复杂油样中硫化氢的直接质谱分析研究

张 源，郑亚君，路芳芳，张智平

(西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065)

硫化氢(H2S)是一种具有臭鸡蛋味的无色酸性气体，广泛存在于污水处理、石油化工生产、天然气开采等领域。由于H2S具有高毒性、腐蚀性、易挥发性和可爆性等特点，对人们生命健康及生态环境造成了严重危害[1]。为此，快速评价不同复杂样品中H2S的含量具有重要意义。

目前，H2S的检测方法主要有汞量法[2]、碘量法[3]、亚甲基蓝比色法[4]、气相色谱法[5]等，但存在仪器成本高、操作繁琐等问题，且大多数方法仅适用于气态H2S的检测。例如，气相色谱法只能检测复杂体系中以气态形式存在的H2S，难以实现样品中以液态形式存在的H2S的检测[6]。为了解决这一问题，先后发展了间接离子色谱法[7]、荧光探针检测法[8]和电化学法[9]等。曾小岚等[7]采用间接离子色谱法测定原油中的H2S，但由于原油黏度大、组分复杂，需先对原油的吸收液进行预处理，再将其注入离子色谱仪分析，虽然该方法的适用范围宽，但操作繁琐。Jin等[10]选用二氰基亚甲基-苯丙吡喃作为近红外荧光基团，通过氰酸盐与H2S之间的快速亲核反应，使近红外荧光探针信号发生变化，实现对液体样品中H2S的直接检测，该方法克服了检测响应时间长的不足，但是合成荧光聚合物的成本较高。近年来，电化学传感器因成本低、易携带等特点迅速发展，张继东等[11]将原油在密闭环境水浴加热至流动，利用空气鼓泡萃取样品中的H2S，再利用电化学传感器对H2S进行快速测量，实现了复杂油样中H2S的快速检测，但是测量结果不够准确，且污染严重。

质谱(mass spectrometry,MS)是一种通过测定离子质荷比对待测化合物进行定性分析，根据浓度与信号强度之间的线性关系对化合物进行定量分析的方法。由于该方法具有灵敏度高、特异性强、选择性好等特点，在诸多领域得到广泛应用。1989年，耶鲁大学Fenn等[12]提出电喷雾电离源后，有效地解决了质谱技术分析生物大分子的难题，但是样品分析前需要繁琐的预处理过程。为了简化分析过程，普渡大学Cooks等[13]开发了可在常温常压条件下直接对样品进行电离的常压电离源，极大地提高了复杂样品中目标化合物的分析效率。随后开发了不同类型的常压电离源，如实时直接分析电离源[14]、萃取电喷雾电离源[15]、低温等离子体电离源[16]和纸喷雾电离源[17]等，不仅加快了样品分析速度、降低了分析成本，而且极大地促进了常压电离源在复杂样品分析中的应用。Madsen等[18]采用电喷雾电离质谱技术研究三嗪与硫化氢的反应产物，同时阐述了产物的生成途径。基于所得结论，该课题组[19]继续对炼油厂污垢中的H2S进行分析，探究污垢组成，为复杂样品中H2S的检测提供了参考。Wang等[20]采用纸喷雾电离源-质谱技术研究不同pH值条件下三嗪与硫化氢的反应产物及生成机理，为深入了解三嗪去除硫化氢过程提供了实验基础。目前，常压电离源-质谱技术对H2S的研究主要集中于机理探究和产物定性分析，而对H2S的定量分析鲜有报道。

纸喷雾电离源-质谱技术[21]因具有操作简单、分析速度快、重复性好、灵敏度高等特点而被广泛应用于环境保护[22]、医药卫生[23]和食品安全[24]等领域，同时也用于不同化学反应过程的监测[25]及H2S反应机理的研究[20]。本研究将基于H2S与三嗪反应可生成噻二嗪的原理，将三嗪加载于原油溶液中，通过纸喷雾电离源-质谱法对反应溶液进行快速分析，根据H2S与三嗪反应产物的信号强度确定复杂油样中H2S含量。基于此，探究反应条件对三嗪与H2S反应效率的影响，考察方法的线性范围和精密度等，希望为快速定量检测复杂油样中H2S提供方法参考。

1.1 主要仪器与装置

TSQ Quantum Access Max质谱仪：美国Thermo Fisher科技有限公司产品，配有Xcalibur 2.2数据处理软件；
电热恒温水浴锅：上海浦东物理光学仪器厂产品；
QL-91涡流振荡器：海门市其林贝尔仪器制造有限公司产品。

1.2 主要材料与试剂

甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙腈(色谱级)、乙酸(纯度≥99.8%)：北京百灵威科技有限公司产品；
三嗪(纯度97%)：北京创新科技股份有限公司产品；
硫化钠(Na2S·9H2O)：天津富晨化学试剂厂产品；
原油1～6：陕西榆林长庆油田和延长石油集团产品；
中速定量滤纸(直径11 cm)：杭州特种纸业有限公司产品；
氩气(纯度≥99.99%)：西安腾龙化工有限公司产品。

