新型離子遷移譜技術應用于水中丙酮、苯酚的檢測

竇懷智 江 濤 張曉冬 童 捷 潘生林

(1.南通出入境檢驗檢疫局，南通 226004；2.南京出入境檢驗檢疫局，南京 210000)

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儀器應用

新型離子遷移譜技術應用于水中丙酮、苯酚的檢測

竇懷智1江 濤1張曉冬1童 捷2潘生林2

(1.南通出入境檢驗檢疫局，南通 226004；2.南京出入境檢驗檢疫局，南京 210000)

利用FAIMS(強場非對稱波形離子遷移譜)芯片搭建的檢測設備，成功實現了對水中微量丙酮和苯酚的檢測。痕量氣體發生器將含丙酮、苯酚的水樣蒸發，由載氣將蒸汽帶入檢測核心，得到相應的信號，并通過軟件轉化為對應的譜圖；對比背景和含有機物水蒸氣的譜圖，可確定有機物在譜圖上的位置。通過正負模式選擇，交變電場強度和補償電壓大小的調節，可以分別檢出水中的丙酮和苯酚。該設備對不同濃度樣品檢測結果顯示檢測信號值與濃度成高度正相關。

離子遷移譜 丙酮 苯酚

大江大河一般既是沿岸城市的水源地也是重要的運輸通道，運送工業原料的化工品船行駛過程中如果發生泄漏或者違規排放洗艙水就會危害到沿岸民眾的生命健康，影響他們的正常生活。因此，對相關水域的水質進行快速檢測甚至實時監控的需求日益迫切。離子遷移譜(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技術[1]無需真空環境，可直接在常壓下工作，具有功率要求低，檢測速度快的優點[2]。使用了微加工技術的強場非對稱波形離子遷移譜(Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry, FAIMS)技術[3-5]，在進一步解決了傳統離子遷移譜技術分辨率低、體積大的問題的同時，大幅提高了檢測速度[1]，為滿足這種需求提供了較好的解決方案。本課題組長期跟蹤FAIMS技術的發展，與產業合作方蘇州微木智能系統有限公司致力于開發出能夠滿足日常檢驗監管工作的檢測設備，本文專門討論了設備用于檢測近年來多次泄漏污染事件涉及的丙酮和苯酚的情況。圖1是FAIMS檢測核心的結構原理圖，樣品氣化和電離的程度直接影響檢測結果，與食品安全領域的應用[6,7]相比，FAMIS技術搭建的檢測設備對水中丙酮和苯酚的檢測具有更好的適用性。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

檢測平臺的工作流程如圖2所示。整個檢測流程以潔凈空氣作為載氣(由空壓機作為氣源，結合濾芯進行過濾凈化)，利用兩臺流量控制器(MFC)分別對兩路氣流進行控制(根據流量比的不同調節待測樣品氣體的濃度)，載氣與樣品氣混合后帶入檢測器，進行測試數據采集，測試時的氣壓由氣路中的壓力調節閥控制。

1.2 樣品制備

分別稱取苯酚和丙酮各0.10 g，使用100 mL容量瓶定容，逐級稀釋，分別配制濃度為5 mg/L、25 mg/L和50 mg/L的待測水溶液。將待測水溶液加入擴散管，管口覆蓋2層PTFE濾膜及密封墊圈，使用封蓋密封保存待測。

2 儀器工作參數

2.1 設備參數

將待測樣品放入痕量氣體發生器(VG爐)密封，設定加熱溫度50℃，調節壓力閥使得壓力數值達到1bar，總流量值2000 mL/min，氣流穩定后，點擊測試軟件開啟掃描, 輸出結果。將加入純水的金屬擴散管放入VG爐中，設定MFC2流量值2000mL/min(MFC1僅在濃度過高時用于稀釋流量)，測得的結果作為背景值。

