气相色谱质谱法测定大气颗粒物中的有机胺类物质

刘凤娴 ��毕新慧 ��任照芳 张国华 王新明 彭平安 盛国英

摘要 建立了大气颗粒物中有机胺类物质的气相色谱质谱（GCMS）分析方法。样品用超纯水超声萃取，然后在碱性条件下，用苯磺酰氯（Benzenesulfonyl chloride，BSC）衍生化，衍生物用二氯甲烷萃取，最后用DB5MS色谱柱分离测定，实现了13种有机胺（包括7种脂肪胺、2种杂环胺和4种芳香胺）的同时测定。本方法的仪器检出限（S/N=3）和定量限（S/N=10）分别为0.00008～0.017 μg/mL和0.00026～0.0565 μg/mL； 标准曲线线性相关系数为0.9903～0.9996，相关性良好；相对标准偏差（RSD）均小于30%， 除低浓度加标水平的甲胺和苯甲胺，其余样品基质加标平均回收率为54.4%～159.7%，大部分胺具有较高的精密度与准确度。将本方法应用于广州城区PM2.5样品的检测， 共检出有机胺9种，其中甲胺、二甲胺和二丁胺约占9种有机胺总和的90%，是PM2.5中主要胺类物质，而丙胺浓度最低，浓度小于1.0 ng/m3。

关键词 大气颗粒物； 有机胺； 气相色谱质谱

1引 言

胺是氨分子中一个或多个氢原子被烃基取代后的衍生物，根据取代基不同可将胺分为脂肪胺、醇胺、酰胺、芳香胺和杂环胺等。气溶胶中的有机胺来源广泛，既有自然来源，包括海洋、森林火灾、植被以及土壤等；又有人为来源，包括畜牧养殖业、工业排放、堆肥及机动车尾气等[1～6]。大部分有机胺具有毒性和過敏性，对眼睛、鼻子、皮肤及呼吸道有刺激性，对肝脏和肾也有损伤，还可与亚硝酸盐反应，形成具有强致癌性的亚硝胺类物质，对人体健康造成较大影响[1，7]。胺在大气中主要发生3种反应[8]：与酸性物质（如硫酸、硝酸等）发生酸碱反应；与羰基化合物反应，生成亚胺、烯胺和胺类聚合物；与臭氧、OH等氧化剂发生反应。胺可促进新粒子形成及亚微粒子增长，并参与二次有机气溶胶（Secondary organic aerosol， SOA）的形成，直接或间接影响环境空气质量和区域气候变化。有研究报道，在美国犹他州冬季一些时段， 细颗粒中有机胺质量达到有机物质量的20%[9]。

近年来，有机胺逐渐成为大气环境科学领域的研究热点之一。气溶胶中有机胺的分析检测应用较多的是气相色谱（Gas chromatography，GC）联合不同的检测器、高效液相色谱（High performance liquid chromatography，HPLC）及离子色谱法（Ion chromatography，IC）等。如Akyuz[10]运用衍生化试剂（氯甲酸异丁酯）萃取并用GCMS分析测试，得到PM2.5和PM10中脂肪胺和芳香胺共34种有机胺的浓度水平；董雪玲等[11，12]利用高效液相色谱法研究了北京市不同季节PM10中6种杂环胺的浓度；Tao等[13]利用离子色谱分析法分析了上海市新粒子形成事件期间不同粒径段颗粒物中6种有机胺。GCMS分析前需要将样品衍生化，常用的衍生化技术有酰基化、甲硅烷基化、二硝基苯基化、完全甲基化[14，15]等，费时且容易产生副反应；HPLC容易产生“柱外效应”[16]；运用IC分析尽管预处理过程简单，无需衍生化，但只能分析几种分子量较低的脂肪胺和醇胺，且二乙胺和三甲胺难以分开。

本研究借鉴Zhang等[17]对水样品处理的方法，建立一种快速、简单测定大气颗粒物中胺类物质的方法。本方法衍生化过程无需添加其它试剂作为催化剂，只需在碱性条件下常温搅拌即可完成，省时且操作简单。本研究优化了升温程序，在已报道的7种脂肪胺和2种杂环胺基础上， 确定了4种芳香胺的定性和定量离子，并将本方法应用于实际大气颗粒物中胺类物质的测定，为进一步开展气溶胶中有机胺类物质环境行为的研究提供了技术支持。

2实验部分

2.1仪器与试剂

KQ500DE型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；HJ6A多头数显恒温磁力搅拌器（常州澳华仪器有限公司）；R300型旋转蒸发仪（瑞士Buchi公司）；BF2000型氮气吹干仪（北京八方世纪科技有限公司）；7890A5979C型气相色谱质谱仪（美国Agilent公司）。

