孟 潔，王 亙，韓 萌，翟增秀，耿 靜，魯富蕾

(1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)惡臭污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；2.天津迪蘭奧特環(huán)保科技開發(fā)有限公司，天津 300191)

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動態(tài)固相微萃取-氣相色譜法測定環(huán)境空氣中揮發(fā)性脂肪酸的研究

孟 潔1,2，王 亙1*，韓 萌1，翟增秀1,2，耿 靜1，魯富蕾1,2

(1.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，國家環(huán)境保護(hù)惡臭污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191；2.天津迪蘭奧特環(huán)?？萍奸_發(fā)有限公司，天津 300191)

建立了動態(tài)固相微萃取-氣相色譜(FID)測定環(huán)境空氣中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的分析方法，選擇乙酸(AA)、丙酸(PA)、丁酸(BA)、異丁酸(iso-BA)、戊酸(VA)和異戊酸(iso-VA) 6種代表性VFAs為研究對象，研制了動態(tài)萃取裝置并建立了動態(tài)萃取機(jī)制。研究了固相微萃取材料、萃取時間、萃取溫度、萃取流速、解析溫度及時間對VFAs萃取效率的影響，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了氣相色譜法檢測條件。在優(yōu)化條件下，6種脂肪酸的線性范圍均達(dá)到4個數(shù)量級，相關(guān)系數(shù)均大于0.990。方法的檢出限(S/N=3)為1.0～4.7 μg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=3)為1.1%～6.8%。與常規(guī)方法相比，該方法大大提高了檢測范圍和檢測靈敏度，并成功用于環(huán)境空氣中揮發(fā)性脂肪酸的分析檢測。

揮發(fā)性脂肪酸；動態(tài)固相微萃??；氣相色譜(GC);空氣

惡臭污染作為一種擾民污染已成為公眾身邊比較突出的環(huán)境問題[1]，引起惡臭污染的物質(zhì)種類眾多，其中對人生活環(huán)境影響較大的物質(zhì)有氨、硫化氫、三甲胺、甲醛、苯乙烯、硫醇類等，其中還有一類重要的惡臭物質(zhì)，即揮發(fā)性脂肪酸(Volatile fatty acids，VFAs)。VFAs是一類低碳數(shù)(C1～C5)、易揮發(fā)的有機(jī)酸，主要包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸及其同分異構(gòu)體[2]，這類物質(zhì)具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，且隨著分子量的增加，嗅覺閾值不斷降低[3]。VFAs廣泛存在于畜禽養(yǎng)殖場[4]、污水處理廠[5]、垃圾處理場[6]以及黑臭水體等與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的污染源，雖然VFAs的氣味對人體不會產(chǎn)生嚴(yán)重危害，但難聞的味道給人們的生活帶來很大困擾。

