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【中國環(huán)保在線 技術(shù)前沿】“揮發(fā)性有機(jī)化合物是大氣環(huán)境中的重點(diǎn)污染物之一，加強(qiáng)對它的監(jiān)測研究越來越多。其中有作用的技術(shù)之一----罐采樣-GC/MS結(jié)合技術(shù)。本文就著重介紹其概述與進(jìn)展的情況。
VOCs氣態(tài)污染物監(jiān)測：罐采樣-GC/MS結(jié)合技術(shù)概述與進(jìn)展
氣態(tài)揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的污染嚴(yán)重威脅人們的健康，因而對它的監(jiān)測技術(shù)的研究也越來越多。其中罐采樣與氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用的檢測技術(shù)在VOCs氣態(tài)污染物測定中的應(yīng)用逐步受到關(guān)注。對罐采樣技術(shù)進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹了罐采樣與氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在環(huán)境空氣、室內(nèi)空氣、廢氣中VOCs檢測的應(yīng)用。
“揮發(fā)性有機(jī)化合物是大氣環(huán)境中的重點(diǎn)污染物之一，其主要成分為烴類、含氧烴類、含鹵烴類、氮烴及硫烴類、低沸點(diǎn)的多環(huán)芳烴類等，種類繁多且成分復(fù)雜。
環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物主要來源于工業(yè)廢氣、汽車尾氣、光化學(xué)污染物等。此類化合物大多有毒性及一定的刺激性氣味，易被皮膚、黏膜等吸收，具有致突變、致畸、致癌性，對人體的健康產(chǎn)生有不可估量的損害，已日益受到人們的關(guān)注，成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。
一般的VOCs采樣分析方法如吸附解析法、熱脫附法等，由于靈敏度較差、采樣時間長、通用性較差等缺陷使其使用有一定的局限性。而Summa罐采樣法可以克服上述不足，是目前空氣采樣中比較好的方法。本文詳細(xì)介紹了罐采樣方法及其與氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在VOCs檢測中的應(yīng)用。
1 罐采樣技術(shù)
“罐采樣主要是通過罐內(nèi)負(fù)壓自動采集現(xiàn)場空氣，能夠完全還原現(xiàn)場空氣狀態(tài)。
氣體樣品采集后，在Summa罐中保存穩(wěn)定，尤其是樣品放在經(jīng)過硅烷化處理過的Summa罐中可以保存幾個月。李振國發(fā)現(xiàn)在某些情況下，氣罐中的氣體混合物組分將發(fā)生改變以至于不能代表被采集的樣品。氣罐表面面積有限，所有的氣體都爭可提供的活性點(diǎn)，因此不能確定存儲穩(wěn)定期限，幸運(yùn)的是在正常采集環(huán)境空氣的使用條件下，即使儲存30天罐中的大多數(shù)VOCs都接近它們原始的濃度。另外罐采樣還可用泵加壓技術(shù)增大采樣體積使得樣品壓力達(dá)到10~20倍大氣壓，用于分析的樣品量大大增加 。Bottenheim 等 使用加不銹鋼泵的2.6L電拋光罐采集樣品，使罐壓終達(dá)到 2.58 atm。 Grosjean 等使用電拋光罐采樣GC-FID和GC-MS聯(lián)用法對巴西某市空氣進(jìn)行分析，采樣時利用泵將罐加壓到30磅，研究檢測出空氣中所含的150種VOCs。因此，加壓增大采樣體積能減少采樣過程中污染和吸附損失造成的影響。
