樣時(shí)間過短時(shí)響應(yīng)較小，時(shí)間過長時(shí)拖尾較明顯，因此對(duì)沙林氣體的檢測，進(jìn)樣時(shí)間在10s~20s 時(shí)分離較好。

圖10 進(jìn)樣時(shí)間不同時(shí)的譜圖

3.2 確定檢測沙林氣體方法

通過上述實(shí)驗(yàn)，可以得知檢測沙林氣體的最佳條件為：正離子模式下檢測，初始載氣的流量為2mL/min，進(jìn)樣15s，穩(wěn)定2 min，而后在2~10 min 內(nèi)將載氣流量線性增至150 mL/min。因此，將GC?IMS 法測試沙林氣體的檢測條件確定為：

GC 條件：色譜柱：DB?5；進(jìn)樣體積：1000μL；色譜柱溫度：60 ℃；定量環(huán)溫度：60 ℃；運(yùn)行時(shí)間：15 min；載氣：高純N2，純度≥99.999%；載氣流量：初始2 mL/min，在10~25s 時(shí)進(jìn)樣15s，保持2 min后在10 min 內(nèi)線性增至150 mL/min，之后在150 mL/min 流速下穩(wěn)定5 min。

IMS 條件：漂移管長度：5 cm；管內(nèi)線性電壓：400 V/cm；漂移管溫度：45 ℃；漂移氣為高純N2（純度≥99.999%）；流速：150 mL/min；檢測模式：正離子模式；IMS 溫度：45 ℃。

3.3 檢測沙林氣體的工作曲線與回歸方程

由毒劑氣體發(fā)生器發(fā)生沙林氣體濃度分別為0.0375、0.0563、0.156、0.294、0.819，1.307、2.07、2.627 μg/L。由GC?IMS 檢測，而后以濃度為橫坐標(biāo)，以各濃度對(duì)應(yīng)的分析物離子峰（analyte ion peak，AIP）強(qiáng)度（三維圖對(duì)應(yīng)所得峰體積）為縱坐標(biāo)，分別擬合繪制出GB 單體和二聚體的Boltzman函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖11。

圖11 GC‐IMS 檢測GB 的bolzman 函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線

并得出Boltzman 函數(shù)回歸方程如下：

根據(jù)此方程計(jì)算可得，低濃度（低于1 μg/L）時(shí)GB 單體區(qū)域信號(hào)標(biāo)線的標(biāo)稱濃度與校準(zhǔn)濃度之間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，高濃度（高于1 μg/L）時(shí)GB 二聚體區(qū)域信號(hào)標(biāo)線的標(biāo)稱濃度與校準(zhǔn)濃度之間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，因此在低濃度測試時(shí)以單體區(qū)域信號(hào)曲線為理想曲線，高濃度測試時(shí)以二聚體區(qū)域信號(hào)曲線為理想曲線。

3.4 環(huán)境中廢氣類干擾物對(duì)沙林檢測的影響

實(shí)際中檢測沙林氣體時(shí)，要考慮到環(huán)境空氣中可能存在的一些廢氣的干擾，其中包括含有苯環(huán)類物質(zhì)和碳?xì)浠衔?。因此本?shí)驗(yàn)將含有16種多環(huán)芳烴（PAHs）的混合標(biāo)準(zhǔn)樣品代表苯環(huán)類干擾物，將0 號(hào)柴油代表碳?xì)浠衔锔蓴_物，考察了GC?IMS 方法檢測廢氣中沙林的干擾情況。

將沙林與含有16種混標(biāo)的PAHs 同時(shí)注入2L配氣瓶中，分別考察PAHs（總）與沙林的質(zhì)量比為1∶1、10∶1、100∶1、500∶1 這4種情況下，對(duì)GC?IMS方法檢測沙林的影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)PAHs 與沙林的質(zhì)量比為500∶1時(shí)，GC?IMS 已經(jīng)無法分辨沙林的色譜峰，PAHs 與沙林質(zhì)量比為100∶1時(shí)，GC?IMS可以明顯檢測出沙林，其信噪比S/N 為19，PHAs 與GB 的出峰完全分離，由此可以看出，PAHs 對(duì)沙林的檢測無明顯影響?？疾炝瞬裼团cL 的質(zhì)量比為10∶1、100∶1、500∶1 這3種 情 況 下 柴 油 濃 度 對(duì)GC?IMS 檢測沙林氣體的影響。實(shí)驗(yàn)表明，即使柴油與沙林的質(zhì)比值達(dá)到500∶1時(shí)，含柴油的空白樣品中沒有檢測出沙林，柴油與GB 的出峰完全分離，空氣中碳?xì)浠衔飳?duì)該方法檢測沙林無明顯影響。

3.5 檢出限

GC?IMS 對(duì)0.0375 μg/L（6ppb）沙林氣體的檢測噪音平均值約為0.009V，信號(hào)強(qiáng)度為0.0476，根據(jù)最低檢出限公式D=3N×Q/I，其中N 噪音值，Q 為進(jìn)樣氣體濃度，I 為響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度。計(jì)算可以得出本研究所用方法對(duì)GB 氣體的檢測下限約為0.0214 μg/L（3.4ppb）。這對(duì)痕量毒劑氣體的定量分析提供了一定的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)際檢測過程中能對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定量或半定量，有助于化學(xué)毒劑偵檢精準(zhǔn)度的提高。

4 結(jié)論與展望

利用GC?IMS 可以直接對(duì)氣體分子進(jìn)行檢測分析，大大縮短了采集氣體所需要花費(fèi)的時(shí)間，因此運(yùn)用GC?IMS 建立了更加高效檢測沙林氣體的方法。對(duì)沙林氣體的測試可以看出，GC?IMS 可以較好地定性，考察了干擾物對(duì)該方法沒有明顯影響。利用此方法檢測下限可以達(dá)到0.0214 μg/L，且響應(yīng)信號(hào)與濃度可以通過Boltzman 函數(shù)建立回歸方程，實(shí)現(xiàn)了定量或半定量檢測，提高了對(duì)有毒有害氣體檢測的效率。