VFAs的嗅閾值極低，在環(huán)境中該物質(zhì)以很低的濃度存在(甚至達(dá)到ppt級)時，人們即可察覺，但在該濃度下，無法直接用儀器檢測，需結(jié)合樣品前處理技術(shù)[7-8]。目前我國常用的檢測VFAs的前處理方法主要為堿性玻璃微珠富集法和溶液吸收法，即分別以涂覆堿性液體的玻璃微珠或堿性吸收液吸收樣品氣體后，使用氣相色譜儀或離子色譜儀檢測。其中堿性玻璃微珠法為日本提出的檢測VFAs的標(biāo)準(zhǔn)方法，其檢出限可達(dá)0.1～1 μg/L，但由于采樣管需自制，重復(fù)性差[9]；而溶液吸收法主要應(yīng)用于工業(yè)廢氣，方法的檢出限較高，無法滿足環(huán)境中低濃度物質(zhì)的檢測要求[10]。 除上述兩種前處理方法，環(huán)境中針對痕量VFAs檢測的常用前處理方法還包括酯化法[11]、固體吸附劑采樣管法[12]以及固相微萃取法[13]。酯化法的原理是將樣品氣體吸收到醇類物質(zhì)中，使VFAs衍生為酯類物質(zhì)，該方法有效增加了儀器的靈敏度，但VFAs無法完全轉(zhuǎn)化成酯類物質(zhì)，導(dǎo)致樣品損失，使檢測結(jié)果有偏差；采樣管法[14]是通過填有多孔材料的吸附管富集樣品氣體，被分析物在高溫條件下熱解析后進(jìn)行檢測，該方法操作簡便，應(yīng)用較為廣泛，但吸附管的裝拆過程易導(dǎo)致儀器漏氣，不利于操作；固相微萃取法是將樣品氣體通過涂覆有高表面積多孔材料的萃取纖維以達(dá)到預(yù)富集目的[15]，將富集有目標(biāo)分子的萃取纖維在氣相色譜儀的進(jìn)樣口處熱解析，該方法較堿性玻璃微珠法和采樣管法操作更易于掌握，較酯化法可以避免樣品流失，因而被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于脂肪酸的檢測，且具有很好的萃取效果和穩(wěn)定性。然而，固相微萃取法目前主要應(yīng)用于水中脂肪酸[16]以及大氣中長鏈脂肪酸的檢測[17]，對環(huán)境空氣中VFAs的檢測研究較少。

本研究選擇固相微萃取技術(shù)作為前處理方法，設(shè)計開發(fā)動態(tài)氣體樣品萃取裝置，研究固相微萃取材料、萃取時間、萃取溫度、萃取流速、解析溫度及時間對VFAs萃取效率的影響，并對萃取條件進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化氣相色譜檢測條件，建立了動態(tài)固相微萃取-氣相色譜檢測環(huán)境空氣中VFAs的分析方法，從而填補(bǔ)了國內(nèi)檢測環(huán)境空氣中揮發(fā)性脂肪酸方法研究的空白，為我國環(huán)境惡臭污染分析與評估提供了技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

7890A氣相色譜儀(GC)，配FID檢測器和色譜柱HP-INNOWAX(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；固相微萃取裝置(CORNING PC-420D)，購于安捷倫科技有限公司；固相萃取纖維包括65 μm 聚二甲酯硅氧烷/二乙烯苯(PDMS/DVB)、75 μm碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(CAR/PDMS)和85 μm聚丙烯(PA)購于北京康林科技有限責(zé)任公司；樣品氣體袋(規(guī)格3 L，大連德霖氣體包裝有限公司)；恒流低流速采樣泵(SKC 224-50，北京康林科技有限公司)；動態(tài)稀釋儀(4600A，北京博賽德科技有限公司)。

標(biāo)準(zhǔn)揮發(fā)性脂肪酸混合氣體(1 μg/mL和20 μg/mL)購于大連大特氣體有限公司，包括乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸、戊酸和高純氮?dú)?平衡氣)；高純氮?dú)?純度≥99.999%，空氣化工產(chǎn)品(天津)有限公司)。

1.2 GC分析條件

載氣為氮?dú)?純度≥99.999%)，載氣流速1.5 mL/min，不分流模式；進(jìn)樣口溫度為280 ℃，檢測器溫度300 ℃，柱溫使用程序升溫，起始柱溫為75 ℃，以10 ℃/min程序升溫至180 ℃，保持3 min。

1.3 動態(tài)固相微萃取富集方法

將裝有樣品的氣袋連接到固相微萃取采集室一端，使用恒流低流速采樣泵抽取一定體積的樣品氣體，同時對萃取采集室加熱，待一定的萃取時間后，將萃取纖維取出并轉(zhuǎn)移至進(jìn)樣口處解析，通過氣相色譜儀分析得到萃取后的VFAs譜圖。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線

