三甲基乙酸酐衍生氣相質(zhì)譜檢測(cè)空氣中乙二胺的方法

安建華，韋紅映，陳 潔

（杭州普洛賽斯檢測(cè)科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

乙二胺是一種重要的化工原料，具有典型氨味、刺激和腐蝕性，屬于低毒化學(xué)品，被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、其他制造業(yè)當(dāng)中。由于其易揮發(fā),在制作施工中逸散在空氣中，對(duì)人體呼吸道黏膜及視角膜造成腐蝕危害。目前我國(guó)工作場(chǎng)所空氣標(biāo)準(zhǔn)[1]中規(guī)定工作場(chǎng)所空氣中乙二胺的時(shí)間加權(quán)平均容許質(zhì)量濃度為4 mg/m3，短時(shí)間接觸容許質(zhì)量濃度10 mg/m3。而對(duì)于環(huán)境空氣和無(wú)組織廢氣的限值，國(guó)家暫未制定標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境空氣評(píng)價(jià)目前通行的一般是參照《蘇聯(lián).CH245-71 居民區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最大允許濃度》的限值，其中規(guī)定乙二胺最大一次允許質(zhì)量濃度為0.001 mg/m3（1 μg/m3），24 h 最大允許質(zhì)量濃度也為0.001 mg/m3，環(huán)境空氣的限值要求比工作場(chǎng)所要低很多，對(duì)于分析者來(lái)說(shuō)環(huán)境空氣和無(wú)組織廢氣乙二胺檢測(cè)也更具有挑戰(zhàn)性。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)職業(yè)衛(wèi)生方法[2]規(guī)定乙二胺用堿性硅膠管采樣，硫酸水溶液解吸，再用氫氧化鈉水溶液中和后進(jìn)氣相色譜（配備FID 檢測(cè)器）分析，乙二胺檢出限為3.9 μg/mL，若按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)環(huán)境空氣或無(wú)組織空氣，即使以0.5 L/min 采樣120 min 環(huán)境空氣，采樣體積60 L 計(jì)算，乙二胺最低檢出質(zhì)量濃度為0.26 mg/m3，顯然高于0.001 mg/m3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)要用于環(huán)境空氣中乙二胺的檢測(cè)，是無(wú)法滿足環(huán)境空氣的評(píng)價(jià)的要求的。環(huán)境空氣的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定使用0.1 mol/L 硫酸水溶液作為吸收液，陽(yáng)離子色譜法直接分析氨、甲胺、二甲胺、三甲胺4 種物質(zhì)，但標(biāo)準(zhǔn)上并未涉及乙二胺檢測(cè)相關(guān)內(nèi)容。在另外一個(gè)環(huán)境空氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]，標(biāo)準(zhǔn)使用0.06 mol/L 硫酸水溶液作為吸收液，加堿性中和后，頂空進(jìn)樣-氣相色譜分析環(huán)境空氣和廢氣中三甲胺，（FID/NPD 兩種檢測(cè)器均可），色譜柱為堿性脫活的100%二甲基聚硅氧烷毛細(xì)管柱，標(biāo)準(zhǔn)中除了三甲胺檢測(cè)的內(nèi)容外，還有其他關(guān)于胺的同系物如氨、甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、三乙胺幾個(gè)物質(zhì)的檢測(cè)內(nèi)容，但標(biāo)準(zhǔn)也同樣沒(méi)有提到乙二胺。除國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)外，各家學(xué)者對(duì)于乙二胺的檢測(cè)研究也有很多，主要檢測(cè)方法除了氣相色譜法外，還有離子色譜法、衍生-高效液相色譜法、高效液相-串聯(lián)液質(zhì)法等。高效液相色譜法如吳川等[5]考慮到乙二胺極性強(qiáng)，氣相分析困難，并且乙二胺沒(méi)有紫外或熒光基團(tuán)、在普通C18 液相色譜柱上保留時(shí)間短等問(wèn)題，使用丹磺酰氯在弱堿條件衍生乙二胺，乙酸乙酯萃取后，進(jìn)高效液相色譜儀器，用DAD 紫外檢測(cè)器檢測(cè)，乙二胺衍生物在質(zhì)量濃度為0.898～71.84 mg/L呈線良好性關(guān)系，最低檢出質(zhì)量濃度為0.070 mg/m3（以采樣體積3.0 L 計(jì)）。張琳等[6]使用氯甲酸-9-芴甲酯在弱堿條件下對(duì)18 種脂肪胺類（含乙二胺）進(jìn)行衍生，用熒光-高效液相色譜法檢測(cè)，也收到了較好的檢測(cè)效果。高效液相-串聯(lián)液質(zhì)法如穆麗娜等[7]使用對(duì)甲苯磺酰氯衍生藥品西格列汀中的雜質(zhì)乙二胺后，用高效液相-串聯(lián)質(zhì)譜檢測(cè)乙二胺衍生物含量，ESI+模式、多反應(yīng)監(jiān)測(cè)，線性范圍0.50～33.5 μg/L，檢出限0.55 μg/L。離子色譜法如王莉等[8]建立了離子色譜法檢測(cè)吡嗪鹽酸鹽中乙二胺，在0.054～0.864 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)乙二胺線性良好，檢出限0.018 μg/mL。綜合以上國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和各研究者成果來(lái)看，檢測(cè)乙二胺方法有多種，各有優(yōu)點(diǎn)，也存在一些不足，如氣相色譜、高效液相、離子色譜法此類儀器性價(jià)比高，各類實(shí)驗(yàn)室配備比較普遍，儀器容易學(xué)習(xí)和操作，但該類儀器對(duì)化合物定性能力稍弱。高效液相-串聯(lián)質(zhì)譜法檢測(cè)限低、定性能力強(qiáng)，但儀器較為昂貴，操作較為復(fù)雜。因此，開(kāi)發(fā)一種檢測(cè)限低、定性能力強(qiáng)、所用儀器的普及率高的檢測(cè)方法非常有必要，氣相色譜-質(zhì)譜儀器就是一種比較適合的儀器種類，開(kāi)發(fā)氣相色譜-質(zhì)譜法檢測(cè)環(huán)境和無(wú)組織空氣中乙二胺非常符合設(shè)想要求的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和裝置

