水中甲醇含量的测定，气相色谱法

一 实验条件
(1)温度
进样口:250℃;柱箱:120℃;检测器温度:250℃
温度程序:120℃(2min)，10℃/min，170℃(3min);
(2)流量
载气:氮气;
柱流量:5mL/min(柱前压:65.59KPa);
分流进样;分流比:5:1;
(3)色谱柱
KB-PLOT Q ，30m×0.53mm×40 μm;
(4)检测器
火焰离子化检测器(FID)
空气流量:400ml/min;
氢气流量:30ml/min;
尾吹气(N2):30ml/min;
(5)样品
微量注射器直接进样;
含550ppm甲醇和乙醇的水溶液;
进样量:1μL;
二 色谱图


三 出峰顺序

四 说明
4.1 甲醇概述
甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，沸点64.8℃，为无色有酒精气味易挥发液体，有毒，误饮5~10毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡。甲醇对中枢神经系统有麻醉作用;对视神经和视网膜有特殊选择作用，引起病变;可致代射性酸中毒。短时大量吸入出现轻度眼上呼吸道刺激症状(口服有胃肠道刺激症状)。甲醇主要用于甲醛生产，还作为墨汁、染料、树脂、粘合剂等的溶剂和其它产品的生产原料。
甲醇是常用的有机溶剂，易溶于水，蒸汽压较低。甲醇也是重要的化工原料，其大量生产和应用及其毒害作用，使之成为环境监测中一项重要指标。
4.2 标准概述
目前涉及到甲醇测定的标准主要为大气、水质、食品和化妆品中甲醇的测定，列举如下(其他行业相关测定标准列于文后):
(1)大气中的甲醇测定
①《GB 11738-1989 居住区大气中甲醇、丙酮卫生检验标准方法-气相色谱法》
前处理:硅胶采样管吸附后经水解吸;
进样方式:液体直接进样;
色谱柱: 2m×3mm(ID)不锈钢柱，(60-80)目的GDX-102;
检测器:FID检测器
②《HJ/T 33-1999 固定污染源排气中甲醇的测定气相色谱法》
前处理:全玻璃注射器取气体样品;
进样方式:直接进样;
色谱柱:2m×(2~3)玻璃珠/不锈钢柱，(80-120)目Carbopack B(载体)，5%Carbowax 20M固定液;
检测器:FID检测器
③《GBZ/T 300.84-2017 工作场所空气有毒物质测定 第84部分:甲醇、丙醇和辛醇》(部分替代替GBZ/T 160.48-2004《工作场所空气有毒物质测定醇类化合物》)
方法一:甲醇的溶剂解吸-气相色谱法
前处理:硅胶采样管吸附后经水解吸;
进样方式:直接进样;
色谱柱:2m×4mm不锈钢柱，(60-80)目GDX-102;
检测器:FID检测器
方法二:甲醇的热解吸-气相色谱法
前处理:硅胶采样管吸附后热解吸进样;
进样方式:热解吸仪进样;
色谱柱:2m×4mm不锈钢柱，(60-80)目GDX-102;
检测器:FID检测器
④《空气和废气监测分析方法》(第四版增补版)
前处理:纯水吸附空气中甲醇
进样方式:直接进样;
色谱柱:3m×3mm(ID)玻璃柱，(80-100)目101白色担体，15%PEG-6000固定液;
检测器:FID检测器
(2)水和废水中的甲醇测定
①《HJ 895-2017 水质 甲醇和丙酮的测定 顶空-气相色谱法》
前处理:采集水样按要求保存;
进样方式:顶空进样;
色谱柱:
色谱柱1: 毛细管柱30m×0.53mm×1μm，固定相为聚乙二醇(例如KB-wax);
色谱柱2:毛细管柱30m×0.53mm×3μm，固定相为6%氰丙基苯+94%二甲基硅氧烷(例如KB-624);
检测器:FID检测器
(3)食品中的甲醇测定
①GB 5009.266-2016 食品安全国家标准食品中甲醇的测定
前处理:采集样品按标准要求处理;
进样方式:直接进样;
色谱柱:毛细管柱60m×0.25mm×0.25μm，固定相为聚乙二醇(例如KB-wax);
检测器:FID检测器
(4)化妆品中的甲醇测定
①GB/T 7917.4-1987 化妆品卫生化学标准检验方法甲醇
前处理:直接取样或加乙醇蒸馏收取蒸馏液;
进样方式:直接进样;
色谱柱:2m×4mm玻璃柱或不锈钢柱，(60-80)目GDX-102;
检测器:FID检测器
②GB/T 33308-2016 化妆品中游离甲醇的测定气相色谱法
前处理:直接取样或加乙醇蒸馏收取蒸馏液;
进样方式:直接进样;
色谱柱:DB-624毛细管柱 30m×0.25mm×1.4μm;
检测器:FID检测器
(5)其他行业中的甲醇测定，主要包括以下标准等:
①GA/T 1073-2013生物样品血液、尿液中乙醇、甲醇、正丙醇、乙醛、丙酮、异丙醇和正丁醇的顶空-气相色谱检验方法
②GA/T105-1995GA/T 105-1995 血、尿中乙醇、甲醇、正丙醇、乙醛、丙酮、异丙醇、正丁醇、异戊醇的定性分析及乙醇、甲醇、正丙醇的定量分析方法
