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PM2.5檢測方法創(chuàng)新!離子色譜法如何檢測大氣中的“致霾因子”?

發(fā)布日期:2024-07-04 09:57

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近日,華東理工大學欒紹嶸老師及所在團隊在色譜期刊發(fā)布了題為“離子色譜法同時檢測大氣顆粒物PM2.5中低級脂肪胺和常規(guī)陽離子”的研究論文。該研究采用盛瀚SH-CC-9色譜柱,建立了一種新的離子色譜檢測方法,實現了大氣脂肪胺中MA、DMA、TMA、EA 4種短鏈脂肪胺及5種常見陽離子的同步分析,對研究大氣脂肪胺的組成和來源、評估大氣污染狀況、監(jiān)測環(huán)境空氣質量和保護人類健康具有重要意義。


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研究背景



大氣中存在大量的有機胺污染,其中低級脂肪胺是促進顆粒形成和生長成為 PM2.5的誘因,會對人體腎臟、心肺功能健康造成損害。而PM2.5是大氣中常見的顆粒污染物,是霧霾天氣產生的主要原因,其成分非常復雜,測定其中的陽離子和低級脂肪胺,能直接監(jiān)測環(huán)境大氣質量,保護人體健康。

大氣顆粒物中的有機胺含量低、種類多,給檢測帶來很大困難。目前主要檢測方法有高效液相色譜-質譜法、氣相色譜-質譜法、離子色譜法(IC)等。氣相色譜-質譜法和高效液相色譜-質譜法都需要將樣品進行衍生化處理,操作過程復雜,導致結果重復性不理想。與前兩種方法相比,IC前處理簡單、靈敏度高。


彭緒玲等采用IC在30 min內實現了Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+5種陽離子和丙胺(PA)、二甲胺(DMA)、三甲胺(TMA)3種低級脂肪胺的分析檢測;環(huán)境保護行業(yè)標準將離子色譜法作為環(huán)境空氣中常規(guī)陰陽離子及氨、甲胺(MA)等低相對分子質量脂肪胺的推薦檢測方法。但以上離子色譜方法都無法實現常規(guī)K+和MA、DMA和乙胺(EA)等相對分子質量相近的胺的分離,因此本項研究建立了一種新的離子色譜檢測方法,實現了MA、DMA、TMA、EA 4種短鏈脂肪胺及5種常見陽離子的同步分析,分析結果可用于評估空氣中的顆粒物污染情況。


實驗過程



色譜條件

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與IonPacTMCS17、IonPacTMCS16色譜柱實驗對比,最終選用盛瀚 SH-CC-9 陽離子色譜柱



標準儲備液的配制


分別稱取4種有機胺標準品20 mg于50 mL離心管中,加入超純水溶解并定容至50 mL,配制成400 mg/L的有機胺混合標準儲備液。有機胺混合標準儲備液和陽離子標準溶液放置于4 ℃藥品陰涼柜中避光保存。使用時用超純水稀釋,配制成所需濃度的系列混合標準溶液。


樣品采集及預處理


PM2.5使用TH-100中流量采樣器和直徑90 mm的石英濾膜,根據環(huán)境空氣顆粒物采集相關標準HJ 799-2016、HJ 800-2016、HJ 93-2013要求采集,采樣器流速設置為100 L/min,采樣時間為24 h。文獻中,在此條件下,采樣效率大于99.7%,符合PM2.5采集濾膜截留效率要求。本實驗按照此程序進行實際采樣過程中,沒有穿透現象發(fā)生。


取采集樣品后的濾膜1/2,剪碎,置于50 mL離心管中,加入10 mL超純水,為避免有機胺的揮發(fā),采用冰水浴超聲,操作2次,每次30 min。吸取樣品溶液,過0.22 μm的水相濾膜,濾液轉移至1.5 mL樣品瓶進行離子色譜分析。


大氣PM2.5中陽離子和有機胺含量計算


根據采樣器的采樣流速和采樣時間、采集濾膜的提取體積、離子色譜檢測得到的各離子的濃度,采用公式(1)計算大氣PM2.5中陽離子和有機胺的含量。

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公式(1)