2.2 鑒別檢測

如圖1結構原理所示，樣品分子或載氣電離生成的氣相離子在FAIMS的交變電場和補償電壓作用下實現分離和檢測，圖3為交變電場下的三維圖譜，水中丙酮采用正模式檢測即正離子掃描，水中苯酚檢測采用負模式即負離子掃描。圖中橫座標是補償電壓(CV)，單位是V，縱座標是場強，以最大場強的百分比計，顏色深淺區別離子濃度高低。對比背景和加入待測樣品后的數據信號，確定待測物質的特征信號。水分子增多使得電離產生的離子增多，增加了待測物質離子的碰撞頻次，離子團的質量和氣體密度也相應增加，導致離子團的平均自由程減小，離子遷移率降低。離子遷移率的大小與離子凈位移(CV，補償電壓)成正比，因此濕度增大，會導致離子團凈位移減小，使得離子峰的CV值向CV=0的位置偏移，反之亦然。離子遷移率同時也受到電場方向和強度大小的影響，因此檢測結果顯示，正模式下丙酮峰位(CV值)隨著樣品濃度的增加會逐漸向負方向漂移(見表1)，而負模式下苯酚峰位沒有出現漂移。

綜合信號強度、背景干擾等因素選擇某一場強對應的掃描信號轉換成二維圖，圖4和圖5分別為場強54%時正模式背景、水中丙酮、負模式背景和水中苯酚的二維譜圖。圖中橫坐標為補償電壓(CV)，單位是V，縱軸是相對離子電流強度AU。三維強場圖中，當有丙酮、苯酚存在時出現了背景以外的顯著信號；在二維譜圖上，丙酮、苯酚均有獨立的信號峰，說明實驗使用的檢測設備可以對水中的丙酮和苯酚進行有效地檢測。

2.3 不同濃度的檢測

表1 不同流量比條件下丙酮和苯酚的FAIMS檢測結果

*注：電流值為相對量，無單位，已扣除背景電流值

3 結論

利用強場非對稱微芯片的離子遷移譜技術搭建了水質檢測設備。實驗數據顯示，該檢測設備不單能分離鑒別出水中丙酮和苯酚，還能進行較為準確的定量。該設備體積小，結構簡單，無苛刻的環境要求，檢測時間大大縮短，為開發水中有毒有機物的現場快速檢測設備打下基礎，也為監控化工品運輸中的滲漏污染或洗艙水排放提供了新手段。本研究使用的檢測手段相較樣品萃取后采用氣相色譜等的傳統檢測方法更快捷高效，能夠切合實際工作需求，推廣應用后將大大提升監管機構的檢測和應急能力。

[1] Eiceman G A, Karpas Z, Ion mobility spectrometry. CRC Press: 1994.

[2] Borsdorf H, Mayer T, Zarejousheghani M, Eiceman G A, Appl Spectrosc Rev, 2011, 46 (6):472-521.

[3] Buryakov I A, Krylov E V, Nazarov E G, Rasulev U K. Int J Mass Spectrom Ion Processes, 1993, 128 (3):143-148.

[4] Shvartsburg A A, Tang K Q, Smith R D, Holden M, Rush M, Thompson A, Toutoungi D. Anal Chem, 2009, 81 (19):8048-8053.

[5]劉坤, 唐飛, 王曉浩, 魏學業, 熊繼軍. 物理化學學報, 2009, 25 (8):1662-1670.

[6] 竇懷智, 江濤, 張曉冬, 侯晉. 分析儀器， 2014, (1):88-92.

[7]竇懷智, 江濤, 張曉冬, 侯晉. 化學通報. 2014, 77(2):178-181.

Determination of acetone and phenol in water by FAIMS.

Dou Huaizhi1,Jiang Tao1,Zhang Xiaodong1,Tong Jie2,Pan Shenglin2

(1.NantonEntry-ExitIspectionandQuarantineBureau,Nantong226004,China; 2.NanjingEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Nanjing210000,China)

The equipment based on FAIMS(Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry) chip was used to detect acetone and phenol in water successfully. Acetone and phenol in water were vapored by a trace gas generator. The mixture was sent to the chip core, then the signal was achieved and transformed into the spectrograph. The organic gas was confirmed and detected by comparing spectrograph of background with spectrograph of organic gas. The acetone and phenol in water could be determined separately by regulating the force of alternating electric field and choosing the mode of compensation voltage in positive or negative. The test results showed that the concentration of organic gas had a relationship in direct proportion with the signal value.

ion mobility spectrometry; acetone;phenol

江蘇出入境檢驗檢疫局科研項目，計劃編號:2015KJ07

竇懷智，男，1982年出生，碩士，從事化學分析工作，E-mail：redestspring@163.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.06.002

2016-05-01