三甲基乙酸酐衍生气相质谱检测空气中乙二胺的方法

安建华，韦红映，陈 洁

（杭州普洛赛斯检测科技有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

乙二胺是一种重要的化工原料，具有典型氨味、刺激和腐蚀性，属于低毒化学品，被广泛应用于化工、医药、其他制造业当中。由于其易挥发,在制作施工中逸散在空气中，对人体呼吸道黏膜及视角膜造成腐蚀危害。目前我国工作场所空气标准[1]中规定工作场所空气中乙二胺的时间加权平均容许质量浓度为4 mg/m3，短时间接触容许质量浓度10 mg/m3。而对于环境空气和无组织废气的限值，国家暂未制定标准，环境空气评价目前通行的一般是参照《苏联.CH245-71 居民区大气中有害物质的最大允许浓度》的限值，其中规定乙二胺最大一次允许质量浓度为0.001 mg/m3（1 μg/m3），24 h 最大允许质量浓度也为0.001 mg/m3，环境空气的限值要求比工作场所要低很多，对于分析者来说环境空气和无组织废气乙二胺检测也更具有挑战性。检测标准方面，国家标准职业卫生方法[2]规定乙二胺用碱性硅胶管采样，硫酸水溶液解吸，再用氢氧化钠水溶液中和后进气相色谱（配备FID 检测器）分析，乙二胺检出限为3.9 μg/mL，若按照这个标准检测环境空气或无组织空气，即使以0.5 L/min 采样120 min 环境空气，采样体积60 L 计算，乙二胺最低检出质量浓度为0.26 mg/m3，显然高于0.001 mg/m3评价标准。该标准要用于环境空气中乙二胺的检测，是无法满足环境空气的评价的要求的。环境空气的检测标准[3]规定使用0.1 mol/L 硫酸水溶液作为吸收液，阳离子色谱法直接分析氨、甲胺、二甲胺、三甲胺4 种物质，但标准上并未涉及乙二胺检测相关内容。在另外一个环境空气国家标准[4]，标准使用0.06 mol/L 硫酸水溶液作为吸收液，加碱性中和后，顶空进样-气相色谱分析环境空气和废气中三甲胺，（FID/NPD 两种检测器均可），色谱柱为碱性脱活的100%二甲基聚硅氧烷毛细管柱，标准中除了三甲胺检测的内容外，还有其他关于胺的同系物如氨、甲胺、二甲胺、乙胺、二乙胺、三乙胺几个物质的检测内容，但标准也同样没有提到乙二胺。除国家标准外，各家学者对于乙二胺的检测研究也有很多，主要检测方法除了气相色谱法外，还有离子色谱法、衍生-高效液相色谱法、高效液相-串联液质法等。高效液相色谱法如吴川等[5]考虑到乙二胺极性强，气相分析困难，并且乙二胺没有紫外或荧光基团、在普通C18 液相色谱柱上保留时间短等问题，使用丹磺酰氯在弱碱条件衍生乙二胺，乙酸乙酯萃取后，进高效液相色谱仪器，用DAD 紫外检测器检测，乙二胺衍生物在质量浓度为0.898～71.84 mg/L呈线良好性关系，最低检出质量浓度为0.070 mg/m3（以采样体积3.0 L 计）。张琳等[6]使用氯甲酸-9-芴甲酯在弱碱条件下对18 种脂肪胺类（含乙二胺）进行衍生，用荧光-高效液相色谱法检测，也收到了较好的检测效果。高效液相-串联液质法如穆丽娜等[7]使用对甲苯磺酰氯衍生药品西格列汀中的杂质乙二胺后，用高效液相-串联质谱检测乙二胺衍生物含量，ESI+模式、多反应监测，线性范围0.50～33.5 μg/L，检出限0.55 μg/L。离子色谱法如王莉等[8]建立了离子色谱法检测吡嗪盐酸盐中乙二胺，在0.054～0.864 μg/mL质量浓度范围内乙二胺线性良好，检出限0.018 μg/mL。综合以上国家标准和各研究者成果来看，检测乙二胺方法有多种，各有优点，也存在一些不足，如气相色谱、高效液相、离子色谱法此类仪器性价比高，各类实验室配备比较普遍，仪器容易学习和操作，但该类仪器对化合物定性能力稍弱。高效液相-串联质谱法检测限低、定性能力强，但仪器较为昂贵，操作较为复杂。因此，开发一种检测限低、定性能力强、所用仪器的普及率高的检测方法非常有必要，气相色谱-质谱仪器就是一种比较适合的仪器种类，开发气相色谱-质谱法检测环境和无组织空气中乙二胺非常符合设想要求的。

1 实验部分

1.1 仪器和装置

7890A-5975C 气相色谱-质谱联用仪器，安捷伦公司，配备EI 离子源；烘箱，上海博迅实业有限公司医疗设备厂；水浴氮吹仪，上海安谱实验科技股份有限公司；万分之一电子天平，梅特勒公司。

