便携式飞行时间质谱仪用于室内甲苯、二甲苯污染快速溯源分析.pdf

第43卷
分析化学( FENXI HUAXUE)仪器装置与实验技术
第5期
2015年5月
Chinese Journal of Analytical Chemistry
783~787
DOI:10.11895/j-iss.02533820.150101
仪器装置与实验技术
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便携式飞行时间质谱仪用于室内甲苯、二甲苯污染快速溯源分析
周振2喻佳俊黄正旭2李雪李梅2
李磊2谭国斌3麦泽彬2高伟“1
(暨南大学大气环境安全与污染控制研究所,广州510632)
2(广州禾信分析仪器有限公司,广州510530)(上海大学环境污染与健康研究所,上海20044)
摘要采用自行研制的高时间分辨便携式飞行时间质谱( Portable time-of-ight
cctrometry, P-TOF-
MS),基于网格布点检测法,在污染和通风自净后的条件下,以高暴露风险的甲苯、二甲苯作为VOCs代表物
质,实时、在线监测1394m2室内空气中的甲苯、二甲苯的浓度分布,并根据高时间分辨数据对污染源进行快
速解析。结果表明,1.5h内即可完成室内40个采样点的全部分析工作;污染条件下室内甲苯和二甲苯的最
高浓度为2633和223g/m2;自然通风24h后,浓度分别降低至113和173g/m3;2个模拟污染源及1个背
景污染源均被准确识别。P-TOF-MS技术在家居、车间等室内空气VOCs污染源快速识别方面具有广阔的应
用前景。
关键词便携式飞行时间质谱仪;室内污染;挥发性有机物;实时在线检测;溯源解析
引言
据统计,人生中约有70%以上的时间是在室内度过,因此室内空气质量与人体健康密切相关。
室内空气污染是指,进入室内的空气污染物的量超过室内环境的自净能力,造成居室内部空气质量下
降和恶化,直接或间接对人体产生不良影响。目前室内空气污染引发的各种健康问题已成为公共卫生
关注的焦点。室内空气污染的重要来源之一为室内装修材料中的挥发性有机物( Volatile organic
mpounds,VOCs)。甲苯、二甲苯是两种广泛存在于油漆、燃料、胶水、胶黏剂以及家庭清洁剂中的
voCs物质,具有麻醉中枢神经系统、引发植物神经功能性紊乱等急、慢性毒性。我国室内空气质量
标准(GB/T18883-2002)中明确规定:室内空气中甲苯、二甲苯浓度应≤200g/m3(1h均值)。
我国空气质量标准中测定室内空气中甲苯、二甲苯的检测方法为气相色谱法S。,其工作流程:在
现场通过活性炭管釆集室内空气中甲苯和二甲苯,然后将采样管送至实验室进行前处理;前处理过程
中,采样管中吸附的甲苯、二甲苯经热解吸或用二硫化碳提取,进入气相色谱(CC)分析,其中CC色
谱柱为聚乙二醇6000色谱柱,检测器为氢火焰离子化检测器检测;色谱保留时间定性,色谱峰高定量。
采样体积1~10L;甲苯检出限10~50g/m2,二甲萃检出限20~100pg/m23;甲苯定量线性范围50
20000ug/m3,二甲苯定量线性范围100~2000uy/m3。美国国家环保局的标准方法与我国标准方法
类似,在吸附材料选择上,除活性炭外,也会使用硅藻土士或苏玛罐、采样袋和采样管等れa、。S
上述标准方法均涉及了采样、送样、前处理和样品分析4个环节,样品需求量大,且整个检测过程
繁琐、耗时,分析结果的空间、时间分辨率低,不利于污染源甄别;此外,样品在运送途中,尤其是长时
间、长距离的情况下,甲苯、二甲苯浓度可能会发生变化,导致检测结果失真。产生这些问题的原因主
要是:(1)气体样品无法直接被GC分析,需要经前处理转换在有机溶剂中后オ可分析;(2)进样量占采
样量比例低,如1mL提取液,进样量1以L,实际进样量仅为全部采样量的1/1000因此样品必须经前
处理进行浓缔;(3)通过色谱停留时间定性,而运行一个色谱程序往往需要数十分钟。
2015-01-28收稿;2015-03-11接受
本文系国家自然科学基金-广东省联合基金项目(No.U1201232);国家863计划(No.2014AA06A501)资助
wE-mailtamylee@jnu,edu.cn;wgao@hxmasscom
分析化学
第43卷
针对上述现状,本研究组自主研制了一款可用于实时、在线检测空气中VOCs的便携式飞行时间
质谱仪(P-TOF-MS),核心部件包括膜进样系统、真空紫外单光子电离源、飞行时间质量分析器
膜进样系统可以实现气体样品的实时、在线浓缩;真空紫外单光子电离源可实现VOCs类物质软电离
获得目标物的分子离子;飞行时间质量分析器可以精确测定目标物分子离子的荷质比及其强度,进而
实现物质的准确定性与定量分析,响应时间可低至秒级。本研究即为考察该款P-TOF-MS实时、在线检
测室内空气甲苯、二甲苯污染情况以及污染源解析的可行性,为室内空气甲苯、二甲苯等VOCs污染提
供一种实时、在线的便捷分析手段,实现室内VOCs的有效污染控制以及消除、避免室内VOCs污染。
2实验部分
2.1仪器与试剂
如图1a所示,P-TOF-MS主要包括温控采样臂、高灵敏度膜进样系统、真空紫外灯电离源、飞行时
间质量分析器、数据采集系统及供电系统。相比于文献报道的P-TOF-MS"リ,本台P-TOF-MS的膜进样
系统、电离室、质量分析器的设计更加小型、紧凑(图1b),将PC控制系统、供电系统与仪器进行集成,
整机尺寸为520mmx448mx221mm,重量25kg,实际操作时,可人工移动,也可放置在手推车或
机动车进行样品采集。仪器的检测范围为m/15~200,质量分辦率优于350FWHM( Full width at
half maximum),质量精度优于1×10-,对苯系物的检出限可到以g/m级,动态范围优于3个数量级。
此外,数据采集系统设计为触摸屏式工作站,界面易于操作、使用友好;供电系统可持续工作2~3h。
DSCG-1000自动化配气仪(广州禾信分析仪器有限公司),用于配制实验所需甲苯和二甲苯的浓度梯度
标准气体。
真空紫外灯电离源
数据采集系统
紫外灯
Vacuum ultraviolet
lamp ionization souree
检测区
Ultraviolet I
lon detector
高灵敏度膜进样系統
High sensitivity membrane
iniroduction syster
飞行时间质量分析器
Time-of-flight mass
温擦采样臂
'emperature controll
sample arm
Ale put
无场飞行区
Field-free
Rift region
真空系统
flector
图1P-TOF-MS结构示意图(a)与实物图(b
Fig. I Schematic (a )and protyep (b) of PORTABLE-TOF-MS(P-TOF-MS
实验所用标准气体由广州世源气体有限公司提供,包含甲苯(18.81mg/m2)、二甲苯
(21.68mg/m2)的混合标准气体和高纯氮气(99.99%)。模拟污染源使用房屋装修常用的稀释剂天那
水(主要成分含甲苯和二甲苯,广州一江化工有限公司)。
2实验方法
2.2.1标准曲线通过DSG-1000配制甲苯浓度梯度标准气体(