張 源，鄭亞君，路芳芳，張智平

(西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065)

硫化氫(H2S)是一種具有臭雞蛋味的無色酸性氣體，廣泛存在于污水處理、石油化工生產(chǎn)、天然氣開采等領(lǐng)域。由于H2S具有高毒性、腐蝕性、易揮發(fā)性和可爆性等特點，對人們生命健康及生態(tài)環(huán)境造成了嚴重危害[1]。為此，快速評價不同復雜樣品中H2S的含量具有重要意義。

目前，H2S的檢測方法主要有汞量法[2]、碘量法[3]、亞甲基藍比色法[4]、氣相色譜法[5]等，但存在儀器成本高、操作繁瑣等問題，且大多數(shù)方法僅適用于氣態(tài)H2S的檢測。例如，氣相色譜法只能檢測復雜體系中以氣態(tài)形式存在的H2S，難以實現(xiàn)樣品中以液態(tài)形式存在的H2S的檢測[6]。為了解決這一問題，先后發(fā)展了間接離子色譜法[7]、熒光探針檢測法[8]和電化學法[9]等。曾小嵐等[7]采用間接離子色譜法測定原油中的H2S，但由于原油黏度大、組分復雜，需先對原油的吸收液進行預處理，再將其注入離子色譜儀分析，雖然該方法的適用范圍寬，但操作繁瑣。Jin等[10]選用二氰基亞甲基-苯丙吡喃作為近紅外熒光基團，通過氰酸鹽與H2S之間的快速親核反應(yīng)，使近紅外熒光探針信號發(fā)生變化，實現(xiàn)對液體樣品中H2S的直接檢測，該方法克服了檢測響應(yīng)時間長的不足，但是合成熒光聚合物的成本較高。近年來，電化學傳感器因成本低、易攜帶等特點迅速發(fā)展，張繼東等[11]將原油在密閉環(huán)境水浴加熱至流動，利用空氣鼓泡萃取樣品中的H2S，再利用電化學傳感器對H2S進行快速測量，實現(xiàn)了復雜油樣中H2S的快速檢測，但是測量結(jié)果不夠準確，且污染嚴重。

質(zhì)譜(mass spectrometry,MS)是一種通過測定離子質(zhì)荷比對待測化合物進行定性分析，根據(jù)濃度與信號強度之間的線性關(guān)系對化合物進行定量分析的方法。由于該方法具有靈敏度高、特異性強、選擇性好等特點，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1989年，耶魯大學Fenn等[12]提出電噴霧電離源后，有效地解決了質(zhì)譜技術(shù)分析生物大分子的難題，但是樣品分析前需要繁瑣的預處理過程。為了簡化分析過程，普渡大學Cooks等[13]開發(fā)了可在常溫常壓條件下直接對樣品進行電離的常壓電離源，極大地提高了復雜樣品中目標化合物的分析效率。隨后開發(fā)了不同類型的常壓電離源，如實時直接分析電離源[14]、萃取電噴霧電離源[15]、低溫等離子體電離源[16]和紙噴霧電離源[17]等，不僅加快了樣品分析速度、降低了分析成本，而且極大地促進了常壓電離源在復雜樣品分析中的應(yīng)用。Madsen等[18]采用電噴霧電離質(zhì)譜技術(shù)研究三嗪與硫化氫的反應(yīng)產(chǎn)物，同時闡述了產(chǎn)物的生成途徑?；谒媒Y(jié)論，該課題組[19]繼續(xù)對煉油廠污垢中的H2S進行分析，探究污垢組成，為復雜樣品中H2S的檢測提供了參考。Wang等[20]采用紙噴霧電離源-質(zhì)譜技術(shù)研究不同pH值條件下三嗪與硫化氫的反應(yīng)產(chǎn)物及生成機理，為深入了解三嗪去除硫化氫過程提供了實驗基礎(chǔ)。目前，常壓電離源-質(zhì)譜技術(shù)對H2S的研究主要集中于機理探究和產(chǎn)物定性分析，而對H2S的定量分析鮮有報道。