將標(biāo)準(zhǔn)VFAs氣體(1 μg/mL和20 μg/mL)使用動態(tài)氣體稀釋儀按照一定稀釋比例，用高純氮?dú)庾鳛橄♂寶怏w，依次稀釋得到8個濃度梯度，即0.005，0.010，0.050，0.100，1.000，5.000，10.00，20.00 μg/mL，建立方法標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖1 動態(tài)固相微萃取裝置示意圖Fig.1 Sketch map of dynamic solid-phase microextraction device

圖2 萃取時間對萃取效果的影響Fig.2 Effect of extraction time on extraction efficiencies of six VFAs

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)固相微萃取裝置

動態(tài)萃取實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,該裝置由7部分組成，分別為采樣泵(1)，流速控制器(2)，萃取采集室(3)，固相微萃取裝置(4)，采樣袋(5)，聚四氟乙烯連接管(6)和廢氣袋(7)。其中萃取采集室是整個實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分，使用玻璃作為采集室的主體材料，采集室形狀呈類似T型三通，主體內(nèi)徑為5 cm，接頭內(nèi)徑6 mm，左右接頭使用連接管分別與流速控制器(2)和采樣袋(5)相連，上接頭與固相微萃取裝置(4)相連。萃取纖維在使用前，需在290 ℃下老化1 h。取裝有樣品氣體的樣品袋與萃取采集室連接好，將恒流低速采樣泵的流速通過流速控制器調(diào)節(jié)為100 mL/min，對萃取采集室的加熱溫度為80 ℃，萃取時間為20 min，將萃取后的萃取纖維轉(zhuǎn)入氣相色譜儀(GC)進(jìn)樣口，于280 ℃下解析1 min，萃取后的氣體通過流速控制器后使用廢棄袋回收。

萃取采集室的材料選擇和內(nèi)徑尺寸會影響樣品氣體的分析結(jié)果。將濃度1 μg/mL、萃取體積2 L的標(biāo)準(zhǔn)VFAs混合氣體使用內(nèi)徑尺寸相同但材料不同的萃取采集室進(jìn)行比較，萃取采集室的材料選擇常用的聚四氟乙烯材質(zhì)和玻璃材質(zhì)兩類。結(jié)果表明，聚四氟乙烯材料制作的采集室對樣品的吸附程度大，特別是異戊酸，使用該材料制作的萃取采集室的檢測方法不能反映樣品氣體的實(shí)際含量，檢測結(jié)果存在誤差，因此選擇玻璃材質(zhì)制作萃取采集室，以降低對目標(biāo)物的吸附作用，減少樣品損失，提高檢測準(zhǔn)確性；以濃度1 μg/mL、萃取體積2 L的VFAs混合氣體進(jìn)行測試，進(jìn)一步研究了不同內(nèi)徑尺寸(1，5，10 cm)的萃取采集室對萃取效果的影響。結(jié)果顯示，1 cm和10 cm內(nèi)徑的采集室較5 cm內(nèi)徑的萃取效果較差，這是由于過大的內(nèi)徑不能使萃取纖維接觸到所有的樣品氣體，而過小的內(nèi)徑不利于樣品流通[19]。因此選擇采集室的內(nèi)徑尺寸為5 cm，以確保目標(biāo)分子能夠被有效萃取。

2.2 萃取時間對萃取效果的影響

萃取時間對萃取效率有很大影響。一般情況下，萃取時間越長，萃取效率越高。為確定最佳的萃取時間，使用75 μm CAR/PDMS萃取纖維，對2 L的1 μg/mL VFAs分別萃取10，20，30，40，50,60 min。結(jié)果顯示，隨著萃取時間的增加，乙酸、丙酸、異丁酸、丁酸、異戊酸和戊酸的吸附峰面積增大(見圖2)。其中，萃取纖維對具有支鏈結(jié)構(gòu)的異丁酸和異戊酸的萃取效果最好，對直鏈酸的萃取效果較差，這主要是由于異丁酸和異戊酸的分子尺寸和空間位阻較大，較易被CAR/PDMS捕捉且不易穿透[20]。由于SPME技術(shù)可以基于平衡、未平衡和滲透[21]，只要分析物的靈敏度足夠用于定量分析，可以在非平衡狀態(tài)下萃取，同時考慮樣品的通量，因此選擇萃取時間為20 min。

