（应用化学专业论文）亚硝胺检测器的研制与评价.pdf

硕士论文 亚硝胺检测器的研制与评价 摘要 亚硝胺检测器是一类氮专属响应检测器，具有灵敏度高、线性范围宽、选择性好等 特点。本课题研制了一种亚硝胺检测器，并对其进行了性能评价。 设计采用裂解管、臭氧发生器、反应池、真空泵等单元部件，制造了一种适用与气 相色谱联用的亚硝胺检测器。通过对各个单元的优化，确定了自制亚硝胺检测器的相关 关键参数，具体如下：裂解管长度2 0 c m ，内径为l m m ；臭氧发生器采用c f y l 0 1 ；最 佳氧气流速为2 5 s c c m ；裂解温度5 0 0 ；真空压力在17 0 3 0 0 p a 内；色谱柱与裂解管直 接连接且连接长度为2 2 c m 。 以研制的亚硝胺检测器为研究对象，参照火焰光度检测器性能评价标准，发展了一 种亚硝胺检测器的评价方法，并对比评价了自制亚硝胺检测器、氢火焰离子化检测器、 紫外可见检测器三种检测器测试亚硝胺的性能。结果表明：以二甲基亚硝胺为测试标样， 亚硝胺检测器的噪声和基线漂移分别为1 1 1 0 5 v 和2 1 0 一v h ，9 针连续进样分析，保 留时间的r s d 为o 8 ，峰高r s d 值为2 4 ，具有等摩尔响应的特点；相比氢火焰离 子化检测器和紫外可见检测器，自制亚硝胺检测器具有更高的检测灵敏度。 自制亚硝胺检测器，虽然在线性范围和灵敏度上还有待提高，但大部分性能指标接 近商品化亚硝胺检测器，为进一步完善设计、填补国内商品化产品空白提供了有力的数 据支持。 关键词：亚硝胺检测器，研制，优化，评价 a b s t r a c t 亚硝胺检测器的研制与评价 a b s t r a c t n i t r o g e no x y g e nd e t e c t o r ( n o d ) i so n ek i n do fn i t r o g e ns p e c i f i cd e t e c t o r t h es t r e n g t h s t e m sf r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲s e n s i t i v i t y , s e l e c t i v i t ya n dw i d el i n e a rr a n g e ，e t c p r e s e n t e dh e r ei sa b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i n go f n o d n o d a p p l i e dw i t hg cc o n s i s t e do fp y r o l y z e dt u b e ，o z o n eg e n e r a t o r , r e a c t i o nc h a m b e r a n dv a c c u mp u m p e a c hu n i tw a so p t i m i z e dt oo b t a i nt h ek e yp a r a m e t e r so fn o d ：w i t ha 2 0 c ml e n g t hp y r o l y z e dt u b e ( 1m mi d ) a n dc f y l - 01o z o n eg e n e r a t o r , t h eo p t i m a lo x y g e n f l o wr a t ea t2 5 s e e m ( s t a n d a r d s t a t ec u b i cc e n t i m e t e rp e rm i n u t e ) ，t h ep y r o l y z e dt e m p e r a t u r ea t 5 0 0 c ，t h ev a c u u mp r e s s u r ew i t h i n1 7 0t o3 0 0 p aa n dt h ep y r o l y z e dt u b e 州廿1t h ec o l u m n d i r e c t l ya tal e n g t ho f2 2 c m r e f e r r i n gt ot h ee v a l u a t i o nc r i t e r i ao f f l a m ep h o t o m e t r i cd e t e c t o r ( f p d ) ，am e t h o df o r e v a l u a t i n gn o d w a sd e v e l o p e d t h ep e r f o r m a n c eo fn o dw a st e s t e db yt h ec h o s e nm e t h o d a n dt h ec o m p a r i s o na b o u tt h ep e r f o r m a n c eo fn o d ，f i da n du vw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h en o i s ea n dd r i f tw e r e1 1xl0 弓va n d2 x10 。