③WS/T62-1996 尿中甲醇的顶空气相色谱测定方法
④GJB533.26-1988 潜艇舱室空气45种组分检测方法 甲醇、乙醇、乙醛、二氯甲烷含量 的测定 气相色谱法
4.3 分析方法讨论
水中甲醇的分析主要涉及以下几部分:(1)样品的前处理:可参考标准规定;(2)仪器分析条件的选择，包括:进样方式、色谱柱和检测器;(3)分析过程的干扰及其消除。
另外，在测定大气中甲醇污染物时，除了热解析法之外，多数方法采用硅胶采样管吸附甲醇后使用纯水解吸的方法，相当于水中甲醇的测定，其进样方式多采用直接进样，相关影响因素在3.1中一并讨论。
4.3.1 进样方式/前处理的比较
(说明:本小节内容来源《水中甲醇和丙酮的测定气相色谱法》(征求意见稿)编制说明》，略有修改)
目前采用气相色谱法测定水体中的甲醇，进样方式/前处理方法一般包括直接进样法、静态顶空法、吹扫捕集法(动态顶空)、固相微萃取法等。
(1)直接进样
采用直接进样法干扰因素较多，大量的水进入色谱柱，十分损害色谱柱寿命，同时未经处理的水样基体复杂，带入的非挥发性组分易污染色谱柱和检测器。方法检出限水平在(1-10)mg/L。
直接进样法存在一些问题，主要包括以下几点:
①色谱峰形存在严重拖尾;
②进样时样品中所有成分进入色谱柱，干扰峰不易排除;
③灵敏度较差，顶空进样法的甲醇比直接进样法的检出限低10倍;
④稳定性不好，进废水加标样品稳定性实验时，基线抬升变化比较大，造成稳定性差;
⑤进样针清洗溶剂可选范围窄，直接进样洗针液最佳是使用纯水，采用其他溶剂容易带来污染，但是水对高浓度样品的清洗能力并不是很好，特别是对废水实际样品;
⑥长期直接进样对色谱柱和色谱仪器损伤大;
(2)静态顶空法
静态顶空气相色谱法是将密闭容器中的样品在一定的温度下与其上方的蒸汽达到平衡，然后抽取上方蒸汽以供气相色谱分析。该法比直接进样法有更高的精密度和准确度，不受非挥发组分的干扰，缺点是如果样品中甲醇含量很低，必须进行大体积进样，使得挥发性物质色谱峰的初始展宽较大，影响色谱的分离效能。方法检出限水平在(0.1-1)mg/L。
(3)动态顶空法(吹扫捕集法)
与静态顶空不同，动态顶空(吹扫捕集法)不是分析平衡状态的顶空样品，而是用流动的气体将样品中的挥发性成分“吹扫”出来，再用一个捕集器将吹出来的物质吸附下来，然后经热解吸将样品送入气相色谱进行分析。因此，相比较静态顶空技术，采用动态顶空法对样品又进行了富集，具有更高的灵敏度，更加适合水样中痕量甲醇的分析。方法检出限水平在(0.01- 0.1)mg/L。
(4)固相微萃取
固相微萃取是近十年来新兴的分析技术，其显著优点是将萃取、浓缩合二为一,操作简单,实现了样品的在线浓集与捕集,最大程度上避免了离线溶剂提取和浓缩的烦琐。但该装置目前价格昂贵，普适性不强，不利于推广应用。
比较而言，直接进样法的灵敏度不高，存在基质复杂废水进入色谱柱污染色谱柱等的缺点;吹扫捕集由于有浓缩过程，可以提高分析的灵敏度，但可能受样品背景干扰的程度比顶空大，另外捕集肼具有一定选择性，目前开发的捕集肼主要针对非极性化合物，对于强极性有机物具有残留高的缺点;顶空方法相对吹扫捕集而言抗背景干扰能力较强，但由于无浓缩过程相对吹扫捕集灵敏度较低。
4.3.2 色谱柱的选择
目前采用气相色谱法测定水体/大气中甲醇的相关标准中，使用的色谱柱主要为聚乙二醇为固定相的填充柱(如PEG-6000)/毛细柱(如wax柱)，以及高分子多孔小球为填充物的填充柱(国产GDX-102，进口Hayesep-D等)/毛细柱(PLOT Q等)，亦有采用中等极性624色谱柱(6%氰丙基苯+94%二甲基硅氧烷)。
使用中等极性色谱柱(6%氰丙基苯+94%二甲基硅氧烷)和强极性色谱柱(聚乙二醇)均可以进行样品分析。例如样品中含有甲醇和丙酮，中等极性色谱柱的分离度相对会好一些。使用聚乙二醇为固定相的色谱柱，其主要优点在于甲醇峰的峰形会相对好一些，中等极性色谱柱甲醇峰形则会拖尾。
无论是中等极性色谱柱或者是强极性色谱柱，短期少量的分析水样问题不大。但是水分对毛细管色谱柱中的聚甲基硅氧烷具有损伤作用，在水的作用下，聚甲基硅氧烷会发生水解导致在其末端暴露出活性基团-硅羟基。色谱柱水解部位形成的反应活性位点会对极性化合物的分析带来干扰，长期使用也会造成色谱柱流失导致柱效下降。
以高分子多孔小球为填充物的填充柱(国产GDX-102，进口Hayesep-D等)和将高分子聚合物沉积于毛细柱内壁的多孔层开管柱(PLOT Q等)则具有良好的耐水性能，可以承受水样的直接进样。
4.3.3 检测器的选择
TCD和FID均可以用于测定水中甲醇含量，目前国标中使用FID检测较多。一方面，TCD灵敏度较低，当水中甲醇含量较低时候(如低于50ppm)响应值很小;另外一方面，水在TCD上响应值较FID大的多，直接进样时水峰可能会遮掩其后的甲醇峰。下图为TCD测定甲醇的图谱:

