1 引言
偏二甲肼（UDMH），分子式为C2H8N2，也叫1,1-二甲肼或1,1-二甲基联氨，主要作为火箭推进器的燃料，在美国、欧洲和中国的运载火箭中被广泛使用[1]。偏二甲肼主要作为一级或者二级火箭的推进剂，在发射的火箭级分离后，一级或二级火箭的燃料箱和发动机中可能会残留多达1-2吨的偏二甲肼残余。在火箭脱落下坠的过程中，相当一部分残余的偏二甲肼会泄漏到坠落区域的土壤环境中[2]。偏二甲肼是一种剧毒化合物，对生物体具有致癌和诱变畸形等特性。使用UDMH作为燃料会对环境和人类健康造成负面影响[3]。UDMH是一种高活性化合物，UDMH具有高度反应性，容易形成多种转化产物。最近的研究表明，泄漏到环境中的UDMH会转化为一些化合物，如甲醛二甲基腙（FADMH）、四甲基四氮烯（TMT）、N-亚硝基二甲胺（NDMA）、1-甲基-1H-1,2,4-三唑（MTA）、二甲氨基乙腈（DMAACN）、1-甲酰基-2,2-二甲基肼（FDMH）和10种其他化合物[4,5]。这些化合物的可能危害包括各种健康和环境影响。与偏二甲肼本身相比，这些转化产物在环境中的持续危害时间更长[6]。例如，Carlsen L的研究表明了UDMH对环境和人类健康的潜在影响主要表现为其转化物对生物体的致畸和胚胎毒性特征，而且UDMH的转化物的在自然环境中难以被降解，其毒性危害具有持久性[7]。Nechaykina O V的研究也证实了UDMH对于肝脏和神经系统的毒性，以及对于心血管和淋巴系统的毒性作用，且这种毒害多数为不可逆，毒害作用于UDMH的暴露剂量具有高度的依赖性[8]。值得注意的是，UDMH在土壤环境中的危害性非常持久，Byers M对拜科努尔航天发射场发射的火箭坠落区域土壤样本的研究表明，即使在火箭级着陆30年后，也存在UDMH及其转化产物[9]。因此，采用合理的方法对UDMH在土壤环境中的存在进行定量评估，有助于全面评估火箭燃料对环境的影响及其清理方案。
2 实验部分
2.1 材料和试剂
偏二甲基肼(1，1-二甲基肼；99%纯度)购自Sigma-Aldrich(Zwijndrecht，荷兰)。偏二甲肼中含有二甲胺、甲醛、二甲基肼和水等杂质，以超纯水稀释，以超高压氦为载气进行气相色谱分析。所有与化学品有关的工作都是在通风柜中使用防护手套进行的，并建立了废弃物处理程序。
2.2 土壤样品制备
所有实验均在20mL曲颈瓶中进行，用超纯水清洗并调节，随后在180℃对流烘箱中烘烤过夜。称取固定重量的土壤样品为1.00±0.02 g。用于研究的土壤样本来自于XX地区火箭坠落区的未污染土壤，按照每15克空白土壤，添加10μL偏二甲肼的比例进行。分析时，所有加标样品均经过6个月的老化。
2.3 固相微萃取（SPME）的实施
使用手动支架手动进行固相微萃取。在高于室温的实验期间，使用Thermo Tri-Plus自动取样器样品的搅拌井控制SPME的取样温度。使用SPME手动夹持器将取样品穿刺深度设置为14mm。所有SPME纤维在首次使用前在250℃的GC入口中进行调节。基于SPME的样品脱附在GC入口温度250℃下以无分离模式进行30分钟。在GC入口的脱附阶段，使用1mm注射器衬套获得足够的线性流速。
2.4 气相色谱-质谱法分析
本研究所用的超痕量GC配备了PTV型的进样器。通过实验确定了最佳进样温度。进样器在无分离模式下工作，连接到色谱柱（规格：60m×0.32mm×0.25μm）The色谱柱，保持1mLmin-1的超高压级氦的恒定流量。GC升温程序如下：起始阶段在10min 40 ℃保持10min，然后以8℃min-l斜升至240 ℃，柱在冷却前保持15min，单次运行时间为50分钟。在250 ℃下GC色谱柱通过传输线与DSQII MS连接，MS在34~150m/z的全扫描模式下运行，保持离子源温度250 ℃，电子倍增器设置为1300V，MS扫描速率为3.94Scan s-1，分析仪器由Xcalbur软件控制。通过分析选定的样品（一式三份），确认所用方法的重复性。重复的RSD不超过15%。