v hr e s p e c t i v e l y ；t h e r e t e n t i o nt i m er s da n dt h ep e a kh e i g h tr s dw e r e0 8 a n d2 4 ( n - - 9 ) c o m p a r e dw i t hf i d a n du vn o dw a sm o r es e n s i t i v i t y a l t h o u g ht h ep e r f o r m a n c eo fs e n s i t i v i t ya n dl i n e a rr a n g es h o u l db ei m p r o v e d ，s e v e r a l f i g u r e so ft h i sn o d w a sp r e s e n t e dt os h o was i m i l a rp e r f o r m a n c ew i t hac o m m e r c i a l i z e do n e i tp r o v i d e das t r o n gd a t as u p p o r tf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n ta n df i l l i n gt h ed o m e s t i cp r o d u c t s g a p k e yw o r d ：n i t r o g e no x y g e nd e t e c t i o n , m a n u f a c t u r e ，e v a l u a t i o n , o p t i m i z a t i o n 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：_ 二阻 2 。f 。年6 月沈日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：11 童：2 0l o 年6 月三2 日研究生签名：j ：里：年6 月三2 日 硕士论文亚硝胺检测器的研制与评价 1 绪论 夏天又到了，人们在畅饮啤酒的时候，是否意识到将啤酒中的致癌物亚硝胺也 送入了口中呢? 除了啤酒，亚硝胺还广泛存在于酸菜、烟熏火腿等食物中。1 9 7 7 年德国 就曾对1 5 5 个啤酒样品的亚硝胺含量进行检测，得出7 0 以上的啤酒n 二甲基亚硝胺 含量为o 5 p p b 1 1 。冯新引2 1 对甘肃省部分啤酒和肉制品中的亚硝胺进行了检测，亚硝胺 检出率为8 1 2 。随着人们对食品安全的关注，亚硝胺物质的研究逐渐成为分析检测领 域的热点之一。 1 1 亚硝胺概述 1 1 1 亚硝胺的定义 亚硝胺是一类致癌性很强的化合物，通常指含有n - n = o 的物质，即由一个亚硝基 ( n o ) 和一个仲胺基的氮原子相互键合。结构式如图1 1 所示。 n 一临。 图1 1 亚硝胺的结构式 f i g1 1t h es t r u c t u r eo fn i t r o s a m i n e r l 、r 2 可以为烷基、环烷基、芳香环或杂环，结构可以相同也可以不同，当r l 等于 r 2 时，称为对称性亚硝胺，如n 二甲基亚硝胺( n d m a ) 和n 二乙基亚硝胺( n d e a ) 。 当rl 不等于r 2 时，称为非对称性亚硝胺，如n 甲基乙基亚硝胺。根据蒸汽压的不同，亚 硝胺又可分为挥发性亚硝胺和非挥发性亚硝胺。食品中【3 1 发现的亚硝胺多为二甲基亚硝 胺、二乙基亚硝胺、二丁基亚硝胺( n d b a ) 、亚硝胺吡咯烷( n p y r ) 、亚硝基吗啉 ( n m o r ) 、亚硝基哌啶( n p i p ) 等。 低分子量的亚硝胺在常温下为黄色液体，高分子量的亚硝胺多为固体。除了某些n 亚硝胺( 如n 亚硝基二甲胺、n 亚硝基二乙胺、n 亚硝基二乙醇胺以及某些n 亚硝基氨 基酸) 可以溶于水，大多数亚硝胺都不溶于水，仅溶于有机溶剂中。亚硝胺在水溶液中 不易水解，在中性和碱性环境中比较稳定，但在酸性条件下长期加热可以部分的发生去 亚硝基化作用【4 1 。亚硝胺在紫外光照射下可发生光解反应【5 1 。 i i 2 亚硝胺的危害 已有实验证明【6 1 ，在已检测的3 0 0 种亚硝胺类化合物中，有9 0 至少可诱导一种动 物致癌。用n 二乙基亚硝胺对4 0 种种属的动物致癌性进行测试，尚未见有抵御的种属， l 绪论硕士论文 即使与人类的血缘关系最近的灵长类动物也未能幸免【_ 7 1 。亚硝胺致癌性很强，不仅小剂 量长期接触可以致癌，而且一次大剂量冲击也可引起肿瘤。它的致癌性瞪j 还存在着器官 特异性，并与其化学结构有关，如二甲基亚硝胺是一种肝活性致癌物，同时对肾脏也表 现有一定的致癌活性；二乙基亚硝胺对肝脏和鼻腔都有一定的致癌活性。