1.2 材料与试剂

乙二胺，色谱纯试剂，纯度≥99.5%，国药集团化学试剂公司；三甲基乙酸酐，分析纯，纯度≥99.5%，北京百灵威科技有限公司；丙酮，农残级试剂，纯度≥99.8%，上海安谱实验科技股份有限公司；乙酸乙酯，农残级试剂，纯度≥99.8%，北京百灵威科技有限公司；碳酸钠，分析纯，纯度99.8%，天津科密欧化学试剂有限公司；酸性硅胶管，内填200/100 mg 硅胶，硅胶硫酸负载量60 mg，北京劳保所科技发展有限责任公司。

1.3 样品的采样、运输和保存

1.3.1 小时均值和24 h 均值的采样

环境空气和无组织废气的采样方式一般分为小时均值和24 h 均值两种，采样将酸性硅胶管两端截断打开，以0.5 L/min 流量采集60 min 为小时均值采样；以0.5 L/min 流量采集24 h 则为24 h 均值采样。

1.3.2 样品运输和保存

样品采集完毕，立即封闭硅胶管的进气和出气口，然后置于清洁包装容器中进行运输，尽快送回实验室，如样品不能及时分析，应该于4 ℃下保存，7 d内应完成分析工作。

1.4 样品前处理和衍生

1）硅胶管用小砂轮隔开，取出里面的硅胶，倒入解吸管内，加入0.50 g 碳酸钠，纯水4 mL，涡旋萃取30 s，此时萃取液pH 为10 左右。

2）用移液管移取萃取液2 mL，放入20 mL 的顶空瓶内，加入丙酮3 mL，三甲基乙酸酐50 μL，加盖密封，放入70 ℃烘箱内衍生1 h（反应方程式见图1）。

图1 乙二胺的三甲基乙酰化

3）衍生完毕，将顶空瓶冷却至室温，开盖45 ℃水浴氮吹至2 mL，加入乙酸乙酯1 mL，涡旋萃取30 s，静置分层后取乙酸乙酯层装入进样小瓶内，进气相色谱-质谱仪器分析。

1.5 标准溶液的制作

1）用万分之一的天平称取乙二胺试剂25 mg 到25 mL 容量瓶内，加入纯水溶液定容至刻度，配成质量浓度为1 000 μg/mL 的乙二胺准溶液，用纯水逐步稀释至4 μg/mL 的乙二胺工作液。

2）取7 支酸性硅胶，将管内的硅胶取出后放入7 支解吸管内，各加入0.50 g 碳酸钠，纯水4 mL，涡旋30 s，静置后取各取解吸液2 mL 到7 个20 mL 的顶空瓶内，备用。

3）每个顶空瓶内加入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，加盖密封，放入70 ℃烘箱内衍生1 h，其余操作同样品，标准曲线的质量浓度分别为0.00、0.02、0.04、0.08、0.16、0.32、0.64 μg/mL。本研究对标准曲线制备进行了6 次平行实验，线性相关系数良好，相关系数≥0.996。

1.6 气相色谱-质谱分析条件

汽化室温度设置：280 ℃；辅助温度：300 ℃；离子源温度：230 ℃；色谱柱：DB-5MS 毛细管色谱柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm；柱温：60 ℃保持2 min，以30 ℃/min 速度上升到300 ℃，保持2 min；进样方式：不分流进样，40 s 后分流开启；进样量：1 μL；质谱扫描方式：选择离子扫描，溶剂延迟7.0 min，扫描离子质荷比（m/z）为102、127、171，定量离子质荷比（m/z）为127，定性离子质荷比（m/z）为102、171（图2乙二胺衍生产物质谱图）。

图2 乙二胺衍生产物质谱图

定量方式：外标法。

1.7 方法检出限

本方法在采用离子扫描方法（SIM），以3 倍噪音比确定检出限为6 ng/mL，10 倍信噪比确定了定量限为20 ng/mL；当定容体积1.0 mL，环境空气或无组织废气测小时均值，以采集30 L 气体计算，最低检出质量浓度0.4 μg/m3；24 h 均值采样时，以采样体积720 L 气体计算，最低检出质量浓度为0.02 μg/m3，方法可以满足《苏联.CH245-71 居民区大气中有害物质的最大允许浓度》的限值要求。