二氯甲烷（农残级，德国CNW公司）；甲醇、正己烷（LC级，德国Merck公司）；无水Na2SO4（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），使用前在450℃条件下灼烧； NaOH（分析纯，广州化学试剂厂）；HCl（分析纯，36.5%，广州牌化学试剂）； Na2CO3（分析纯，天津市诺克科技发展有限公司）；苯磺酰氯（Benzenesulfonyl chloride， BSC，99%，北京百灵威科技有限公司），作为衍生化试剂使用；六甲基苯（99%，德国Dr. Ehrenstorfer公司），作为内标指示剂使用；二甲胺d6（99%，加拿大 Toronto Research Chemicals公司）作为回收率指示剂使用。实验用水为超纯水（18.25 MΩ cm）。

标样信息：标样共有13种，分别为7种脂肪胺，包括甲胺（2500 μg/mL，美国Accustandard公司），二甲胺、乙胺（10 mg/mL的甲醇溶液，加拿大Toronto Research Chemicals公司），正丙胺（1.0 mg/mL的甲醇溶液，美国Accustandard公司），二乙胺、正丁胺和二丁胺（高纯试剂，德国Dr. Ehrenstorfer公司）；2种杂环胺，包括四氢吡咯（高纯试剂，德国Dr. Ehrenstorfer公司）和吗啉（高纯试剂，北京百灵威科技有限〖CM（44公司）；以及4种芳香胺，包括N甲基苯胺、苯甲胺（均为99%，德国Dr. Ehrenstorfer公司），2乙基苯胺〖CM）

（99%，北京百灵威科技有限公司）和4乙基〖ZH（苯胺和（99%，日本TCI公司）。13种有机胺的结构式及分子量见表1。

2.2样品采集

采样器为美国Anderson仪器公司的PM2.5大流量采样器，采样前校准流量为1.13 m3/min。采样滤膜为石英滤膜，采样前在马弗炉中500℃条件下灼烧4 h。采样前后将滤膜在恒温恒湿箱（温度为25℃，相对湿度为50%）中放置24 h，平衡后再称重。样品放在Symbolm@@ 40℃保存待分析。本研究于2014年10月1～3日在中国科学院广州地球化学研究所标本楼楼顶采集PM2.5样品，每个样品连续采集24 h。

2.3样品预处理

取1/4采样滤膜剪碎置于棕色瓶中，加20 mL超纯水超声15 min，重复超声3次，将超声后的溶液合并至平底烧瓶中。加入4 mL 10 mol/L NaOH溶液、1 mL BSC，密封，常温下磁力搅拌30 min。在平底烧瓶中加5 mL 10 mol/L NaOH溶液，密封，在80℃条件下搅拌30 min。将平底烧瓶放置在冰水中慢慢冷却到室温，将溶液转移到分液漏斗中，用36.5% HCl调至pH=5.5。用10 mL二氯甲烷提取有机相，将有机相收集在梨形瓶中。用10 mL 0.05 mol/L Na2CO3溶液洗〖ZH）涤有机相，用无水Na2SO4干燥，旋转蒸发至约1 mL。 将样品转移到细胞瓶中， 柔和N2流下吹干，加内标，定容至特定体积，然后进行GCMS分析。

2.4标样溶液配制

先用甲醇将13种有机胺标样配制为100 μg/mL的混合標样，然后取1 mL进行衍生化，衍生化后的溶液最终定容至1 mL。将衍生化后的标样稀释为不同的浓度梯度，分别为0.05， 0.1， 0.2， 0.5， 1.0， 2.0， 5.0， 8.0， 10， 15， 20和25 μg/mL。

2.5色谱条件

色谱柱：DB5MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，美国Agilent公司）；色谱柱升温程序：80℃ （1 min）， 5℃/min→180℃， 10℃/min→240℃， 25℃/min→290℃ （10 min）；进样口温度：290℃，气质传输线温度：290℃；载气：高纯氦气；流量：1.56 mL/min；进样方式：不分流进样；质谱离子源：电子轰击源（EI，70 eV）；质谱扫描质量范围：m/z 50～m/z 450。

2.6质量控制与质量保证

对溶剂空白、基质空白（即空白滤膜）进行超声萃取、衍生化和仪器分析。结果显示基质空白所测得的结果与溶剂空白一致，说明基质对分析方法没有影响，而溶剂空白中13种胺测得浓度均低于实际样品的1%，因此在测定实际样品时没有扣除背景值。在分析实际样品时，每个样品均加入回收率指示剂，以指示整个分析过程的回收情况。

3结果与讨论

3.1方法的优化

3.1.1目标物的确定表2中编号为1～9的物质的定性和定量离子参考文献＼[17＼]，而后4种物质的定性和定量离子是结合衍生化反应并运用单标确定的。以N甲基苯胺为例衍生化反应见图1。

N甲基苯胺取代衍生物（C13H13NO2S）的分子量为247，〖JG（S〖ZJYN〖JG）键及苯环与N之间的〖JG（C〖ZJYN〖JG）易断开，故理论推断离子碎片应有C6H5，C7H8N，C6H5O2S及衍生物分子，分别对应m/z 77，106，141和247。运用单标验证，选择丰度较大的m/z 77，106和247，进行定性和定量分析。其它3种苯胺类物质定性和定量离子也用同样的方法确定。13种胺的定性及定量离子见表2。