一般来说，对 称性二烷基亚硝胺多诱发肝癌，不对称性的二烷基亚硝胺多诱发食管癌。此外，亚硝胺 还可通过胎盘使子代受损【9 1 。人们喜欢食用的盐腌菜、酸泡菜等物质是增加肿瘤发病的 危险因素，就是因为这类菜中直接含有或间接合成了亚硝胺【l o 】。中国医药科学院的施l 江【l l 】等人比较了胃癌高发区胃癌患者和正常者胃液的挥发性亚硝胺的含量。结果表明胃 癌组二甲基亚硝胺、二乙基亚硝胺含量及亚硝胺总量都比正常组有显著增高。 1 1 3 亚硝胺的检测方法 自人们发现n 亚硝胺以来，研究人员对n 亚硝胺的检测方法的探索从未停止过。 用于亚硝胺的检测方法【1 2 】有薄层层析法、分光光度比色法、g c t e a 、h p l c t e a 等。 ( 1 ) 薄层层析法 薄层层析法【1 3 】由于设备简单最早应用于n 一亚硝胺的检测。采用先在层析板上点板， 然后用紫外光照射，喷各种喷雾剂，用标准品观察颜色进行定性。这种方法适合简单的 样品，但灵敏度和特异性低目前已被其他方法代替。 ( 2 ) 分光光度比色法 分光光度比色测定法【1 4 】是将n 亚硝胺先转化为亚硝酸根离子，然后利用n o 。与磺 胺盐酸萘乙二胺的显色反应进行定性定量。分光光度比色法只能用于测定n 亚硝 胺的总量。此法的缺点是亚硝酸盐干扰大。 ( 3 ) 气相色谱法 气相色谱法是目前检测亚硝胺最常用的方法之一。氢火焰离子化检测器( f i d ) 最 先与g c 连接用于测定亚硝胺。但由于缺乏特异性，样品提取物中会存在着一些混合物 干扰分析，于是很快被其他检测器所代替。随后又发展了电子捕获检测器、氮磷检测器。 由于某些物质中的亚硝胺，比如烟草中特有的亚硝胺含量甚微，在p p m 甚至p p b 级上【1 5 】，而上述方法缺乏特异性和高灵敏度，所以给亚硝胺的定量定性带来了难度。1 9 7 5 年，热能分析仪( t h e r m a le n e r g ya n a l y z e r ) 1 6 】的出现较好的解决了这个问题。热能分析 仪利用氮化学发光的特性进行检测，具有特异性强、灵敏度高( 检测限为p g 级) 、线 性范围宽( 6 个数量级) 等特点。在此后的几十年中氮化学发光检测器尤其是热能分析 仪在亚硝胺检测领域中一直处于主导位置，特别是与高分离效果的色谱仪联用的实现， 使得到目前为止仍有9 5 的亚硝胺的检测工作是通过色谱与热能分析仪联用来完成的。 2 颐论立硝胺檀d 器研制与评价 1 2 亚硝胺检测器的概述 1 2 1 亚硝胺检测器的发展 1 9 7 0 年，当f o n t i j n 【l ”等人证明了利用n o 0 3 反应放出的光强可定量检测空气污染 物浓度的可行性之后，两类基于以上机理的n 避择性检测器形成并且发展起来。第一 类是热能分析仪( t h e r m a le n e r g y m a l y z e r ，t e a ) ，它由f i n e i i ”等人提出，通过低温加 催化剂裂解分析检测n 一亚硝胺；第二类是化学发光氮检测器( c h e m i l u m i n e s c e n t n i t r o g e n d e t e c t o r ，c l n d ) ，最初由p a r k s 和m a r i e t t a t ”j 提出，通过高温裂解含氢有机物检测含氮 物质的存在。以后亚硝胺检测器的发展就是在这两类仪器的基础上进行优化和完善。 1 2 2 商品化的亚硝胺检测器 虽然亚硝胺检测器的研究较早，但发展到今天，商品化的检测器数量不多且价格昂 贵。目前，国际上已经商品化的亚硝胺检测器仅有三类，国内尚属空白。 雹12 t e a 6 1 0 ( 左) 和t e a 8 1 0 ( 右) 实物图 f i 9 12p h y s i c a l m a po f t e a 6 10 ( i n ) a n d t e a s l 0 一类是原来由美国热电公司生产销售，现在由英国c s i 公司生产的热能分析仪 川a 。原有型号有两种5 1 0 * n 6 1 0 ，t e a 6 1 0 热能分析仪只能连接气相色谱仪构成 g c t e a 分析系统，特异性对食品、烟草和烟气中的亚硝胺进行分析。t e a 6 1 0 共有三种 模式，亚硝胺模式、硝基模式和氮模式。亚硝胺模式用于单纯分析亚硝胺类物质，即具 有- n - n o 结构的物质，硝基模式用于分析含有硝基类的物质，即具有x - n 0 2 类的物质， x 可以为c ，n ，o 。氮模式则是分析除了n 2 以外的含氮化台物。其对氮元素的检测限低 于1 0 0 1 克n s e e 。5 1 0 型既可以连接h p l c 也可以连接g c ，其主要区别是5 1 0 比6 1 0 多一套 捕集h p l c 流动相的装置，这两个型号的产品电路技术较落后，属于七八十年代的电子 技术水平，现己停产，取代6 1 0 的是型号8 1 0 的产品，而取代5 1 0 型号的产品还没有出现。 