4.3.4 分析条件和干扰的排除
在进行气相色谱分析时候，多数情况需要面临的问题是杂峰和无关组份的干扰，以及相关组份的分离度等。常规的解决方法是改变柱温箱温度程序、更换色谱柱类型或者双柱定性等。
(1)双柱定性确定甲醇峰位置
例如《HJ 895-2017 水质 甲醇和丙酮的测定顶空-气相色谱法》中对于干扰的消除有以下说明:“采用聚乙二醇固定相的色谱柱进行分离时，当样品中乙酸乙酯浓度高于25mg/L时对甲醇产生干扰，可改用固定相为6%氰丙基苯+94%二甲基硅氧烷的色谱柱进行分离，必要时采用气相色谱-质谱法进行定性确认。”采用不同色谱柱的出峰顺序可见下图:

在《HJ/T 33-1999 固定污染源排气中甲醇的测定气相色谱法》中也规定“当分析某种成分较复杂的样品时，对甲醇的色谱峰定性存在疑问时，应采用双柱定性” 。采用不同色谱柱的出峰顺序可见下图:

(2)改变温度程序排除目标峰干扰
在本篇进行的实验分析中，采用PLOT Q柱进行分离时候，由于PLOT Q柱对水、甲醇、乙醇等极性物质的保留较强，一般需要使用较高的柱温(150℃以上)。
同时，采用FID进行分析时候，水在FID上理论无响应，但是实际中仍然会对信号产生扰动。在直接进样恒温分析时候时，该扰动会影响水和甲醇的分离，当甲醇样品浓度较大时候对分析的影响较小，当甲醇样品浓度较小时候对分析的影响较大，会影响分离度和定量。见下图，在170℃恒温分析时候，当甲醇浓度较低(20ppm时)水峰与其后的甲醇峰分离不佳:
可以通过改变柱温箱程序升温温度程序来改善分离度和排除水峰对甲醇的干扰，见下图:

以上是本文的全部内容。水体中甲醇含量的测定虽然简单，但是涉及到的关键点较多，均可能影响样品组分的分离和分析效果，应当引起注意。