溶液吸收前处理-高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用测定液化天然气中汞形态

张爱平， 王红卫， 李建军， 封亚辉， 赵秀娟， 范崇光

(1.南通出入境检验检疫局，江苏南通 226004；2.江苏出入境检验检疫局，江苏南京 200001；3.中石油江苏液化天然气有限公司，江苏如东 226400；4.南通大学化学化工学院，江苏南通 226019)

天然气作为三大能源之一，在我国能源产业中发挥着越来越重要的作用[1]。然而，组成天然气的气体物质中含有汞。汞的毒性较大，它在自然界中以金属汞、无机汞和有机汞的形式存在，而汞化合物的生物化学行为和毒性与其化学形态密切相关[2]。无机汞包括一价汞和二价汞，其中一价汞很不稳定；有机汞包括甲基汞、乙基汞、苯基汞等形态。有机汞的毒性大于无机汞的毒性，尤其是甲基汞的毒性最大，乙基汞的毒性虽低于甲基汞，但甲基汞和乙基汞均是脂溶性的，容易被生物体吸收。

目前，汞形态分析的主要手段包括：气相色谱法[3，4]、高效液相色谱法[5，6]、离子色谱法[7]、毛细管电泳法[8]等。高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱法(HPLC-ICP-MS)测定汞形态是最简单、稳定性最好、检测限最低的一种方法。

本实验采用自制的溶液吸收前处理装置，对液化天然气中汞形态进行有效的吸收，实现样品简单快速前处理。在优化仪器条件下，利用HPLC-ICP-MS测定汞形态。方法简便、快速、准确、检出限低，适用于液化天然气中汞形态分析。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

Agilent1200型高效液相色谱仪，Agilent 7700型电感耦合等离子体质谱仪(美国，Agilent公司)。Agilent Zorbax Plus C18色谱柱(150×4.6 mm,5 μm)，Agilent Zorbax Plus C18保护柱(12.5×4.6 mm,5 μm)(美国，Agilent公司)；0.45 μm微孔纤维素滤膜(美国，Agilent公司)。超纯水机(Milli-Q公司)。

HgCl2(100 μg/mL)、氯化甲基汞(MeHgCl)(86.2 μg/g)、氯化乙基汞(EtHgCl)(77.3 μg/g)，均购自国家标准物质中心；氯化苯基汞(PhHgCl)(纯度≥93.8%，LGC公司)。苯基汞标准溶液(95.09 mg/mL)：准确称取0.0158 g PhHgCl，置于100 mL容量瓶中，加甲醇定容。混合标准溶液(100 ng/mL)：移取100 μL HgCl2、116 μL MeHgCl、129 μL EtHgCl和105 μL PhHgCl标准溶液，置于100 mL容量瓶中，加入L-半胱氨酸和乙酸铵+8%甲醇混合溶液定容，制备成100 ng/mL混合标准溶液。吡咯烷二硫代氨基甲酸、2-巯基乙醇、L-半胱氨酸(纯度≥98.6%)、氨水、均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；乙酸铵(美国ROE SCIENTIFIC公司)；甲醇(色谱纯，德国MERCK公司)。10 mmol/L L-半胱氨酸-乙酸铵溶液(pH=7.5)：分别称取1.2116 g L-半胱氨酸和0.7708 g乙酸铵于100 mL烧杯中，加入超纯水溶解，用氨水(1∶1)调节至pH=7.5后,定容至1 000 mL，经0.45 μm滤膜过滤，避光存贮。

1.2 样品前处理

图1 液化天然气样品前处理装置Fig.1 The pretreatment equipment of liquefied natural gas1.the sample bottle of liquefied natural gas;2.Theredactor;3.Flow meter;4 and 5.Flow controller;6.latex pipe;7.brown tube for gas absorption.

自制样品前处理装置见图1。按图1连接设备2～7，并检查气密性。移取10 mL的10 mmol/L L-半胱氨酸-乙酸铵溶液于7棕色气泡吸收管中，接上1液化天然气钢瓶，通过减压阀2减压，3流量计控制在流量5 mL/min，先打开控制阀4，待流量稳定后切换至控制阀5，然后进入7棕色气泡吸收管吸收，时间为10 min。

1.3 HPLC-ICP-MS条件

1.3.1HPLC条件Agilent Zorbax Plus C18色谱柱(150×4.6 mm,5 μm)和保护柱(12.5×4.6 mm,5 μm)；流动相：A为10 mmol/L L-半胱氨酸和乙酸铵溶液(pH=7.5)；B为甲醇；流速:1.00 mL/min；进样量:50 μL；梯度洗脱程序：0.00～3.00 min，92%A；3.00～3.10 min，92%～55%A；3.10～5.00 min，55%A；5.00～5.10 min，55%～92%A，5.10～10.00 min，92%A。

1.3.2ICP-MS条件射频功率：1 600 W；采样深度：8.0 mm；载气流速：0.54 L/min；补偿气流速：0.10 L/min；雾化室温度：-5 ℃；Ni采样锥和截取锥；1.0 mm石英矩管。

1.4 结果计算

试样中汞形态分析结果按照下式计算：

(1)

式中：ci为液化天然气中汞形态含量，ng/mL；c为液化天然气吸收液中汞形态浓度，ng/mL；c0为空白吸收液中汞形态浓度，ng/mL；V为吸收液的体积，mL；Vi为液化天然气通过吸收液的体积，mL；计算结果保留二位有效数字。