论文 图13 n c d ( 左) 和c l n d ( 右) 实物图 f i g 3p h y s i c a l m a p o f n c d ( 1 e 劫a n d c l n d ( r l 曲n 另一类是氮化学发光检测器n c d ( n i t r o g e nc h e m i l u m i n e s c e n c ed e t e c t o r ) ，n c d 只有一个型号2 5 5 ，只能与g c 联机，原来由美国g e 公司生产，现在被安捷伦公司收购 由安捷伦公司生产销售，在2 0 0 7 年刚推向市场。n c d 的特点是运用s i e v e 双等离子体裂 解装置，运行时间短，分辨率高，线性范围跨越4 个数量级，并且长时间内的稳定性好， 具有高度的专用性对烃几乎没有响应。与氮磷检测器( n p d ) 相比，n c d 不容易淬灭。 第三类是由美国a n t c k 公司生产的氮化学发光检测器，共有两种型号a n t e k 一7 0 9 0 和 a m e k - c l n d 8 0 6 0 。7 0 9 0 专门与气相色谱相连，而c l n d s 0 6 0 是氮化学发光h p l c 专用检 测器，其灵敏度 03 n g n ，线性范围可达四个数量级，重现性兰3 。后两类检测器都含 有氨模式和亚硝胺模式，氨模式主要针对除了氮气外的一切古氮化台物的分析，而亚硝 胺模式则只针对亚硝胺类物质的检测。这两种模式的区别在于形成n o 的方式不同。氢 模式采用氧气氧化含氮化舍物产生n o ，而亚硝胺模式则是直接裂解样品得到n o 。三类 检测器性能对比见表11 。 表11 三类商品化检测器性能参数对比 t a b llp e r f o 丌t i a n c e o f d i f f e r e n tc o m m e r c i a ld e t e c t o r s 由于关键技术一直受国外垄断，国内还未见商品化的亚硝胺检测器。七十年代初中 硕士论文 亚硝胺检测器的研制与评价 国科学院环境化学研究所曾研制了一台热能分析仪【1 9 1 ，并与国产气相色谱仪联用对水、 土壤、蔬菜、水果、奶制品、粮食、肉类、鞣革废液以及人的胃液等大量样品做了分析， 但未见规模化生产。 1 2 3 亚硝胺检测器的原理 亚硝胺检测器是通过检测样品转化成的n o 与0 3 反应所放出的近红外光的大小来 确定样品含量的，其工作机理是基于n o 0 3 的化学发光。亚硝胺中n - n o 键较弱，离解 能大约为8 - 4 0 1 9 】千卡克分子，而有机化合物中大多数键的离解能为6 0 1 0 0 千卡克分子。 因此，可选用合适的条件使n - n o 键断裂产生亚硝酰基( n o ) ，而不破坏其它键，这是 n 亚硝胺所特有的。亚硝胺检测器的检测机理共分为两步：裂解和化学发光。亚硝胺物 质首先在合适的条件下裂解，然后与臭氧反应，反应过程如下： i 一一堡 裂解 一 r 卜n = o r 夕+ n o n o + 0 3jn o ：+ 0 2 + 4 7 8 k c a l m o l n 0 2 专心+ 胁 m 帮 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 亚硝酰基与臭氧反应在室温下迅速生成激发态的二氧化氮，当激发态的二氧化氮衰 减回到基态时，会发出特征的近红外辐射( 6 0 0 2 0 0 0 h m ) 。c l y n e l 2 0 】等人详细研究了n o 0 3 的反应机理，并指出发光强度与n o 、0 3 的浓度有关，如式( 1 4 ) 所示。式中，i o 是固 定值， m 】是系统总压力。当臭氧过量时，反应就转变成了准一级反应，发出的光线强 度与亚硝胺的浓度成正比，通过检测光强就可以线性定量地测定n 亚硝胺。由于n o 0 3 发出的光有特征性，检测器可以选择性的检出含亚硝基结构的物质，而对其他不含氮的 物质没有响应。 1 2 4 亚硝胺检测器的应用现状 亚硝胺检测器的高特异性使样品的前处理变得简便、快速，因此受到很多检测领域 的亲睐。 1 2 4 1 亚硝胺检测器在烟草中的应用 烟草特有亚硝胺( t s n a s ) 是烟草和烟气中一类具有强致癌性的化合物，其中n 亚硝基降烟碱( m n ) 、n 亚硝基新烟碱( n a t ) 、n 一亚硝基假木贼碱( n a b ) 和4 ( n 甲基亚硝胺基) 1 ( 3 吡啶基) 1 丁酮( n n k ) 研究得最为深入。由于t s n a 在烟 草中的含量极微，一般质量浓度均在l o 6 1 0 母级【2 1 1 ，而且每一种t s n a 含量各不相同且存 5 l 绪论 硕士论文 在体系极其复杂【2 2 出】，因此对样品进行常规的气相色谱分析时前处理繁杂且检测器的精 度很难满足定量分析的要求。直至u 1 9 7 5 年，f i n e 2 5 粕1 等采用热能分析仪( t e a ) 实现了对 t s n a s 的检测，使得热能分析仪与气相色谱仪或高效液相色谱仪联用具有其它方法不可 替代的作用。 