式中:ρPM2.5為大氣PM2.5中離子的質量濃度(ng/m3); ρ提取液為PM2.5提取液中離子的質量濃度(ng/L); V提取體積為提取液的體積(L); V采集體積為采集PM2.5的氣體總體積(m3)。


實際樣品分析


對采集的189個PM2.5樣品按上述步驟和方法進行處理和檢測,得到樣品的典型色譜圖見原文圖4。


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根據公式(1)計算,得到大氣PM2.5中陽離子和低級脂肪胺的檢測結果,部分結果見原文表3。檢測結果顯示,采集的實際大氣樣品中都含有5種常見陽離子Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+,其中Na+、NH4+、Ca2+含量很高;含有少量部分或全部的4種低級脂肪胺甲胺、二甲胺、三甲胺和乙胺。在PM2.5樣品的低級脂肪胺組成中,甲胺、乙胺、二甲胺含量較高,其中甲胺、乙胺的主要來源可能是機動車尾氣排放,表明采集區(qū)域內車流量較大,需要警惕尾氣污染問題;同時PM2.5樣品中三甲胺含量最少,而二甲胺濃度遠低于3 mg/m3,使得促進顆粒物生成的幾率大大降低,從而減少了霧霾天氣形成的可能。綜合檢測結果分析,采樣區(qū)域低級脂肪胺的污染程度較低,對生活人群的危害較小。


實驗結論



本文建立了一種簡單、靈敏、快捷的陽離子電導檢測離子色譜方法,實現了同時對PM2.5中4種低級脂肪胺甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺和5種常規(guī)陽離子Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+的分析檢測,尤其實現了高含量K+和痕量甲胺、乙胺和二甲胺的有效分離,從而可進一步檢測環(huán)境大氣中的陽離子組成和含量,實現對大氣質量的監(jiān)測。通過方法學考察驗證了該方法具有很高的靈敏度、良好的重復性和準確度,對189個實際大氣采樣PM2.5樣品檢測結果表明,該方法能夠同時滿足大氣PM2.5中痕量低級脂肪胺和高濃度陽離子的檢測,對研究和監(jiān)測大氣中胺污染特征提供了簡便可行的檢測方案,其結果可為胺污染源的溯源提供依據,為霧霾的治理和人類健康提供有力的技術支持。



盛瀚SH-CC-9


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SH-CC-9是一種弱酸型陽離子色譜柱,其基質為交聯(lián)度55%的苯乙烯-二乙烯苯聚合物,表面接枝羧基,可用非抑制或抑制電導法完成常規(guī)陽離子分析,該分離柱可以在較低的淋洗液濃度下一次進樣實現 PM2.5中鈉、銨、鉀、鎂、鈣等常規(guī)陽離子以及甲胺、二甲胺、三甲胺和乙胺等脂肪胺的分離,峰形良好,分離度滿足要求。


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如圖3所示,乙胺和二甲胺的分離度為 2.16,K+和三甲胺的分離度為 3.05,其余各峰間的分離度均大于3。環(huán)境大氣顆粒物中可能會存在 N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二乙胺(DEA)、三乙胺(TEA)、三乙醇胺( TEOA)、異丙胺(IPA)、丙胺等其他小分子有機胺,與目標離子共洗脫,并對之分離分析產生干擾。在設定的色譜條件下對這些有機胺的洗脫情況進行考察,如圖3所示,在 SH-CC-9 色譜柱上,K+、TMA+ 的保留時間分別為 26.2、28.9 min,三乙醇胺、異丙胺、丙胺的保留時間分別為 24.6、27.7、33.0 min,二乙胺和三乙胺峰保留時間接近(32.6 min),N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺在設定條件下無法洗脫,所以這7種可能存在的有機胺不會對本研究的9種目標離子產生干擾,因此選擇 SH-CC-9 色譜柱作為分離柱。



在本研究中,SH-CC-9色譜柱對有機胺和常規(guī)陽離子分離度良好,同時避免了大氣中可能存在的其他有機胺的干擾,因此SH-CC-9更適用于PM2.5顆粒物中物質的分離。


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專注色譜研究二十余年,盛瀚核心部件和整機歷經迭代升級,性能全面提升,并在能源化工、國防安全、核電能源等重要領域實現進口替代。此次經過欒老師及團隊的實驗驗證,再次證明盛瀚色譜產品性能卓越,強勢助力高端科研項目。


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