2 结果与讨论

2.1 HPLC条件的优化

2.1.1色谱柱的选择分别比较了Thermo scientific C18、DIKMA C18、Agilent Zorbax Plus C18、Eclipse XDB C18以及SB-C18等多种色谱柱对汞形态的分离性能。实验结果表明,几种色谱柱虽都可对汞形态进行分离，但Plus C18柱对二价汞与甲基汞的分离效果最为理想，并且分析时间也相对较短，因此，本实验选择Plus C18柱(150×4.6 mm,5 mm)对四种汞形态进行分离分析。

2.1.2络合剂的选择在反相液相色谱中，常选用适当的络合剂与各种汞形态结合，形成非极性化合物后在色谱柱上进行分离[2，9]。常用的络合剂多为含硫化合物，本实验考察了吡咯烷二硫代氨基甲酸、2-巯基乙醇和L-半胱氨酸三种络合剂。实验表明：吡咯烷二硫代氨基甲酸与色谱柱络合强度大，洗脱时间长，不利于汞形态的分析；2-巯基乙醇的亲水性较强，与汞形成的络合物在色谱柱上保留较弱，而且不稳定；只有L-半胱氨酸是分离汞形态的理想选择，因此，本实验选择L-半胱氨酸作为汞形态分析的络合配体。随着L-半胱氨酸浓度增加，四种汞形态的分离度、峰形和基线均有明显的改善；但L-半胱氨酸的加入量过高时，对色谱柱的损害较大，寿命会变短，同时容易在ICP-MS锥口沉积，影响实验结果。综合考虑，选择10 mmol/L的L-半胱氨酸作为流动相。

图2 标准溶液(a)和样品溶液(b)的色谱图Fig.2 The chromatogram of standard solution(a) and sample solution(b)

2.1.3溶液pH值的选择考察了流动相的pH值对各种汞形态分离效果的影响。实验结果表明，pH值在4.0～10.0范围内，随着pH值增加，四种汞形态的保留时间延长，峰高有所降低。综合考虑本实验选择流动相的pH值为7.5。实验结果表明，随着乙酸铵浓度的增加，各种汞形态峰形更加稳定，拖尾现象得到改善。当乙酸铵浓度达到10 mmol/L以上时，增加其浓度对色谱峰影响不再明显，因此选择10 mmol/L乙酸铵作为缓冲溶液。

1.3.1优化色谱条件下，不同汞形态的色谱图见图2。

2.2 ICP-MS条件的优化

实验测定PhHgCl，需要增大甲醇比例，易导致ICP-MS熄火。为了解决ICP-MS熄火问题，往往采用价格昂贵的Pt采样锥和截取锥，并且需要在载气中加入一定量的氧气[10]。本实验采用1.0 mm石英矩管直接进样，避免了价格昂贵的Pt采样锥和截取锥，以及氧气的引入，并且得到了很好的实验结果。补偿气流会影响组分的分离度和检测灵敏度，因此优化了补偿气流速。当补偿气流速从0.00 L/min逐渐增加到0.10 L/min时，汞形态可以实现很好地分离，并且灵敏度亦增加至最强。再次增加补偿气流速后，汞形态的信号强度逐渐降低。因此，选择补偿气流速0.10 L/min为最佳条件。另外，考察了采样深度和雾化室温度，选择了采样深度8.0 mm和雾化室温度-5 ℃的最佳实验条件。

2.3 标准曲线和检出限

分别移取0.00，1.00，2.00，3.00，4.00，5.00 mL的混合标准溶液于100 mL容量瓶中，以10 mmol/L L-半胱氨酸-乙酸铵+8%甲醇混合溶液定容，制备成0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 ng/mL系列混合标准溶液，以四种汞形态的响应面积(Y)和浓度(X)进行线性回归得到标准曲线，结果表明在此线性范围内具有良好的线性关系。以3倍信噪比(S/N≥3)计算方法的检出限,四种汞形态的检出限在0.013～0.049之间。保留时间、线性方程、线性范围、相关系数、检出限等见表1。

表1 线性参数和检出限

2.4 方法的加标回收率和精密度

选取液化天然气样品三份，按照实验方法进行处理，处理后在棕色气泡吸收管中加入加标溶液，在上述优化的条件下将上述收溶液通过0.45 μm微孔纤维素滤膜过滤后，HPLC-ICP-MS法测定。实验结果如表2所示，加标回收率在79.0%～96.0%之间，相对标准偏差(RSD)在2.2%～4.2%之间，结果表明建立的方法具有较好的准确度和精密度。

表2 方法的精密度和加标回收率

2.5 样品分析

取某一进口液化天然气样品，根据本文前处理方法，所得吸收液通过0.45 μm微孔纤维素滤膜过滤后，在上述优化的条件下HPLC-ICP-MS法测定。实验结果显示，该液化天然气中含0.022 ng/mL的无机汞，0.35 ng/mL的甲基汞，未发现乙基汞，也未发现苯基汞(流动相梯度洗脱导致的基线漂移)。

3 结论

本文采用自制的溶液吸收前处理装置，保持待测样品中汞形态不变，装置简单、快速、易于操作，结合高选择性高灵敏度的HPLC和ICP-MS联用技术，建立液化天然气中汞形态快速分离检测的方法。本方法采用的样品前处理操作简单，溶剂用量少，适用于不同形态汞的快速提取、分离与测定。同时可为其它气体样品中汞形态测定提供技术支持。