紙噴霧電離源-質(zhì)譜技術(shù)[21]因具有操作簡單、分析速度快、重復性好、靈敏度高等特點而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護[22]、醫(yī)藥衛(wèi)生[23]和食品安全[24]等領(lǐng)域，同時也用于不同化學反應(yīng)過程的監(jiān)測[25]及H2S反應(yīng)機理的研究[20]。本研究將基于H2S與三嗪反應(yīng)可生成噻二嗪的原理，將三嗪加載于原油溶液中，通過紙噴霧電離源-質(zhì)譜法對反應(yīng)溶液進行快速分析，根據(jù)H2S與三嗪反應(yīng)產(chǎn)物的信號強度確定復雜油樣中H2S含量?；诖?，探究反應(yīng)條件對三嗪與H2S反應(yīng)效率的影響，考察方法的線性范圍和精密度等，希望為快速定量檢測復雜油樣中H2S提供方法參考。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與裝置

TSQ Quantum Access Max質(zhì)譜儀：美國Thermo Fisher科技有限公司產(chǎn)品，配有Xcalibur 2.2數(shù)據(jù)處理軟件；電熱恒溫水浴鍋：上海浦東物理光學儀器廠產(chǎn)品；QL-91渦流振蕩器：海門市其林貝爾儀器制造有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要材料與試劑

甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙腈(色譜級)、乙酸(純度≥99.8%)：北京百靈威科技有限公司產(chǎn)品；三嗪(純度97%)：北京創(chuàng)新科技股份有限公司產(chǎn)品；硫化鈉(Na2S·9H2O)：天津富晨化學試劑廠產(chǎn)品；原油1～6：陜西榆林長慶油田和延長石油集團產(chǎn)品；中速定量濾紙(直徑11 cm)：杭州特種紙業(yè)有限公司產(chǎn)品；氬氣(純度≥99.99%)：西安騰龍化工有限公司產(chǎn)品。

1.3 實驗條件

1.3.1三嗪和硫化鈉標準溶液的配制 取1.14 μL三嗪加入到1 mL水溶液中，配制成1 mL/L三嗪標準水溶液；取1 mg硫化鈉加入到1 mL水溶液中，配制成1 g/L硫化鈉標準水溶液。

1.3.2反應(yīng)溶液的配制 取1 μL 1 mL/L三嗪標準水溶液、1 μL 1 g/L硫化鈉標準水溶液和1 μL乙酸加入到997 μL乙腈(或甲醇、乙醇、異丙醇、水、丙酮和乙酸乙酯)溶液中，配制成1 mg/L三嗪和硫化鈉反應(yīng)標準溶液，常溫靜置2 h，備用。

1.3.3不同酸度反應(yīng)溶液的配制 將1 μL 1 mL/L三嗪標準水溶液轉(zhuǎn)移至998、997.5、997、993、988、948、898 μL乙腈溶液中，分別加入1 μL 1 g/L硫化鈉標準水溶液，然后向上述溶液中加入0、0.5、1、5、10、50、100 μL乙酸溶液，使乙酸的體積百分比分別為0%、0.05%、0.1%、0.5%、1%、5%、10%。

1.3.4不同反應(yīng)時間溶液的制備 取1 μL 1 mL/L三嗪標準水溶液、1 μL 1 g/L硫化鈉標準水溶液和1 μL乙酸加入到997 μL乙腈溶液中，室溫下反應(yīng)0.1～9 h后進行分析檢測。

1.3.5不同反應(yīng)溫度溶液的制備 將1 μL 1 mL/L三嗪標準水溶液、1 μL 1 g/L硫化鈉標準水溶液和1 μL乙酸加入到997 μL乙腈溶液中，在0～70 ℃下反應(yīng)2 h后進行，分析檢測。

1.3.6油樣溶液的制備 將10 μL油樣直接加入到裝有989 μL乙腈的離心管中，再繼續(xù)加入1 μL 1 mL/L三嗪標準溶液，充分振蕩1 min，室溫下反應(yīng)2 h后進行分析檢測。