“Summa罐的罐體主要有拋光處理和硅烷化兩種。其中經(jīng)典拋光處理的Summa不銹鋼罐取樣技術(shù)，是美國EPA采用的標(biāo)準(zhǔn)方法(TO-14、TO-15)。
采樣時用泵將罐中空氣采集成正壓，多用于非極性物質(zhì)的分析。其優(yōu)點(diǎn)是可避免吸附劑采樣時的穿透分解和解析，但采樣設(shè)備價(jià)格昂貴、標(biāo)樣的制備和罐的清洗費(fèi)時費(fèi)力，且不能對樣品進(jìn)行預(yù)濃縮。不銹鋼的采樣罐技術(shù)在國內(nèi)外的揮發(fā)性有機(jī)物的測定中應(yīng)用較多。Batterman等使用拋光處理的Summa罐在分析儲存揮發(fā)性有機(jī)物時發(fā)現(xiàn)，醛類和萜類在濕空氣填充罐中的半衰期是18天，濕氮?dú)庵?4天，干空氣中短為6天，研究表明Summa罐在儲存有機(jī)物時需要一定的濕度。采樣時可以根據(jù)樣品的種類和需要連接流量閥控制氣體的流速。Kwangsam等利用安裝了流量控制閥的6L蘇碼罐采集空氣2小時。王伯光等采用內(nèi)壁經(jīng)拋光電鈍化的不銹鋼采樣罐采樣分析了室內(nèi)空氣中揮發(fā)性有毒有機(jī)物，此外他還將限流閥、不銹鋼過濾頭和采樣管連接到采樣罐進(jìn)口對交通道路的空氣進(jìn)行樣品采集，采樣流量為30ml/min，每次采樣時間為3h。
內(nèi)壁硅烷化的Summa罐在氣體污染物的測定中使用較多。甲醛等極性組分和輕羰基化合物C2~C3組分一直被排斥在罐采樣法之外，原因在于要么它們在采樣罐中不穩(wěn)定，要么在預(yù)濃縮或者色譜分離當(dāng)中存在困難，而采用Summa罐的內(nèi)壁硅烷化技術(shù)可以解決這一難題。尹彥欣利用硅烷化Summa罐對不同場所如居室、汽車、超市的室內(nèi)空氣進(jìn)行采樣，利用預(yù)濃縮器將氣體樣品冷聚焦，并去除水和二氧化碳，然后自動將樣品導(dǎo)入氣相色譜質(zhì)譜，分析其中的主要有機(jī)污染物。結(jié)果表明該方法采樣快速簡單，分析操作中不需使用任何有機(jī)試劑，實(shí)驗(yàn)背景干擾少，定性分析準(zhǔn)確。
“雖然罐采樣法可以同時采集多種所需樣品，使用快速方便。但是該方法成本高，對低濃度往往因缺少相應(yīng)的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)而無法準(zhǔn)確定值，同時儀器的檢測限也限制該方法的推廣應(yīng)用。
2 罐采樣-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)
由于罐采樣只是一種空氣樣品的采樣手段，在氣態(tài)VOCs測定過程中樣品采集后，通常會與氣相色譜或氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用的檢測技術(shù)對氣態(tài)VOCs中的組分進(jìn)行定性或定量的分析。
氣相色譜法是近二十年來迅速發(fā)展起來的一種新的分離分析方法，它具有能、高選擇性、高靈敏度、分析速度快、應(yīng)用范圍廣和樣品用量小等特點(diǎn)，尤其對異構(gòu)體和多組分混合物的定性、定量分析更能發(fā)揮其作用，因而在VOCs檢測方面得到了廣泛應(yīng)用。
“一般用于罐采樣氣相色譜分析的檢測器有：火焰離子化檢測器(FID)、電子捕獲檢測器(ECD)、質(zhì)譜檢測器(MS)、火焰電離檢測器(FPD)等，其中FID與MS常用于氣態(tài)VOCs的分析測定。
2.1 罐采樣-GC/MS