2.3 萃取溫度對萃取效果的影響

在SPME過程中，通過加溫，有利于氣體分子擴(kuò)散到萃取纖維，從而提高萃取效率。將2 L的 1μg/mL VFAs分別在20，40，60，80，100 ℃條件下進(jìn)行萃取。結(jié)果顯示，各待測物的萃取效率隨著加熱萃取采集室溫度的升高而增大，其中異丁酸和異戊酸的萃取效果隨時間的變化最明顯，當(dāng)萃取溫度達(dá)到80 ℃后，各物質(zhì)的萃取效率均較高，且繼續(xù)升高溫度時萃取效率增加不明顯，因此選取80 ℃作為萃取溫度。

2.4 氣體流速對萃取效果的影響

通常情況下，增大氣體流速能夠提高萃取效率，這是因?yàn)檩腿×魉倌軌蛟龃髽悠妨魍亢蛿U(kuò)散速度，而另一方面，流量的增大也促使分析物未能及時富集而流失，不利于對分析物的萃取，并且流速對小分子氣體化合物的影響較大[22]。在其他萃取條件一定的情況下，將2 L的 1 μg/mL VFAs分別在20，40，60，80，100，200 mL/min的流速下進(jìn)行萃取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)流速增至100 mL/min時，萃取效率達(dá)到最高值，因此選擇100 mL/min作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的流速。

圖3 萃取纖維類型對萃取效果的影響Fig.3 Effect of SPME fiber types on extraction efficiencies of six VFAs

2.5 萃取纖維對萃取效果的影響

為了直觀說明不同萃取纖維對VFAs的萃取能力，選擇適用于低分子量揮發(fā)性有機(jī)物的65 μm PDMS/DVB，75 μm CAR/PDMS和85 μm PA在相同萃取條件下對2 L的 1 μg/mL VFAs進(jìn)行萃取，結(jié)果如圖3所示，75 μm CAR/PDMS從整體上看表現(xiàn)出更強(qiáng)的萃取能力，其更適合萃取氣體和小分子化合物[23]。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇75 μm CAR/PDMS作為萃取纖維。

2.6 解析溫度與時間的影響

萃取過程完成后在氣相色譜進(jìn)樣口進(jìn)行熱解析，因此解析溫度和解析時間決定了分析物能否從萃取纖維上完全解析。為了考察解析溫度的影響，將萃取后的 2 L 1 μg/mL的VFAs分別在250，280，300 ℃下進(jìn)行解析。結(jié)果表明，在280 ℃下，解析時間1 min時，二次解析不再有分析物出現(xiàn)，說明在該條件下分析物已解析完全。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇解析溫度280 ℃，解析時間1 min。

2.7 分析特征量

在優(yōu)化條件下，用動態(tài)固相微萃取-氣相色譜法檢測6種VFAs標(biāo)準(zhǔn)氣體，分析特征量如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，75 μm CAR/PDMS萃取纖維對VFAs具有較強(qiáng)的萃取能力，富集倍數(shù)從7倍提高到115倍，大大提高了方法檢測范圍，有利于環(huán)境中痕量VFAs的檢測。本方法的線性范圍跨度4個數(shù)量級，檢出限為1.0～4.7 μg/L，重復(fù)測定3次的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.1%～6.8%。