7890A-5975C 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器，安捷倫公司，配備EI 離子源；烘箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；水浴氮吹儀，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；萬(wàn)分之一電子天平，梅特勒公司。

1.2 材料與試劑

乙二胺，色譜純?cè)噭?，純度?9.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；三甲基乙酸酐，分析純，純度≥99.5%，北京百靈威科技有限公司；丙酮，農(nóng)殘級(jí)試劑，純度≥99.8%，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；乙酸乙酯，農(nóng)殘級(jí)試劑，純度≥99.8%，北京百靈威科技有限公司；碳酸鈉，分析純，純度99.8%，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；酸性硅膠管，內(nèi)填200/100 mg 硅膠，硅膠硫酸負(fù)載量60 mg，北京勞保所科技發(fā)展有限責(zé)任公司。

1.3 樣品的采樣、運(yùn)輸和保存

1.3.1 小時(shí)均值和24 h 均值的采樣

環(huán)境空氣和無(wú)組織廢氣的采樣方式一般分為小時(shí)均值和24 h 均值兩種，采樣將酸性硅膠管兩端截?cái)啻蜷_(kāi)，以0.5 L/min 流量采集60 min 為小時(shí)均值采樣；以0.5 L/min 流量采集24 h 則為24 h 均值采樣。

1.3.2 樣品運(yùn)輸和保存

樣品采集完畢，立即封閉硅膠管的進(jìn)氣和出氣口，然后置于清潔包裝容器中進(jìn)行運(yùn)輸，盡快送回實(shí)驗(yàn)室，如樣品不能及時(shí)分析，應(yīng)該于4 ℃下保存，7 d內(nèi)應(yīng)完成分析工作。