李文寿【2 7 】使用s p b 5 大孔毛细管柱( 3 0 m x 0 5 3 m m ) 热能分析仪，从烟叶中同时 测定了6 种挥发性亚硝胺、3 种非挥发性亚硝胺和4 种烟草特有亚硝胺，从用剑桥滤片 器收集的烟气中同时分离出1 2 种亚硝胺，并研究了热能分析仪对不同亚硝胺的响应因 子，从结果看出除n b p a ，n d b a 和n d e a 外，热能分析仪对所有亚硝基化合物的响应 值很接近。王德平、朱建华1 2 8 】等人比较了烟草及卷烟烟气中亚硝胺的检测方法，指出 g c t e a 和s m 方法都是检测卷烟中亚硝胺含量的主要手段，g c t e a 长于基础研究和 精细分析，能将卷烟中的各种亚硝胺分离测定。张峻松【2 9 】等人对比了氮磷检测器和热能 分析仪测定t s n a s ，得出结论t e a 检测结果精确度高，前处理步骤简单，且能检出含 量极低的n a b 。 同时，亚硝胺检测器也被广泛应用在烟草行业标准中。中华人民共和国烟草行业标 准【3 0 】规定了烟草及烟草制品中烟草特有n 亚硝胺的测定方法，通过气相色谱热能分析 联用仪( g c t e a ) 定量分析检测其中4 种t s n a s 的含量。而在2 0 0 8 年1 2 月3 1 日最新发布 的卷烟主流烟气总粒相物中烟草特有n 亚硝胺的测定【3 l 】也采用了气相色谱一热能分析 联用法。 1 2 4 2 亚硝胺检测器在橡胶领域中的应用 添加有某些促进剂的橡胶制品在硫化过程中可产生各种类型的亚硝胺【3 2 1 。在特定的 使用环境下，橡胶制品中的亚硝胺被释放出，就会对人体造成巨大的危害。但橡胶中的 n 一亚硝胺含量低且提取困难，几乎所有橡胶制品中的n 亚硝胺检测都使用亚硝胺检测 器。 t h o m p s o n t 3 3 】等人用高温矿物油提取法，从剪碎后用二氯甲烷浸泡过的婴儿橡胶奶 嘴中提取挥发性的亚硝胺，g c t e a 分析结果得出，三份待测橡胶奶嘴中均检出n 二丁 基亚硝胺。 国外在出台关于检测橡胶制品中n 一亚硝胺的标准时都明确指出用亚硝胺检测器作 为检测仪器。1 9 9 9 年，欧洲标准协会和美国材料与实验学会相继出台了检测婴儿橡胶奶 嘴及抚慰品中n 亚硝胺及n 亚硝基化合物的方法标准【3 4 1 ( e n1 2 8 6 8 1 9 9 9 ) 。标准规定 了亚硝胺检测器是一类具有足够灵敏度的发光检测器，i s o c d2 9 9 4 1 t 3 5 1 规定用g c t e a 的方法检测从天然乳胶避孕套迁移到各种介质中的亚硝胺。 1 2 4 3 亚硝胺检测器在食品中的应用 食品是人体摄入亚硝胺的重要来源，其含量都在“g k g 级水平，而且由于食品成份 复杂，含有大量的干扰物质，因此检测较困难。f i d d l e rw 【3 6 】用双柱气相色谱一t e a 法分 6 硕士论文亚硝胺检测器的研制与评价 离检测火腿中的n 亚硝基噻唑烷与n 亚硝基吡咯烷，最小检测限分别为1 2 p p b 和 1 5 5 p p b 。杨容甫【3 7 】等人建立了用矿物油真空蒸馏，再用二氯甲烷萃取，后用g c t e a 检 测食品中挥发性的亚硝胺，该法对n d m a 的检测限为0 2 p p b ，回收率为8 0 2 。国家标 准g b t5 0 0 9 2 6 1 9 9 6 t 3 8 】也规定了啤酒中挥发性n 亚硝胺的检测方法为气相色谱一热能 分析仪法。此标准适用于啤酒中n 二甲基亚硝胺含量的测定。g b2 7 5 8 8 1 3 9 】规定了发酵 酒的卫生标准，其中n 亚硝基二甲胺允许量的检测方法为气相色谱一热能分析法 ( g c t e a ) ，确证用气相色谱质谱联用仪( g c m s ) 。 1 2 4 4 亚硝胺检测器在环境领域中的应用 近年来，环境污染越来越严重，有报道【4 0 】称饮用水中的n 二甲基亚硝胺和其他亚 硝胺类物质是由工业造成的地表水污染和饮用水、污水处理过程中所引起的。1 9 9 7 年， 美国环保局1 4 l j 将几种亚硝胺物质包括n 二甲基亚硝胺列为人类致癌物，并估计当饮用 水中亚硝胺的含量在o 2 2 0 n g l 时会有致癌的危险。 j a n e le 【4 2 】采用氮磷检测器和c l n d 分析水体中的亚硝胺物质，并比较了他们的性 能。结果显示两种检测器都可用于同时分析复杂水体和饮用水中的多种亚硝胺物质。分 析n 二甲基亚硝胺和其他七种挥发性亚硝胺时，c l n d 的灵敏度高于氮磷检测器，对 n d m a 的检出限略低于氮磷检测器，仪器检出限分别为2 6 肛g l 和4 0 p g l 。 1 4 2 5 其他应用 近年来，我国胃癌的发病率居高不下，为了探究胃癌的病因，胃液中挥发性亚硝胺 的测定成为研究热点。张小俊【4 3 】等人以亚硝基二苯胺为内标物采用气相色谱热能分析 仪联用，测定了河南林县居民胃液中的五种挥发性亚硝胺，结果显示该方法简单、快速、 重现性好，n 二甲基亚硝胺的回收率为9 2 5 。 大部分强爆炸能力的炸药都是含氮化合物，因此也可以用t e a 量化和检测这些炸 药，j i m e n e z l “1 等人综述了一些炸药如2 硝基甲苯，3 硝基甲苯，2 ，4 二硝基甲苯等的 检测都用g c t e a 法。 