1957年Holmes等首先實(shí)現(xiàn)了氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用，主要是利用氣相色譜法對混合物的分離能力和質(zhì)譜法對純化合物的準(zhǔn)確鑒定能力而開發(fā)的分析方法。采用罐采樣對真實(shí)的氣態(tài)物質(zhì)進(jìn)行采集，再與氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用可對環(huán)境樣品中所含的揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行準(zhǔn)確地定性、定量分析和檢測，且與其他技術(shù)相比有無可比擬的優(yōu)越性。孫焱婧等將Summa罐采樣氣相色譜/質(zhì)譜法與VOCs在線監(jiān)測法進(jìn)行定性對比，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)的VOCs的Summa罐采樣氣相GC-MS法的偏差在可接受范圍內(nèi)，具有一定的環(huán)境適用性。Goldthorp等研究比較了罐采樣-GC/MS和便攜式IR兩種方法對空氣中輕碳?xì)浣M分排放的監(jiān)測，結(jié)果表明，便攜式IR不能滿足研究的需要，而罐采樣-GC/MS可以獲得較為完整的排放模型。
鑒于罐采樣-GC/MS聯(lián)合技術(shù)較高的定性定量分析能力，因此在氣態(tài)VOCs的檢測中發(fā)揮了重要的作用。Chiang等使用不銹鋼罐每天采集中國臺灣南部臭氧不合格地區(qū)VOCs樣品，并用GC-MS對C3~C11的碳?xì)浠衔镞M(jìn)行分析研究，取得了理想的結(jié)果。肖珊美等和李振國都采用蘇碼罐采樣技術(shù)，預(yù)濃縮系統(tǒng)與GC-MS聯(lián)用，建立了測定環(huán)境空氣中41種揮發(fā)性物的檢測方法，研究表明該方法采樣方便，靈敏度高，準(zhǔn)確度高，且樣品保存時間長，而且絕大部分有機(jī)物該法檢出限達(dá)0.2ppbv，回收率在86%~105%的范圍。
機(jī)動車尾氣等污染也是城市大氣VOCs的主要來源，并成為影響城市環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素。Mei-Yin等使用罐采樣GC-MS聯(lián)用法分析檢測了臺北某隧道中的56種VOCs，檢出限為0.1~0.7ppbv。魯君和吳迓名等分別利用罐采樣-氣相色譜/質(zhì)譜法測定上海市主要交通干道和某越江隧道空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物，結(jié)果共檢測出78中VOCs，分析了上海市和隧道廢氣樣品中揮發(fā)性有機(jī)物的污染水平并查明了隧道空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的種類和組成。
在室內(nèi)污染的測定中，罐采樣-GC/MS聯(lián)用技術(shù)也是常用的檢測技術(shù)之一。譚和平等采用罐采樣GC/MS分析方法測定室內(nèi)空氣中的甲醛，考察了凝結(jié)水對樣品分析濃度的影響、樣品在罐中穩(wěn)定儲存的時間，結(jié)果表明在樣品采集及儲存過程中應(yīng)避免出現(xiàn)冷凝水，正常情況下樣品能在罐中穩(wěn)定存儲1個月以上;研究了該分析方法的特性如檢出下限、回收率、線性響應(yīng)范圍、精密度、穩(wěn)定性及方法擴(kuò)展不確定度，證實(shí)該方法比現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)方法穩(wěn)定、準(zhǔn)確、檢出限低。李月娥采用預(yù)冷濃縮系統(tǒng)和氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用，建立了測定室內(nèi)空氣中39種揮發(fā)性有機(jī)物的分析方法，該方法采用蘇碼罐采樣，經(jīng)液氮預(yù)冷凍濃縮后，用GC-MSD檢測。研究表明蘇碼罐采樣預(yù)冷濃縮和氣—質(zhì)聯(lián)用技術(shù)測定室內(nèi)空氣中痕量揮發(fā)性有機(jī)物的分析方法，重現(xiàn)性好，可以多次進(jìn)樣分析，有滿意的準(zhǔn)確度和靈敏度。