1.3.7紙噴霧電離-質(zhì)譜分析 首先將濾紙剪切成底寬8 mm、高13 mm的等腰三角形，然后直接將25 μL上清液加載到紙基質(zhì)表面，施加3.5 kV直流電壓進行電噴霧分析，紙尖端與質(zhì)譜進樣口的距離約8 mm，進樣毛細管溫度270 ℃，正離子模式下記錄譜圖，分析過程示于圖1。采用碰撞誘導解離(CID)方式分析三嗪與H2S的反應(yīng)產(chǎn)物，選擇離子監(jiān)測(SRM)模式對產(chǎn)物噻二嗪的特征子離子(m/z120)進行定量分析，其中質(zhì)譜儀透鏡電壓58 V，碰撞能9 V。為確保分析數(shù)據(jù)的重復性和準確性，每個樣品平行分析4次，每次分析過程從加載樣品溶液到完成分析約1 min，其中噴霧時間約30 s。

圖1 紙噴霧電離源質(zhì)譜分析示意圖Fig.1 Schematic diagram of paper spray mass spectrometry

2 結(jié)果與討論

2.1 紙噴霧分析方法的建立

為了準確模擬樣品溶液中H2S含量，首先采用硫化鈉與乙酸原位反應(yīng)制備H2S，再利用H2S與三嗪反應(yīng)生成噻二嗪確定反應(yīng)溶液中H2S含量。三嗪分子鏈上有3個氮原子，并含有活潑氫原子，可與H2S中的S2-發(fā)生親核取代反應(yīng)生成噻二嗪，其反應(yīng)過程示于圖2a。采用紙噴霧質(zhì)譜法對原油中H2S進行分析時，由于原油顏色深且黏度大，直接分析會對質(zhì)譜進樣口造成嚴重污染，將少量原油加載到含有三嗪溶液的乙腈溶液中充分反應(yīng)后分析，可以減小對儀器的污染，反應(yīng)前后溶液的對比示于圖2b。

根據(jù)三嗪與H2S的反應(yīng)機理[26]可知，硫化鈉與乙酸原位反應(yīng)生成H2S，H2S中S2-取代三嗪中的1個氮原子生成噻二嗪(m/z193)。為了研究反應(yīng)過程，分別對反應(yīng)物進行一級質(zhì)譜掃描，硫化鈉在含乙酸的乙腈溶液中生成甲腈化鈉，示于圖3a，反應(yīng)物三嗪在加載乙酸的乙腈溶液中易水解，生成m/z74，示于圖3b；反應(yīng)物充分混合反應(yīng)后，經(jīng)一級質(zhì)譜掃描，反應(yīng)主產(chǎn)物為噻二嗪(m/z193)，示于圖3c。為了驗證主產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，采用CID方式進行確認，選擇豐度較高、干擾較小的碎片離子m/z120作為定量離子，其二級質(zhì)譜圖示于圖3d。經(jīng)反應(yīng)條件優(yōu)化，質(zhì)譜儀透鏡電壓58 V，碰撞能9 V，根據(jù)特征子離子(m/z120)的信號強度與H2S濃度成正比的關(guān)系，采用SRM模式進行定量分析。

圖2 三嗪與硫化氫的反應(yīng)原理(a)、反應(yīng)前后對比圖(b)Fig.2 Reaction principle of triazine and hydrogen sulfide (a),comparison of the photographic images before and after the reaction (b)

注：a.硫化鈉；b.三嗪；c.三嗪和硫化鈉圖3 不同物質(zhì)在含0.1%乙酸的乙腈溶液中的一級質(zhì)譜圖(a,b,c)以及噻二嗪的二級質(zhì)譜圖(d)Fig.3 Mass spectra of different compounds dissolved in acetonitrile contained 0.1% HOAc (a,b,c),and MS/MS spectrum of thiadiazine (d)