通过以上的应用可以看出，亚硝胺检测器在亚硝胺检测领域具有其他检测器不可取 代的优点，而在国内发展较缓慢，虽然国家对食品、烟草中的亚硝胺的含量有限量标准， 但未见任何质检机构进行相关检测和研究。究其原因是没有合适的检测仪器，商品化的 亚硝胺检测器价格昂贵且都为国外所垄断，不适合国内实验室的普及，因此迫切需要研 制具有自主知识产权的亚硝胺检测器。 1 3 亚硝胺检测器的仪器构成 亚硝胺检测器的结构简图如图1 4 。它主要包括裂解装置、臭氧发生器、化学反应室 和真空泵。裂解装置一般采用裂解炉，可将气相色谱柱流出物转化成n o ，臭氧发生器 是产生臭氧的装置并提供稳定的臭氧流速，n o 和臭氧都进入化学反应室在反应池中发 7 l 绪论 硕士论文 生化学反应，化学发光反应室包括反应池和光子检测装置，光子检测装置一般是配有选 择性滤波片和光学元件的光电倍增管，6 0 0 9 0 0 n m 的光透过选择性滤波片被光电倍增管 接收，输送至放大器以及记录和数据处理系统。因化学发光强度与压力成反比，故将反 应池接真空泵抽真空，真空泵保证了反应室处于低压的环境。其中裂解装置和反应池是 检测器的两大核心。 i g h t l l t e r 图1 4 亚硝胺检测器的结构简图 f i 9 1 4s i m p l i f i e db l o c kd i a g r a mo f n o d 1 3 1 裂解装置 亚硝胺等含氮化合物首先应转化成n o ，才能与臭氧发生化学发光反应。因此裂解 装置是亚硝胺检测器的一个核心部件，它的主要作用就是先将待测物质裂解成n o 形式。 目前商品化的三种亚硝胺检测器的裂解装置都各不相同。t e a 的裂解装置是一根表 面涂有催化剂的陶瓷管，通过改变裂解管的温度催化裂解不同的氮化物。催化剂可以辅 助待测物质中- n o 键的断裂，在亚硝胺模式下，裂解管中只需3 5 0 5 0 0 就足以保证待 测物质的完全裂解，在氮模式下需要的温度稍高，6 0 0 9 0 0 * ( 2 时可将含氮物质完全转化 成亚硝酰基自由基( n o ) 。n c d 使用了s i e v e r s 双等离子体裂解炉使氮化合物分解成 n o 。图1 5 显示的是双等离子体的原理简图和内部构造横截面图。色谱流出组分与h 2 混合后进入燃烧器，与0 2 相遇后形成第一个富氧火焰等离子体，随后在贵金属筛网上 催化燃烧。经此两步燃烧后，烃类和含氧有机物已完全转变成其他分解产物叫0 2 和 h 2 0 。含氮化合物经第一步后，n 原子转变成n o 和其他氮氧化物，第二步又进一步将 其他氮氧化物转变成n o 4 5 1 。这种结构保证了含氮化合物的完全转化，有利于提高灵敏 度。a n t e k 公司也采用了陶瓷管作为裂解装置，它主要依靠温度的差异特异性的断裂不 同官能团进行检测。 8 碗论文硝胺检测g 的目制与* 价 | j 1 | h t - 十l h 。：鼎仉 围15 双等离子体的原理简图( 左) 和内部构造横截面图( 右) f i g 5s i m p l i f i e db l o c k d i a g r a m ( 1 e h ) a n d c r o s s - s e c t i o n ( r i g h t ) o f | 1 h e d u a lp l a s m a b u r n e r l j 2 化学反应室 各个厂家和研究者制造的反应池设计都基本相同，反应池的形状、体积、材质的不 同都是从保留时间、检测器接受光的效率、峰展宽、化学惰性条件考虑的h q 。 困 图l6 t e a ( 左1 和n c d ( 右) 反应池实物图 f i g l6p h y s i c a l m a po f t e a m a c f i o nc h a m b e k l e f l ) a n d n c dr e a c 6 c h a m b e , ( r i g h t ) t e a 和n c d 采用的反应池都是圆形，但内部亚硝酰基和臭氧的混合方式不同。图 16 是t e a 和n c d 反应池的实物图。t e a 采用臭氧发生器与真空泵从反应室的四周与 反应室相连，顶端连有裂解管。n c d 的混合方式则是臭氧与承载样品的载气从反应池 的四周通入，真空泵从顶端抽真空。这两种方式晟大的区别在于真空泵和裂解管的位置 1 绪论硕士论文 不同，两种混合方式的优异在以后的实验中已经进行了证明。 随着国内对亚硝胺检测器的关注，某些国内实验室也对亚硝胺检测器的反应池进行 了研究。1 9 7 9 年中国科学院环境化学研究所最新研究了反应池。邵又雅【l9 】等人先后加工 了五种不同类型尺寸的反应室，用n o 和0 3 作模拟实验，发现图1 7 结构的反应池效率较 高，即0 3 先与承载样品的载气汇合，然后在真空泵的作用下进入反应池进行反应。这种 结构的优点在于样品和臭氧的接触时间长，产生光子的概率高。随后黄兆铭1 47 】又在1 9 8 9 年研制了另一种形式的反应池，如图1 8 。这种反应池用不锈钢制成，上有抽气口，反应 池中心有双层管，内为不锈钢毛细管，载气承载着分解后的样品自毛细管进入反应池， 外层为2 m m 内径的不锈钢管，自此导入臭氧，在双层管尖端与n o 反应，生成激发态的 n 0 2 ，这种反应池的结构与t e a 的结构极其相似。