此外在生產(chǎn)燃燒的有組織排放中，罐采樣與氣相色譜/質(zhì)譜系統(tǒng)分析聯(lián)用在VOCs的測定中多組分的定性和定量也發(fā)揮了作用。
2.2 罐采樣-GC/FID
罐采樣與氣相色譜聯(lián)用，以FID作為檢測器也是測定VOCs的常用的技術(shù)。FID是一種利用氫氣/空氣火焰的熱能和化學(xué)能作電離源，使有機(jī)物電離，產(chǎn)生微電流而響應(yīng)的檢測器。它是破壞性的質(zhì)量型檢測器，其響應(yīng)值取決于單位時間進(jìn)入檢測器的組分量，峰高隨著載氣流速的增加而增大，峰面積基本不變。FID對氣體流速、壓力和溫度變化不敏感。它對H2O、O2、N2、CO和CO2等無響應(yīng)，但對幾乎所有的有機(jī)化合物均有響應(yīng)，特別是對烴類靈敏度高，且響應(yīng)與碳原子數(shù)成正比，檢測限達(dá)10~12g/s。Yoshiko等使用不銹鋼罐采集草原植被中的空氣，用GC/FID法測出約40種非甲烷揮發(fā)性有機(jī)物。
譚和平等采用Summa罐采集樣品，自動進(jìn)樣器進(jìn)樣，三級冷阱預(yù)濃縮樣品，氣相色譜(GC)柱分離，氫火焰離子化檢測器(FID)檢測，并采用自主研制的混合標(biāo)準(zhǔn)氣體定性定量分析，從而得到各室內(nèi)揮發(fā)性有害有機(jī)物及總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)濃度。研究表明全采樣GC/FID檢測室內(nèi)揮發(fā)性有害有機(jī)物方法樣品儲存時間長，加標(biāo)回收率、線性范圍、準(zhǔn)確度、精密度等方法特性較國家標(biāo)準(zhǔn)方法有明顯改善。FID檢測器替代MS檢測器不僅滿足方法學(xué)對方法特性的要求，更明顯降低了分析成本。Olso等利用Summa罐瞬時采樣法采集85個樣品，并用GC/FID對樣品中53種VOCs進(jìn)行檢測。
氫火焰離子化檢測器(FID)對有機(jī)污染物進(jìn)行定性和定量測定是比較成熟的方法之一，常用于非甲烷總烴的測定。Seila等對空氣中的VOC進(jìn)行檢測，使用罐采樣GC/FID對空氣中C2~C10+的碳?xì)溆袡C(jī)物進(jìn)行研究。Mugica等研究食物烹制時候釋放的非甲烷有機(jī)物時用6L的Summa在不同餐飲行業(yè)采集樣品并由FID分析。
2.3 其他聯(lián)用方法
除了上述聯(lián)用方法，罐采樣還可以與GC/ECD、GC/FPD等聯(lián)用。戴秋萍等研究討論了空氣罐采樣、三級冷阱預(yù)濃縮對氣體樣品進(jìn)行前處理，氣相色譜-火焰光度檢測器等對空氣中七種惡臭污染物進(jìn)行分析，結(jié)果表明該分析方法準(zhǔn)確可靠，可用于空氣中惡臭污染物的檢測。
3 小結(jié)
利用罐采樣能采集并再現(xiàn)真實(shí)氣體這一特點(diǎn)，加上與氣相色譜或氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用的檢測技術(shù)，罐采樣法在氣態(tài)VOCs污染監(jiān)測中的應(yīng)用越來越廣泛。但由于容器特點(diǎn)致其獲得的樣品濃度低，這就要求分析和監(jiān)測儀器的精密度相應(yīng)增高，檢出限降低，成本也相應(yīng)提高。為此，減少罐中樣品的殘留量，增加可測樣品的體積，提高預(yù)濃縮系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要。
原標(biāo)題：VOCs氣態(tài)污染物監(jiān)測：罐采樣-GC/MS結(jié)合技術(shù)概述與進(jìn)展