1.4 樣品前處理和衍生

1）硅膠管用小砂輪隔開(kāi)，取出里面的硅膠，倒入解吸管內(nèi)，加入0.50 g 碳酸鈉，純水4 mL，渦旋萃取30 s，此時(shí)萃取液pH 為10 左右。

2）用移液管移取萃取液2 mL，放入20 mL 的頂空瓶?jī)?nèi)，加入丙酮3 mL，三甲基乙酸酐50 μL，加蓋密封，放入70 ℃烘箱內(nèi)衍生1 h（反應(yīng)方程式見(jiàn)圖1）。

圖1 乙二胺的三甲基乙?；?/p>

3）衍生完畢，將頂空瓶冷卻至室溫，開(kāi)蓋45 ℃水浴氮吹至2 mL，加入乙酸乙酯1 mL，渦旋萃取30 s，靜置分層后取乙酸乙酯層裝入進(jìn)樣小瓶?jī)?nèi)，進(jìn)氣相色譜-質(zhì)譜儀器分析。

1.5 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制作

1）用萬(wàn)分之一的天平稱取乙二胺試劑25 mg 到25 mL 容量瓶?jī)?nèi)，加入純水溶液定容至刻度，配成質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL 的乙二胺準(zhǔn)溶液，用純水逐步稀釋至4 μg/mL 的乙二胺工作液。

2）取7 支酸性硅膠，將管內(nèi)的硅膠取出后放入7 支解吸管內(nèi)，各加入0.50 g 碳酸鈉，純水4 mL，渦旋30 s，靜置后取各取解吸液2 mL 到7 個(gè)20 mL 的頂空瓶?jī)?nèi)，備用。

3）每個(gè)頂空瓶?jī)?nèi)加入4 μg/mL 乙二胺工作液0、5、10、20、40、80、160 μL，再另外各加入丙酮3 mL，三甲基乙酸酐50 μL，加蓋密封，放入70 ℃烘箱內(nèi)衍生1 h，其余操作同樣品，標(biāo)準(zhǔn)曲線的質(zhì)量濃度分別為0.00、0.02、0.04、0.08、0.16、0.32、0.64 μg/mL。本研究對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線制備進(jìn)行了6 次平行實(shí)驗(yàn)，線性相關(guān)系數(shù)良好，相關(guān)系數(shù)≥0.996。

1.6 氣相色譜-質(zhì)譜分析條件

汽化室溫度設(shè)置：280 ℃；輔助溫度：300 ℃；離子源溫度：230 ℃；色譜柱：DB-5MS 毛細(xì)管色譜柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm；柱溫：60 ℃保持2 min，以30 ℃/min 速度上升到300 ℃，保持2 min；進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣，40 s 后分流開(kāi)啟；進(jìn)樣量：1 μL；質(zhì)譜掃描方式：選擇離子掃描，溶劑延遲7.0 min，掃描離子質(zhì)荷比（m/z）為102、127、171，定量離子質(zhì)荷比（m/z）為127，定性離子質(zhì)荷比（m/z）為102、171（圖2乙二胺衍生產(chǎn)物質(zhì)譜圖）。

圖2 乙二胺衍生產(chǎn)物質(zhì)譜圖

定量方式：外標(biāo)法。

1.7 方法檢出限

本方法在采用離子掃描方法（SIM），以3 倍噪音比確定檢出限為6 ng/mL，10 倍信噪比確定了定量限為20 ng/mL；當(dāng)定容體積1.0 mL，環(huán)境空氣或無(wú)組織廢氣測(cè)小時(shí)均值，以采集30 L 氣體計(jì)算，最低檢出質(zhì)量濃度0.4 μg/m3；24 h 均值采樣時(shí)，以采樣體積720 L 氣體計(jì)算，最低檢出質(zhì)量濃度為0.02 μg/m3，方法可以滿足《蘇聯(lián).CH245-71 居民區(qū)大氣中有害物質(zhì)的最大允許濃度》的限值要求。