〖KH*4D

3.1.2萃取剂的选择及色谱条件的优化有机胺是一类极性较强的有机化合物，易溶于水，文献＼[17＼]报道所测的基质为水样样品，故本研究用超纯水作为萃取剂。当升温程序参照文献＼[17＼]设定时，即120℃ （3 min）， 5℃/min→220℃， 10℃/min→290℃ （5 min），DMA与一个杂质峰很难分开。不断调整升温程序，当采用2.5节所述的升温条件，得到了最佳出峰状态。总离子流图见图2，其中 （1）和（2）分别为内标六甲基苯和回收率指示剂二甲胺d6。

3.2方法验证

3.2.1标准曲线与线性关系用不同浓度梯度绘制的标准曲线，线性相关系数（R2）为0.9903～09996，相关性良好。标样回归方程见表2。

3.2.2回收率、检出限及精密度用空白基质加标样来计算各胺的回收率，共设置3个浓度梯度1.0， 5.0和10.0 μg/mL，并计算测定结果的相对标准偏差，反映结果的精密度和平行性。用50 ng/mL标样进GCMS分析，计算各目标物的信噪比，然后分别计算S/N=3和S/N=10时13种有机胺的浓度，即仪器检出限和定量限。13种胺标样的回收率、检出限及精密度等见表3。

在低浓度段（1.0 μg/mL），各胺回收率范围为75.2%～237.9%，回收率普遍较高，说明低浓度段各胺受仪器影响较大，对应相对标准偏差范围为0.07%～28.9%；在中浓度段（5.0 μg/mL）和高浓度段（10.0 μg/mL）各胺回收率范围为70.2%～1144%和54.4%～98.4%，大部分均位于60%～120%之间，对应相对标准偏差范围为3.3%～227%和0.02%～22.9%， 说明方法平行性好。综上所述，本实验预处理方法效果良好。

3.3实际样品分析

采用2.2节预处理方法对采集样品进行处理，并在2.5节所述的色谱条件下进行GCMS分析。结果表明，在PM2.5中检测到9种有机胺，分别为甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、丙胺、丁胺、二丁胺、四氢吡咯和吗啉。具体结果见表4。9种胺相比，甲胺浓度最高，其次为二甲胺，其中，甲胺、二甲胺和二丁胺约占9种有机胺总和的90%，是PM2.5中主要胺类物质，而丙胺浓度最低，浓度低于1 ng/m3（图3）。

4結 论

本研究在文献＼[17＼]方法的基础上，建立了用于测定大气颗粒物中有机胺的GCMS方法。 采用超纯水作为萃取剂，并运用超声萃取（3次，共耗时45 min）提取颗粒物中有机胺，与传统索氏抽提（一般48 h）相比，时间明显缩短；衍生化过程在10 mol/L NaOH中进行，加入BSC，无需添加其它试剂，整个过程共需1 h， 省时且操作简单。测定的有机胺种类，除了文献中报道的脂肪胺外，本方法还通过理论推断和单标验证，增加了4种苯胺类有机胺的测定，实现了13种胺、内标指示物和回收率指示物很好的分离。在PM2.5中测得9种有机胺，分别为甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、丙胺、丁胺、二丁胺、四氢吡咯和吗啉，其中，甲胺、二甲胺和二丁胺约占9种有机胺总和的90%，是PM2.5中主要胺类物质，而丙胺浓度最低，浓度低于1 ng/m3。

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AbstractA method was developed for determination of thirteen amines including seven aliphatic amines， two heterocyclic amines and four aromatic amines in atmospheric particulate matter （PM） by gas chromatographymass spectrometry （GCMS）. Samples were ultrasonically extracted with ultrapure water and derivatized with benzenesulfonyl chloride （BSC） under alkaline conditions. The derivatives were extracted with dichloromethane and then detected by GCMS using DB5MS chromatographic column. The method detection limit （S/N=3） and quantitation limit （S/N=10） were 0.00008-0.017 μg/mL and 0.00026-0.0565 μg/mL respectively， and the correlation coefficients were 0.9903-0.9996， which indicated that the standard curve had good linear correlation. In addition， the relative standard deviation was less than 30% and the average recovery was 54.4%-159.7% except for methylamine and benzylamine at spiked level of 1.0 μg/mL， showing high precision and accuracy. 9 kinds of amines were detected in the PM2.5 samples collected in Guangzhou city by this method， among which dimethylamine and butylamine accounted for 90% of the total nine amines， which indicated that they were primary amines in PM2.5； while propylamine exhibited the lowest level in PM2.5 with the concentration less than 1.0 ng/m3.

KeywordsAtmospheric particulates； Amines； Gas chromatographymass spectrometry

（Received 18 January 2017； accepted 17 February 2017）

This work was supported by the Major Research Plan of the National Natural Science Foundation of China （No.91544101）