表1 動態(tài)固相微萃取-氣相色譜法測定低級脂肪酸的分析特征量

2.8 實(shí)際樣品的測定

選擇香河某垃圾填埋場的廠界下風(fēng)向、廠門口和作業(yè)區(qū)為采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的位置、采樣頻次、采樣器的放置以及采樣記錄等參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法[24-25]的相關(guān)規(guī)定，采樣儀器和采樣步驟參照GB/T 14675-93[26]的相關(guān)規(guī)定。應(yīng)用本方法對3個點(diǎn)位采集的樣品進(jìn)行測定，平行采集3次,結(jié)果如表2所示，表中結(jié)果由測定數(shù)據(jù)和偏差組成。其中作業(yè)區(qū)的VFAs均被檢出，且檢出量最高，達(dá)到0.056～4.615 μg/mL，感官上味覺比較刺激。廠界下風(fēng)向和廠門口有5種揮發(fā)性脂肪酸被檢出，其中廠界下風(fēng)向值更高，并以異戊酸的濃度最高，可達(dá)0.123 μg/mL，其余3種物質(zhì)的濃度在0.025～0.106 μg/mL之間。

表2 樣品的分析結(jié)果

Table 2 Analytical result of sampleρ/(μg·mL-1)

SamplingsiteAAPAiso?BABAiso?VAVAThedownwindofboundary(廠界下風(fēng)向)0053±00020056±00010025±00010106±00130123±0023-?Thedoorofplant(門口)0105±00502305±01230836±00130367±00880654±0030-Equipmentoperationzone(作業(yè)區(qū))1358±00924615±01243255±02253001±00102035±01210056±0002

* no detected

3 結(jié) 論

本文以6種典型的揮發(fā)性脂肪酸為研究對象，研制了動態(tài)萃取裝置并建立了動態(tài)固相微萃取-氣相色譜(FID)測定環(huán)境空氣中揮發(fā)性脂肪酸的分析方法，并用于實(shí)際樣品的檢測。該方法的檢出限低，重現(xiàn)性好，線性范圍可達(dá)4個數(shù)量級。與常規(guī)方法相比，本方法大大提高了檢測范圍和檢測靈敏度，為建立環(huán)境空氣中揮發(fā)性脂肪酸的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法提供了理論基礎(chǔ)，為我國環(huán)境惡臭污染分析與評估提供了技術(shù)支持。

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Analysis of Six Volatile Fatty Acids in Air Using Dynamic Solid-phase Microextration-Gas Chromatography

MENG Jie1,2，WANG Gen1*，HAN Meng1，ZHAI Zeng-xiu1,2，GENG Jing1，LU Fu-lei1,2

(1.State Key Laboratory on Odor Pollution Control，Tianjin Academy of Environmental Sciences，Tianjin 300191，China;2.Environmental Science and Technology Development Co.，Ltd.in Tianjin，Tianjin 300191，China)

An analytical method for the detection of volatile fatty acids(VFAs) was established.Acetic acid(AA)，propionic acid(PA)，butyric acid(BA)，iso-butyric acid(iso-BA)，valeric acid(VA) andiso-valeric acid(iso-VA) were chosen as the target，and a dynamic solid-phase microextration(SPME) device was developed.The effects of extraction materials，extraction time，extraction temperature，extraction flow rate,extraction temperature and time of desorption were investigated on the efficiency of SPME extraction，and by which the optimal extraction conditions were determined.Furthermore，test conditions for gas chromatography were optimized,and a new dynamic SPME method was developed for gas chromatography ionization detection(GC-FID) to determine VFAs with the detection limits of 1.0-4.7 μg/L.The RSDs for three replicate extractions ranged from 1.1% to 6.8%，and the calibration curves were linear in the four orders of magnitude, with correlation coefficients(r2) more than 0.990.The developed method was successfully applied in the determination of trace VFAs in the environment.

volatile fatty acids;dynamic solid-phase microextration;gas chromatography(GC);air

2016-05-30；

2016-07-06

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ060165)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.12.017

657.72;O625.323

A

1004-4957(2016)12-1611-05

*通訊作者：王 亙，碩士，高級工程師，研究方向:環(huán)境中惡臭物質(zhì)分析檢測方法的開發(fā)，Tel：022-87671322，E-mail:18622034260@163.com