2 讨论

2.1 本方法的优点

乙二胺由于带有2 个胺基，极性强，同时相对分子质量也偏小，直接用气质或气相色谱分析存在色谱峰拖尾严重、有用的离子碎片少、仪器灵敏度差无法满足环境空气的评价标准限值等问题。使用三甲基乙酸酐对乙二胺进行酰化反应，可以有效降低乙二胺的极性，改善其在色谱峰形状，此外衍生增大乙二胺的相对分子质量，使得气质分析过程中有用的离子碎片增多，提高了仪器检测乙二胺的灵敏度。现有技术对胺基的衍生有许多种，比如丹磺酰氯、氯甲酸-9-芴甲酯、对甲苯磺酰氯等，但此类物质衍生乙二胺后，衍生产物的沸点太高难以汽化，不适合气相色谱-质谱分析。胺基的另外一大类常用衍生剂氯甲酸酯类，本次研究选择了氯甲酸酯类中的典型代表氯甲酸异丁酸酯进行乙二胺衍生实验，虽然该衍生剂和乙二胺反应速度较快，产物可以在气相质谱上分析，但由于乙二胺和氯甲酸异丁酸酯衍生产物双胺酯挥发性较差，灵敏度难以达到环境空气评价限值的要求。酸酐类的衍生试剂，本次研究分别选择了三氟乙酸酐、七氟丁酸酐、乙酸酐、异丁酸酐、三甲基乙酸酐这几种作了比较，结果表明，三氟乙酸酐和七氟丁酸酐衍生乙二胺的产物具有更大的挥发性，气相质谱上分析有用高分子量的离子碎片也更多，但是两者在水溶液中稳定性不佳，尤其是在碱性水中，无法建立有效的标准曲线，三氟乙酸酐和七氟丁酸酐只有在无水条件下才能和乙二胺反应充分，衍生效果才让人满意。而乙酸酐和异丁基酸酐两者虽然也可以在水相中酰化乙二胺，但两者的衍生产物在普通DB-5MS 毛细管色谱柱上仍旧存在一定的拖尾现象，推测乙二胺经过乙酸酐或异丁酸酐酰化后，相应的衍生产物上所带的乙基或则异丁基在分子空间上不足以完全屏蔽2 个胺基。相比较而言，三甲基乙酸酐在碱性水溶液中稳定性较好，酰化反应完全，衍生物的沸点和挥发性都适合于气相质谱进行分析，并且衍生物的峰形对称尖锐，不存在拖尾现象，线性、灵敏度、稳定性均令人满意。

2.2 采样管的选择

职业卫生标准[2]规定碱性硅胶管采样，但在本次研究中发现碱性硅胶管的乙二胺的加标回收率较低，更换碱性硅胶管厂家后仍然没有改善，而使用酸性硅胶，乙二胺加标回收率较好，回收率在92%～105%范围内，酸性硅胶管回收率良好的原因是酸性硅胶管除了硅胶可以吸附乙二胺外，硅胶上负载的硫酸可以迅速和胺类物质成盐，从而将其稳定地保留在硅胶采样管上。

2.3 衍生条件讨论

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机溶剂让三甲基乙酸酐和水相互溶。本次研究比较了乙腈、丙酮、N，N-二甲基乙酰胺，甲醇因本身可以和酸酐反应排除在外，综合效果来看，丙酮是最合适的溶剂，它与水、三甲基乙酸酐的互溶性很好，反应结束后也很容易通过氮吹方式除去。因此，本方法采用丙酮作为互溶剂加入衍生反应，加入量2～3 mL 是合适的，丙酮加入太少三甲基乙酸酐溶解不彻底，太多则样品被过度稀释需要加入更多的三甲基乙酸酐，氮吹时间也要更长。本研究加入的丙酮的量定为3 mL。

2.3.2 酰化反应pH 的影响

本次研究了pH 为7～12 范围内对衍生反应的影响，发现pH 为9.5～10.5 是三甲基乙酸酐进行酰化反应的一个pH 合适范围。在此范围内，pH 变化对衍生的影响不大；但不在此范围内，如相同浓度乙二胺在pH 7～8 条件下衍生出的质谱峰面积相当于pH 为9.5～10.5 条件下的75%左右；而在pH 为11～12 范围内，相同浓度乙二胺衍生质谱峰面积相当于pH 为9.5～10.5 条件下的89%左右；因此本研究选择pH=10 作为衍生乙二胺的pH 条件。

2.3.3 酰化衍生温度的影响

本方法最佳衍生条件是70 ℃衍生。温度过低，如在室温条件（25 ℃）下乙二胺酰化反应较慢，反应也不彻底，标准曲线的线性不佳；50～60 ℃已经可以比较顺利进行反应，跟70 ℃相比，相同浓度衍生60 min，50～60 ℃衍生的质谱峰面积可以达到70 ℃衍生的93%左右；而更高的衍生温度，如80 ℃或90 ℃，未能进一步提高衍生质谱峰面积，峰面积反而略有下降；因此本研究的衍生温度定为70 ℃。

2.3.4 酰化反应时间的影响

即使70 ℃衍生30 min，乙二胺质谱衍生峰面积就可以达到70 ℃衍生60 min 的94%左右，而更长的衍生时间，如70 ℃衍生120 min，质谱峰面积未能提高，从衍生效果和时间效率考虑，本研究的衍生条件定为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，乙二胺的衍生标准曲线的线性相关系数只有0.992，此外平行样品的偏差也较大，7 个平行样品的RSD 为16%；当三甲基乙酸酐到50 μL 时，标准曲线的线性相关系数良好，可以达到0.996，7 个平行样品的RSD 为8.5%；而更多的三甲基乙酸酐用量，如100、150 μL，乙二胺衍生物的标准曲线的线性、RSD值没有进一步得到改善，过多的衍生试剂反而会在后续质谱分析过程带来更多的干扰。因此，本研究的三甲基乙酸酐的用量定为50 μL。