3 结果与讨论
3.1 SPME与顶空取样的比较
将顶空SPME采样用于分析添加UDMH的土壤的效率与传统的土壤顶空采样技术进行了比较。在本研究中，采样在相同的温度（20℃）下进行，并使用相同的GCPTV入口程序。很明显，基于SPME的采样对于土壤顶部空间中气体的采样和样品制备来说是一种更灵敏的技术。基于SPME采样的样品包含了更多关于土壤中UDMH转化产物的相关信息。一些重要的转化产物不能用常规顶空取样法检测。使用SPME收集土壤顶部空间中的气体，即使在如此短的SPME采样时间（暴露于土壤顶部空间15秒）内，大多数已识别化合物的灵敏度也会提高20倍至30倍。通过常规顶空气体采样能鉴定出11种UDMH转化产物。而当使用HS SPME时，所有这些UDMH转化产物都被鉴定，并且还检测到另外5种转化产物。例如，毒性最大的偏二甲肼转化产物之一，即FDMH，可能是由于其挥发性极低，通过常规顶空气体采样无法检出。而当使用HS SPME时，FDMH识别的MS响应充分。考虑到分析灵敏度的明显提高，本研究中，SPME被用于污染土壤样品的分析取样/样品制备技术。
3.2 SPME纤维涂层的选择
SPME中使用的聚合物涂层具有不同的物理化学特性产，这会影响SPME对特定化学组化合物的敏感性。SPME取样方法的开发涉及特定应用的各种涂层类型的测试。用于从掺有UDMH的土壤中取样UDMH及其转化产物的最合适的SPME纤维涂层选自65um PDMS/DVB、85μm Carboxen（CAR）/PDMS、85μmPA和100μmPDMS，用于回收主要UDMH转化产物。使用两种不同的取样时间（1分钟和1小时）从土壤顶部空间进行SPME萃取。结果如图1所示。
图1. MS检测器对用四种不同的SPME纤维从被UDMH污染的土壤中收集的顶空样品的响应，以及1分钟（a）和1小时（b）的采样（括号中为了每种化合物积分所用离子的m/z）
65μm PDMS/DVB的使用在相对较短的1分钟HS SPME采样时间内导致所有分析物的最高回收率。另一方面，85μm CAR/PDMS是几乎所有分析物（FDMH除外）在较长的1小时HS SPME取样时间内的最有效纤维。对于本研究中考虑的大多数目标分析物，CAR/PDMS光纤的使用导致样品回收率比PDMS/DVB光纤高至少两倍。因此，选择85μm CAR/PDMS纤维用于分析方法的开发。
3.3 SPME取样时间的影响
选择85μm CAR/PDMS SPME涂层表征UDMH的转化产物。研究了几个采样时间（1分钟、1小时和18小时），以确定土壤顶空样品的实际SPME采样时间。质量探测器响应与SPME采样时间如图2所示。所有分析物的提取质量随采样时间的增加而增加。选择一小时采样作为进一步工作的实际和最佳采样时间。这是由于使用1小时HS SPME收集的目标分析物具有足够高的检测器响应，这可以与1小时的实际样品分析运行时间同时完成。该信息也有助于考虑将来对UDMH转化产品进行自动化采样和分析。还应注意，与更长的采样时间相比，使用LH-HS SPME可将样品制备过程中SPME纤维涂层饱和和样品损失的可能性降至最低。
图2. 85μm Car/PDMS固相微萃取土壤顶空采样中不同采样时间偏二甲肼转化产物的MS响应(20◦C)
3.4 水和盐的添加对样品回收的影响
添加少量水通常用于加速从固相样品中提取分析物。顶空固相微萃取（SPME）在不添加0.3、0.5、1.5 mL水的情况下进行，加入1 g添加了UDMH的土壤，测量初始含水量为21%。结果如图3所示。