2.2 實驗條件優(yōu)化

2.2.1溶劑優(yōu)化 溶劑的極性和揮發(fā)性對H2S質(zhì)譜分析的靈敏度具有重要影響。本研究考察了甲醇、水、乙醇、異丙醇、丙酮、乙腈和乙酸乙酯等7種溶劑對反應(yīng)產(chǎn)物噻二嗪特征子離子(m/z120)信號強度的影響，結(jié)果示于圖4a?？梢钥闯?，當采用乙腈、丙酮和乙酸乙酯等非質(zhì)子化溶劑時，待測化合物的分析靈敏度明顯高于水、甲醇、乙醇和異丙醇等質(zhì)子化溶劑，這可能是因為質(zhì)子溶劑與反應(yīng)物或產(chǎn)物之間存在強烈的氫鍵作用力。對于不同類型的非質(zhì)子化溶劑，乙酸乙酯易水解；丙酮在酸存在的條件下會發(fā)生縮合反應(yīng)；乙腈穩(wěn)定性最好，且作為反應(yīng)溶劑時的分析信號最強，是其他溶劑體系的5～50倍。因此，后續(xù)實驗選擇乙腈作為溶劑。

2.2.2酸含量的影響 酸在反應(yīng)過程中提供氫離子，對三嗪與H2S的反應(yīng)影響顯著。本實驗考察了乙酸含量對產(chǎn)物噻二嗪特征子離子(m/z120)信號強度的影響，結(jié)果示于圖4b。可以看出，隨著乙酸含量的增加，噻二嗪特征子離子的分析信號強度先增強后降低；當乙酸含量低于0.1%時，Na2S轉(zhuǎn)化不完全，生成的H2S含量較少，特征子離子的信號強度較低；當乙酸含量高于0.1%時，由乙酸與Na2S之間的反應(yīng)摩爾比可知，反應(yīng)體系中酸過量，此時三嗪不穩(wěn)定，導致產(chǎn)物噻二嗪生成速率降低，信號強度降低；當乙酸含量為0.1%時，信號強度最強。

2.2.3反應(yīng)時間的影響 本實驗考察了不同反應(yīng)時間對噻二嗪信號強度的影響，結(jié)果示于圖4c?？梢?，反應(yīng)時間在0.5～2 h時，噻二嗪的信號強度隨反應(yīng)時間的延長而增強；當反應(yīng)時間超過2 h后，信號強度顯著下降。這是由于隨著反應(yīng)時間的延長，Na2S轉(zhuǎn)化完全，產(chǎn)物噻二嗪的生成量增加；當反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化后，由于噻二嗪的穩(wěn)定性較差而分解，使其信號強度降低。

圖4 反應(yīng)溶劑(a)、乙酸含量(b)、反應(yīng)時間(c)和溫度(d)對噻二嗪特征子離子(m/z 120)分析信號強度的影響Fig.4 Effect of reaction solvent (a),acetic acid content (b),reaction time (c) and temperature (d) on signal intensity of thiadiazine characteristic ion (m/z 120)

2.2.4反應(yīng)溫度的影響 本實驗考察了不同反應(yīng)溫度對噻二嗪信號強度的影響，結(jié)果示于圖4d。可見，隨著溫度升高，噻二嗪的信號強度呈先增加后降低的趨勢；當溫度為30 ℃時，噻二嗪的信號強度最強。這是由于溫度升高促使三嗪與H2S反應(yīng)生成噻二嗪，繼續(xù)升高溫度，三嗪水解程度增大、濃度降低，使噻二嗪的生成量減少，信號強度下降。