从以上四种反应池的结构可以看出， 它们的共同点都是先让样品与臭氧充分接触，因为n o 和0 3 的反应非常迅速，增大两种 物质的接触程度，反应发出光子的概率就会提高。 r 0 1 f l l l 图1 7i 号反应池示意图 f i 9 1 7c r o s s - s e c t i o no fir e a c t i o nc h a m b e r 1 4 亚硝胺检测器的评价 1 为0 型密封一 ：压譬环 3 j 扶密封一 红色鼍光片 5 j 豆废室 图1 8i i 号反应池示意图 f i 9 1 8c r o s s - s e c t i o no fi ir e a c t i o nc h a m b e r 亚硝胺检测器是破坏性检测器，它通过将待测组分转化成化学发光物质进行检测， 也是一种质量型检测器，即检测器的响应值取决于单位时间内进入检测器的组分量，峰 高值随流速的增加而增大，峰面积则基本不变。亚硝胺检测器与其他检测器相比，有以 下优点【4 剐：( 1 ) 因它背景光十分弱，是暗背景发光，所以灵敏度高；( 2 ) 是一种氮专 属检测器，非氮化合物在发光反应前已氧化或还原成不发光产物，所以只对氮物质尤其 是亚硝胺类物质有响应，选择性好：( 3 ) 样品可直接分析，使分析方法简化，特别可 省去复杂、费时的样品前处理。因此各厂家在对其产品进行评价时，也都从灵敏度、选 择性等特点着手。由于亚硝胺检测器是质量型检测器，且对氮有特异性响应，因此各性 1 0 硕士论文亚硝胺检测器的研制与评价 能指标通常都以氮的质量( g n ) 的形式表示。 1 4 1 灵敏度 亚硝胺检测器是高灵敏度检测器，这是因为与其他发光法不同，氮化学发光处于全 暗的背景，除了微弱的背景光外没有其他光源干扰【4 引，光电倍增管可以最大程度的放大 信号。与气相色谱联用的商品化亚硝胺检测器的检测限都在p g 级水平上。通常各家公司 的灵敏度都以信噪比为3 时的氮质量表示，用g n s 做单位。 1 4 2 选择性 与其他的元素分析检测器相比，亚硝胺检测器对烷烃的响应极低，具有无可比拟的 优势，这也是此类检测器最大的优点。从机理上可以看到，样品可以有选择的裂解不同 的化学键，即使样品中含有其他杂质如烷烃，在裂解装置中都转化成了二氧化碳和水， 而这两种物质都不会与臭氧反应产生亚硝胺检测器可识别的光谱，也就是说检测器对烷 烃响应值很低或根本无响应。所以亚硝胺检测器的选择性参数都以氮响应值和碳响应值 的比值来表示。与专门检测氮元素的氮磷检测器相比，亚硝胺检测器的选择性高1 0 0 0 倍。 1 4 3 线性 由式( 1 4 ) 知，当臭氧浓度过量时，光强与亚硝胺中热不稳定的那部分亚硝基的氮 的质量是成线性的。由于检测器的高灵敏度，线性范围跨越几个数量级。而且偏离线性 大多是因为在非最佳的操作条件下，光电倍增管或放大元器件达到饱和造成的。商品化 的亚硝胺检测器线性范围一般都大于4 个数量级。 1 4 4 等摩尔响应 亚硝胺检测器最显著的特点就是对氮具有等摩尔响应。等摩尔响应是指不管分析物 质是何种形式何种结构的含氮物质，对于相同数量的氮，检测器的响应值相同。亚硝胺 检测器的等摩尔响应表现在只对亚硝胺结构中热不稳定的亚硝基的氮等摩尔响应。这个 特性也是由仪器的原理决定的。在裂解装置中，亚硝胺通过吸收热量使热不稳定的n o 断裂转化成亚硝酰基自由基，相同数量的亚硝酰基自由基就转化成相同数量的n o ，从 而发出相同强度的光子。 1 4 5 淬灭作用 淬灭有时称为负干扰，指的是当其他不含氮物质( 通常是溶剂或烷烃) 存在时造成 的氮响应值的减小或完全消失。与氮磷检测器相比，亚硝胺检测器不易淬灭。 1 5 本论文的主要工作 亚硝胺类物质由于其特有的致癌性，越来越影响到人们的健康生活。检测亚硝胺物 l l l 绪论硕士论文 质是近年来十分活跃的热点课题之一，但由于商品化仪器受国外技术垄断、且价格昂贵， 阻碍了亚硝胺检测技术的发展。研制一种灵敏度高、选择性好的亚硝胺检测器，不仅能 填补国内技术空白，而且可以推进亚硝胺检测工作，具有不可比拟的社会和经济双重意 义。 本课题在大连依利特分析仪器有限公司的技术支持下，研制了一套与气相色谱联用 的亚硝胺检测器，评价其性能，并将其与氢火焰离子化检测器和紫外一可见检测器对比 分析，为进一步完善自制亚硝胺检测提供有力的数据支持。主要工作包括： ( 1 ) 设计一种亚硝胺检测器，并配套完善的接口，使其可以与气相色谱联用； ( 2 ) 优选亚硝胺检测器的各个功能部件，并对各功能部件的使用参数进行优化测 试，确定最优的检测条件； ( 3 ) 以研制的亚硝胺检测器为研究对象，发展一种适宜的亚硝胺检测器评价方法， 并评价了自制检测器的相关指标； ( 4 ) 对比自制的亚硝胺检测器、商品化的亚硝胺检测器、氢火焰离子化检测器和 紫外一可见检测器的性能，找出性能差别，为下一步完善设计提供基础数据。 1 2 硕士论文亚硝胺检测器的研制与评价 2 亚硝胺检测器的研制及优化 亚硝胺检测器是一种氮专属检测器，对氮具有等摩尔响应，具有灵敏度高、线性范 围宽等特点，是近年来国内分析仪器领域研究的热点之一。 