图3. 添加水对MS对UDMH转化产物的反应的影响，通过HS SPME使用85μm CAR/PDMS纤维和1小时采样时间，将1.00 g土壤样品掺入~0.67μL UDMH
图3显示，即使向土壤样品中添加少量水，也会显著降低目标UDMH转化产物的响应，但1,3-二甲基-1H-1,2,4-三唑除外。这可以通过考虑目标分析物的高极性和高水溶性来解释。另一方面，加入0.3mL和0.5mL水后，1.3-二甲基-1H-1.2.4-三唑的提取量增加，可以通过其流动性的增加来解释。此外，还可以合理地假设，其他目标分析物的回收率降低可能是由于测试土壤样品中的初始含水量高（21%）造成的。因此，结果表明，土壤中的含水量对所有UDMH转化产物的回收率起着重要作用。
考虑到即使水含量的微小变化也会导致化合物回收率的显著变化，建议将过量的水（5mL）添加到所有土壤样品中，以最大限度地减少变异性。在这种情况下，所有样品之间的水含量差异最小。据观察，向1g土壤中添加5mL水会导致分析物的回收率降低（与图3所示的趋势一致）。因此，使用增加的温度和添加盐来补偿这种明显的灵敏度损失。在20℃和40℃的SPME取样温度下，分析了温度对土壤-水混合物样品回收率的影响。使用相同的土壤-水混合液测试了盐添加的影响，即添加1.5 g NaCl（选择浓度以制备NaCl饱和溶液），并使用40℃的固相微萃取取样温度分析制备的混合物。结果如图4所示。
图4. 温度和盐的添加对MS对UDMH转化产物的反应的影响，通过HS SPME，使用85μm CAR/PDMS纤维，添加5.0 mL水（和盐），将1.00 g土壤样品掺入～0.67μL UDMH
温度升高和盐的添加导致顶空分析物浓度增加，除二甲基氨基乙腈和N，N-二甲基甲酰胺外，所有化合物的反应也增加。即温度升高和盐的加入增加了UDMH转化产物的回收率。此外，还应考虑到，受污染土壤中的水的存在以及样品制备温度的升高可能会影响样品回收和化学分析。这是由于化合物之间可能的化学相互作用，特别是甲醛和乙醛的二甲基腙。
3.5 SPME取样温度对UDMH转化产物回收率的影响
温度在顶空和固相（或液相）之间的化合物分布中起着重要作用，其增加通常会导致顶空分析物回收率的增加。在20℃（室温）、40℃和50℃下研究了温度的影响。结果如图5所示。
土壤培养和SPME取样温度的增加导致几乎所有分析物的回收率增加，尤其是那些沸点较高的分析物。温度对N，N-二甲基甲酰胺和1-甲酰基-2，2-二甲基肼的影响最强，当温度从20℃升高到50℃时，回收率提高了约5倍。当SPME取样时间过长时，随着温度升高而增加的样品回收率可能会被抵消。当在20℃和50℃的温度下完成18小时的分析物取样时，观察到了这种影响。结果如图6所示。
图5. 温度对MS对UDMH转化产物的响应的影响，通过使用85μm CAR/PDMS SPME纤维对1.00 g空白土壤样品进行1小时顶空SPME采样，并在1小时采样时间内加入~0.67μL UDMH
图6. 温度对UDMH转化产物的MS检测器响应的影响，通过使用85μm CAR/PDMS SPME纤维对1.00 g空白土壤样品进行18小时顶空SPME采样，样品中加入了~0.67μL UDMH
当使用相对较长的取样时间时，观察到挥发性分析物的回收率随着温度的升高而降低。这可能是由于（a）正在进行的化合物转化，（b）SPME纤维上化合物的竞争和置换，以及（c）SPME吸附容量随温度升高而降低。
3.6 SPME脱附温度的优化