2 討論

2.1 本方法的優(yōu)點(diǎn)

乙二胺由于帶有2 個(gè)胺基，極性強(qiáng)，同時(shí)相對(duì)分子質(zhì)量也偏小，直接用氣質(zhì)或氣相色譜分析存在色譜峰拖尾嚴(yán)重、有用的離子碎片少、儀器靈敏度差無(wú)法滿足環(huán)境空氣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值等問(wèn)題。使用三甲基乙酸酐對(duì)乙二胺進(jìn)行?；磻?yīng)，可以有效降低乙二胺的極性，改善其在色譜峰形狀，此外衍生增大乙二胺的相對(duì)分子質(zhì)量，使得氣質(zhì)分析過(guò)程中有用的離子碎片增多，提高了儀器檢測(cè)乙二胺的靈敏度?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)胺基的衍生有許多種，比如丹磺酰氯、氯甲酸-9-芴甲酯、對(duì)甲苯磺酰氯等，但此類物質(zhì)衍生乙二胺后，衍生產(chǎn)物的沸點(diǎn)太高難以汽化，不適合氣相色譜-質(zhì)譜分析。胺基的另外一大類常用衍生劑氯甲酸酯類，本次研究選擇了氯甲酸酯類中的典型代表氯甲酸異丁酸酯進(jìn)行乙二胺衍生實(shí)驗(yàn)，雖然該衍生劑和乙二胺反應(yīng)速度較快，產(chǎn)物可以在氣相質(zhì)譜上分析，但由于乙二胺和氯甲酸異丁酸酯衍生產(chǎn)物雙胺酯揮發(fā)性較差，靈敏度難以達(dá)到環(huán)境空氣評(píng)價(jià)限值的要求。酸酐類的衍生試劑，本次研究分別選擇了三氟乙酸酐、七氟丁酸酐、乙酸酐、異丁酸酐、三甲基乙酸酐這幾種作了比較，結(jié)果表明，三氟乙酸酐和七氟丁酸酐衍生乙二胺的產(chǎn)物具有更大的揮發(fā)性，氣相質(zhì)譜上分析有用高分子量的離子碎片也更多，但是兩者在水溶液中穩(wěn)定性不佳，尤其是在堿性水中，無(wú)法建立有效的標(biāo)準(zhǔn)曲線，三氟乙酸酐和七氟丁酸酐只有在無(wú)水條件下才能和乙二胺反應(yīng)充分，衍生效果才讓人滿意。而乙酸酐和異丁基酸酐兩者雖然也可以在水相中?；叶?，但兩者的衍生產(chǎn)物在普通DB-5MS 毛細(xì)管色譜柱上仍舊存在一定的拖尾現(xiàn)象，推測(cè)乙二胺經(jīng)過(guò)乙酸酐或異丁酸酐?；螅鄳?yīng)的衍生產(chǎn)物上所帶的乙基或則異丁基在分子空間上不足以完全屏蔽2 個(gè)胺基。相比較而言，三甲基乙酸酐在堿性水溶液中穩(wěn)定性較好，?；磻?yīng)完全，衍生物的沸點(diǎn)和揮發(fā)性都適合于氣相質(zhì)譜進(jìn)行分析，并且衍生物的峰形對(duì)稱尖銳，不存在拖尾現(xiàn)象，線性、靈敏度、穩(wěn)定性均令人滿意。

2.2 采樣管的選擇

職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定堿性硅膠管采樣，但在本次研究中發(fā)現(xiàn)堿性硅膠管的乙二胺的加標(biāo)回收率較低，更換堿性硅膠管廠家后仍然沒(méi)有改善，而使用酸性硅膠，乙二胺加標(biāo)回收率較好，回收率在92%～105%范圍內(nèi)，酸性硅膠管回收率良好的原因是酸性硅膠管除了硅膠可以吸附乙二胺外，硅膠上負(fù)載的硫酸可以迅速和胺類物質(zhì)成鹽，從而將其穩(wěn)定地保留在硅膠采樣管上。