商品化的亚硝胺检测器通常包括高温热裂解器、化学吸附过滤器、臭氧发生器、反 应检测池、超低温捕集冷阱和真空系统六大单元模块。 本章仅针对亚硝胺类物质的检测模式，设计了一种包含四大单元模块的亚硝胺检测 器，并对部件进行了优化测试，构建了一套与气相色谱联用的亚硝胺检测系统。 2 1 实验部分 2 1 1 实验设备与试剂 g c 7 8 9 0i i 气相色谱，氢火焰离子化检测器，t m 眦( 3 0 m 0 5 3 m i n x1 0 u r n ) ( 上 海天美科学仪器有限公司) ，亚硝胺检测器，a d 适配器，e c 2 0 0 6 工作站( 大连依利特 分析仪器有限公司) ，气瓶( 包括氦气，氢气，空气) ( 中国科学院大连化学物理研究所) ， 电子天平( 梅特勒一托利多仪器有限公司) 。 甲醇( 色谱纯，t e d i a ) ，二甲基亚硝胺标准溶液( n d m a ) 二乙基亚硝胺标准溶液 ( n d e a ) ( 购自f l u k a 公司) ，实验用水均为m i l l i q 过滤超纯水 2 1 2 标准样品的配制 分别准确称取o 1 1 9 5 9 二甲基亚硝胺和0 1 8 6 4 9 - - 7 , 基亚硝胺标准品，置于2 5 m l 容量瓶中，用甲醇定容到刻度，配成1 9 6 4m g m l 的n d m a 标准溶液和4 7 8 m g m l 的 n d e a 标准溶液作为储备液。 2 2 亚硝胺检测器的设计 自制的亚硝胺检测器定位于单纯检测亚硝胺物质，其检测机理共分为两步：高温裂 解和化学发光。因此亚硝胺检测器的核心为高温热裂解器和反应检测池。亚硝胺类物质 结构单一，它的裂解主要依靠温度的改变，因此高温热裂解器采用耐高温的裂解管。反 应检测池则由反应室、光电倍增管和滤光片组成。从裂解管中裂解的样品，要与臭氧反 应才能发光，所以需要产生臭氧的装置臭氧发生器。为了保持臭氧流速的稳定，配 备了稳压阀和稳流阀。化学反应的产物激发态的二氧化氮以光的形式返回到基态的 概率是与检测系统的压力值有关的，因此在检测系统后端配备了真空泵。亚硝胺检测器 的总体设计简图见图2 1 。 1 3 ! 垩熊堕笪型墨些塑堡墨垡些 夔堡兰 氧气 图21 自制亚硝胺检测器的结构简图 f i 口is i m p l i f i e db l o c k d i a v a m o f s e l f - d e s i 9 7 1 e d n o d 2 3 系统优化及结果讨论 2 3 1 高温热裂解器 当样品进入亚硝胺检测器时，首先是从- n o 或 n 0 2 的断裂开始。不同的温度发生 的化学反应不同，反应程度也不尽相同。因此，高温热裂解器”有其特殊的的要求： ( 1 ) 能精确控制温度； ( 2 ) 从开始升温到达设定温度所需的时间尽可能短； ( 3 ) 裂解器与色谱柱连接的接口体积应尽量小，以利于减少系统死体积，抑制二 次反应。 圆 图2 , 2 裂解管的剖面图 f i 口2c r o s s - s e c t i o no f p y r o l y z c dv a b e 由于亚硝胺类物质结构单一，即含有n - n = o 官能团的物质，且n - n o 键较弱，离 解能约为8 _ 4 0 千卡腕分子，小于有机化合物中其他键的离解能。因此，亚硝胺检测器 1 4 硕士论文 亚硝胺检测器的研制与评价 中的裂解器主要通过改变温度来裂解不同的氮化物，采用管式炉裂解器。所构建的裂解 器中心是一根石英裂解管，裂解管外围由电炉丝加热，保温材料为陶瓷纤维，升温速度 为5 0 m i n 。图2 2 为裂解管的剖面图。 2 3 1 1 裂解管的长度的选择 裂解管的作用是提供亚硝胺n - n 键断裂所需要的能量，它的尺寸直接影响亚硝胺所 得的热量，进而影响亚硝酰基自由基( n o ) 的转化率。 固定检测器的其他部件和色谱条件，改变裂解管的长度，以相同浓度的二乙基亚硝 胺标准溶液进样，观察裂解管尺寸变化对检测结果的影响。结果如图2 - 3 。 1 01 5巧弱4 0 裂解管长度( c m ) 图2 3 裂解管长度对响应值的影响 f i g2 3e f f e c to fp y r o l y z i n gl e n g t ho nr e s p o n s e 从图中曲线可以看出，随着裂解管长度的增加，峰面积逐渐增加，这就意味着随着 裂解管加热的长度增加，亚硝胺所获得能量增多。但当裂解管长度达到2 0 c m 后，长度 继续增加时峰面积趋于平稳，涨幅不大，说明2 0 c m 的裂解长度足以对亚硝胺物质完全 热解。继续增加裂解管的能量时，亚硝胺所需的有效能量不再增加，因此峰面积基本不 变。 2 3 1 2 裂解管内径的影响 在固定裂解管长度的前提下，改变裂解管的内径，观察峰响应值的变化。 表2 1 不同尺寸内径裂解管的影响 t a b2 1e f f e c to fp y r o l y z e dt u b es i z eo nc h r o m a t o g r a p h i cp e a k 由表2 1