通常推荐的解吸温度不低于250℃，以便将CAR/PDMS纤维中的分析物快速热解吸到GC注射器上。然而，UDMH及其一些转化产物在高温下可能非常不稳定。这显然是当样品在250℃下被引入GC注射器时，即使在高度污染的土壤样品的色谱图中也不能观察到UDMH峰的主要原因之一。此外，一种主要转化产物，即TMT，在高于180℃的温度下可在GC入口降解。因此，研究了解吸温度对UDMH转化产物响应的影响。使用不同的GC入口温度分析纯UDMH（5μL掺入预先清洁的20 mL小瓶中）和1 g掺入～0.67μL UDMH的土壤的顶空。由于土壤中的分析物浓度较高，为了避免MS检测器过载，在所有实验中选择了15秒的HS SPME采样时间。
图7. 使用不同的GC入口温度程序，通过顶空固相微萃取（SPME）和85μm CAR/PDMS纤维获得的1.00 g土壤样品的色谱图比较（a）170℃保持0.1分钟，然后以1℃·s-1的速率升温至250℃；（b） 恒温250◦C.取样条件：时间=15s，室温（20◦C） 。（峰值：（1）二甲胺；（2） 甲二胺，N，N，N-四甲基；（3） 四甲基肼；（4） 甲醛二甲基腙（与UDMH共洗脱）；（5） 乙醛二甲基腙；（6） 四甲基四氮烯；（7） N1、N1-二甲基-N2-（二甲基氨基）甲脒）
在加有UDMH的小瓶中检测到几种转化产物。观察到二甲胺和甲醛二甲基腙的最高反应。然而，对所获得的色谱图的分析表明，偏二甲肼和甲醛二甲基腙的反应强烈依赖于GC入口温度。这可能是由于SPME纤维表面或GC入口脱附阶段高温下的化学转化所致。随着脱附温度从180℃升高到250℃，MS检测器对TMT的响应显著降低（降低了近一个数量级）。为了解决这个问题，使用了可编程温度汽化（PTV）入口功能，以编程（并在注射后升高）GC注射温度。使用以下温度程序：170℃保持0.1分钟，然后以1℃·s-1的速率升温至250℃，保持40分钟。通过比较与使用可变和恒定注射器温度相关的UDMH转化产物的样品回收率，测试SPME脱附温度的影响。观察到显著差异（见图7中的色谱图）。几种其他化合物，如四甲基肼；甲二胺，N，N，N'，N'-四甲基-；脱附温度为250℃时检测到二甲胺、1,1-二甲基-2-（二甲氨基）甲脒（图7中的峰#4），并通过特征m/z=60离子进行鉴定。
4 结论
本研究的目的是使用新的方法，即SPME用于采样和样品制备，来表征土壤中的UDMH及其转化产物。研究了几种取样和样品制备参数的影响。这些包括SPME纤维类型、取样温度和时间、水和盐的添加量以及GC注射器/解吸温度。经测定，85μmCAR/PDMS SPME纤维涂层对UDMH转化产物的检测具有最高的选择性。最佳采样参数确定为40°C下的1小时采样时间。以下温度程序：170℃保持0.1分钟，超过1℃秒-1斜坡至250°C，保持40分钟可使样品快速从SPME中解吸，同时入口的化学转化最小。结果表明，向土壤中添加水分导致UDMH几乎所有主要转化产物的响应显著降低。
顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用仪的使用导致了被肼基火箭燃料污染的土壤样品中UDMH转化产物的高效收集、检测和鉴定，由于自动化和使用简单，因此灵敏度高、速度快、劳动消耗小。与之前使用的样品制备方法相比，SPME是检测土壤样品中UDMH转化产物的更有效工具，允许检测从挥发性到半挥发性化合物的更广泛的分析物。有效地将已确认和已知的转化产物的数量增加了80%（从15种增加到27种）。基于SPME的取样和样品制备可用于火箭发射活动影响区域的环境评估。
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作者简介：周鑫 ，1993.10.27，男，汉，江苏盐城，本科，助理工程师，化学工程系列化学分析专业。