2.3 衍生條件討論

2.3.1 丙酮的加入

三甲基乙酸酐在水溶液性中的溶解度不佳，因此需要加入一定的有機(jī)溶劑讓三甲基乙酸酐和水相互溶。本次研究比較了乙腈、丙酮、N，N-二甲基乙酰胺，甲醇因本身可以和酸酐反應(yīng)排除在外，綜合效果來(lái)看，丙酮是最合適的溶劑，它與水、三甲基乙酸酐的互溶性很好，反應(yīng)結(jié)束后也很容易通過(guò)氮吹方式除去。因此，本方法采用丙酮作為互溶劑加入衍生反應(yīng)，加入量2～3 mL 是合適的，丙酮加入太少三甲基乙酸酐溶解不徹底，太多則樣品被過(guò)度稀釋需要加入更多的三甲基乙酸酐，氮吹時(shí)間也要更長(zhǎng)。本研究加入的丙酮的量定為3 mL。

2.3.2 酰化反應(yīng)pH 的影響

本次研究了pH 為7～12 范圍內(nèi)對(duì)衍生反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)pH 為9.5～10.5 是三甲基乙酸酐進(jìn)行?；磻?yīng)的一個(gè)pH 合適范圍。在此范圍內(nèi)，pH 變化對(duì)衍生的影響不大；但不在此范圍內(nèi)，如相同濃度乙二胺在pH 7～8 條件下衍生出的質(zhì)譜峰面積相當(dāng)于pH 為9.5～10.5 條件下的75%左右；而在pH 為11～12 范圍內(nèi)，相同濃度乙二胺衍生質(zhì)譜峰面積相當(dāng)于pH 為9.5～10.5 條件下的89%左右；因此本研究選擇pH=10 作為衍生乙二胺的pH 條件。

2.3.3 酰化衍生溫度的影響

本方法最佳衍生條件是70 ℃衍生。溫度過(guò)低，如在室溫條件（25 ℃）下乙二胺?；磻?yīng)較慢，反應(yīng)也不徹底，標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性不佳；50～60 ℃已經(jīng)可以比較順利進(jìn)行反應(yīng)，跟70 ℃相比，相同濃度衍生60 min，50～60 ℃衍生的質(zhì)譜峰面積可以達(dá)到70 ℃衍生的93%左右；而更高的衍生溫度，如80 ℃或90 ℃，未能進(jìn)一步提高衍生質(zhì)譜峰面積，峰面積反而略有下降；因此本研究的衍生溫度定為70 ℃。

2.3.4 ?；磻?yīng)時(shí)間的影響

即使70 ℃衍生30 min，乙二胺質(zhì)譜衍生峰面積就可以達(dá)到70 ℃衍生60 min 的94%左右，而更長(zhǎng)的衍生時(shí)間，如70 ℃衍生120 min，質(zhì)譜峰面積未能提高，從衍生效果和時(shí)間效率考慮，本研究的衍生條件定為70 ℃衍生60 min。

2.3.5 三甲基乙酸酐的用量

三甲基乙酸酐用量小于50 μL，如20～30μL 的用量，乙二胺的衍生標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)只有0.992，此外平行樣品的偏差也較大，7 個(gè)平行樣品的RSD 為16%；當(dāng)三甲基乙酸酐到50 μL 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)良好，可以達(dá)到0.996，7 個(gè)平行樣品的RSD 為8.5%；而更多的三甲基乙酸酐用量，如100、150 μL，乙二胺衍生物的標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性、RSD值沒(méi)有進(jìn)一步得到改善，過(guò)多的衍生試劑反而會(huì)在后續(xù)質(zhì)譜分析過(guò)程帶來(lái)更多的干擾。因此，本研究的三甲基乙酸酐的用量定為50 μL。