2.3 分析性能

2.3.1標準曲線、檢出限和精密度 準確配制1 mg/L硫化鈉標準溶液，通過逐級稀釋，得到0.01～500 μg/L硫化鈉系列標準溶液。在優(yōu)化的實驗條件下向其中加入0.1%乙酸和1 μL 1 mg/L三嗪標準溶液，采用紙噴霧質(zhì)譜法對反應(yīng)溶液進行定量分析，每個濃度做4次平行實驗，結(jié)果示于圖5。可以看出，在0.1～1 000 μg/L濃度范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.998，檢出限為0.041 μg/L，相對標準偏差(RSD)為4.27%。通過連續(xù)5天對H2S定量分析以驗證方法的精密度，R2均大于0.99，結(jié)果示于附圖1(請登錄《質(zhì)譜學報》官網(wǎng)http:∥www.jcmss.com.cn下載，以下同)。同時考察了1天6次不同時間段的日內(nèi)精密度和連續(xù)5天的日間精密度，結(jié)果分別為3.04%和3.18%。結(jié)果表明，該方法的穩(wěn)定性較好，能夠滿足復雜油樣中H2S檢測的需求。

注：溶劑為乙腈，酸含量0.1%，反應(yīng)時間2 h，溫度30 ℃，樣品加載量25 μL圖5 紙噴霧質(zhì)譜法對噻二嗪的質(zhì)譜分析(a)和定量分析(b)Fig.5 MS analysis (a) and quantitative analysis (b) of thiadiazine by paper spray-mass spectrometry

2.3.2方法學比較 H2S定量分析方法包括光譜法、電化學法、色譜法和質(zhì)譜法，不同方法學的比較情況列于表1。亞甲基藍分光光度法是根據(jù)亞甲基藍的顏色變化確定H2S濃度，該方法的檢出限低，但線性范圍窄[26]；催化發(fā)光傳感器利用固體催化劑對H2S的特異性使催化劑表面發(fā)光，進而實現(xiàn)H2S檢測，該方法分析速度快，但檢出限高[27]、誤差大；電化學傳感器法是通過電化學反應(yīng)產(chǎn)生的電流變化確定H2S濃度，該方法的線性范圍寬[28]，但使用壽命短；氣相色譜是檢測易揮發(fā)性化合物的常用方法，但在檢測原油中H2S時，需先在密閉環(huán)境將原油加熱至流動，使其中的H2S以氣態(tài)形式釋放，然后采用氣體吹掃方法使其進入氣相色譜儀進行檢測，該方法的檢出限低[29]，但操作過程繁瑣、分析誤差大；質(zhì)譜法可直接分析經(jīng)有機溶劑萃取的原油反應(yīng)樣品，具有樣品用量少、操作簡單等優(yōu)點。本實驗采用納升電噴霧電離源(nanoESI)-質(zhì)譜法對H2S進行定量分析，檢出限為0.960 μg/L，結(jié)果示于附圖2。相比以上方法，PSI對H2S分析具有更高的靈敏度和更低的檢出限，分析過程所需的耗材價格低廉，同時無需對管路系統(tǒng)進行繁瑣的洗滌等步驟，在H2S定量分析方面有著良好的應(yīng)用前景。

2.4 實際樣品檢測

分別移取6種10 μL原油樣品、1 μL 1 g/L三嗪標準水溶液和989 μL乙腈溶液，30 ℃靜置2 h后進樣分析，6種原油樣品中H2S的檢測結(jié)果列于表2。可見，原油1中未檢測出H2S；原油2～6中均檢測出了H2S，但含量較低。在10、50、100 μg/L添加水平下，進行回收率測定，計算出回收率為91.7%～103.5%，標準偏差為1.2%～4.3%。

表1 不同方法對H2S分析性能的對比Table 1 Comparison of the analysis performance of H2S using different methods

表2 精密度和加標回收率實驗結(jié)果(n=6)Table 2 Results of precision and apiked recovery (n=6)

3 結(jié)論

本研究基于三嗪與硫化氫反應(yīng)生成噻二嗪的原理，建立了一種操作簡單、分析速度快、耗材低廉的紙噴霧電離源-質(zhì)譜法用于檢測復雜油樣中硫化氫。該方法具有檢出限低(0.041 μg/L)、回收率高(91.7%～103.5%)、精密度好(1.2%～4.3%)等優(yōu)點，有望成為分析復雜原油中硫化氫的可選策略。