1.3 实验条件

1.3.1三嗪和硫化钠标准溶液的配制 取1.14 μL三嗪加入到1 mL水溶液中，配制成1 mL/L三嗪标准水溶液；
取1 mg硫化钠加入到1 mL水溶液中，配制成1 g/L硫化钠标准水溶液。

1.3.2反应溶液的配制 取1 μL 1 mL/L三嗪标准水溶液、1 μL 1 g/L硫化钠标准水溶液和1 μL乙酸加入到997 μL乙腈(或甲醇、乙醇、异丙醇、水、丙酮和乙酸乙酯)溶液中，配制成1 mg/L三嗪和硫化钠反应标准溶液，常温静置2 h，备用。

1.3.3不同酸度反应溶液的配制 将1 μL 1 mL/L三嗪标准水溶液转移至998、997.5、997、993、988、948、898 μL乙腈溶液中，分别加入1 μL 1 g/L硫化钠标准水溶液，然后向上述溶液中加入0、0.5、1、5、10、50、100 μL乙酸溶液，使乙酸的体积百分比分别为0%、0.05%、0.1%、0.5%、1%、5%、10%。

1.3.4不同反应时间溶液的制备 取1 μL 1 mL/L三嗪标准水溶液、1 μL 1 g/L硫化钠标准水溶液和1 μL乙酸加入到997 μL乙腈溶液中，室温下反应0.1～9 h后进行分析检测。

1.3.5不同反应温度溶液的制备 将1 μL 1 mL/L三嗪标准水溶液、1 μL 1 g/L硫化钠标准水溶液和1 μL乙酸加入到997 μL乙腈溶液中，在0～70 ℃下反应2 h后进行，分析检测。

1.3.6油样溶液的制备 将10 μL油样直接加入到装有989 μL乙腈的离心管中，再继续加入1 μL 1 mL/L三嗪标准溶液，充分振荡1 min，室温下反应2 h后进行分析检测。

1.3.7纸喷雾电离-质谱分析 首先将滤纸剪切成底宽8 mm、高13 mm的等腰三角形，然后直接将25 μL上清液加载到纸基质表面，施加3.5 kV直流电压进行电喷雾分析，纸尖端与质谱进样口的距离约8 mm，进样毛细管温度270 ℃，正离子模式下记录谱图，分析过程示于图1。采用碰撞诱导解离(CID)方式分析三嗪与H2S的反应产物，选择离子监测(SRM)模式对产物噻二嗪的特征子离子(m/z120)进行定量分析，其中质谱仪透镜电压58 V，碰撞能9 V。为确保分析数据的重复性和准确性，每个样品平行分析4次，每次分析过程从加载样品溶液到完成分析约1 min，其中喷雾时间约30 s。

图1 纸喷雾电离源质谱分析示意图Fig.1 Schematic diagram of paper spray mass spectrometry

2.1 纸喷雾分析方法的建立

为了准确模拟样品溶液中H2S含量，首先采用硫化钠与乙酸原位反应制备H2S，再利用H2S与三嗪反应生成噻二嗪确定反应溶液中H2S含量。三嗪分子链上有3个氮原子，并含有活泼氢原子，可与H2S中的S2-发生亲核取代反应生成噻二嗪，其反应过程示于图2a。采用纸喷雾质谱法对原油中H2S进行分析时，由于原油颜色深且黏度大，直接分析会对质谱进样口造成严重污染，将少量原油加载到含有三嗪溶液的乙腈溶液中充分反应后分析，可以减小对仪器的污染，反应前后溶液的对比示于图2b。

根据三嗪与H2S的反应机理[26]可知，硫化钠与乙酸原位反应生成H2S，H2S中S2-取代三嗪中的1个氮原子生成噻二嗪(m/z193)。为了研究反应过程，分别对反应物进行一级质谱扫描，硫化钠在含乙酸的乙腈溶液中生成甲腈化钠，示于图3a，反应物三嗪在加载乙酸的乙腈溶液中易水解，生成m/z74，示于图3b；
反应物充分混合反应后，经一级质谱扫描，反应主产物为噻二嗪(m/z193)，示于图3c。为了验证主产物的结构，采用CID方式进行确认，选择丰度较高、干扰较小的碎片离子m/z120作为定量离子，其二级质谱图示于图3d。经反应条件优化，质谱仪透镜电压58 V，碰撞能9 V，根据特征子离子(m/z120)的信号强度与H2S浓度成正比的关系，采用SRM模式进行定量分析。

图2 三嗪与硫化氢的反应原理(a)、反应前后对比图(b)Fig.2 Reaction principle of triazine and hydrogen sulfide (a),comparison of the photographic images before and after the reaction (b)

注：a.硫化钠；
b.三嗪；
c.三嗪和硫化钠图3 不同物质在含0.1%乙酸的乙腈溶液中的一级质谱图(a,b,c)以及噻二嗪的二级质谱图(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 实验条件优化

2.2.1溶剂优化 溶剂的极性和挥发性对H2S质谱分析的灵敏度具有重要影响。本研究考察了甲醇、水、乙醇、异丙醇、丙酮、乙腈和乙酸乙酯等7种溶剂对反应产物噻二嗪特征子离子(m/z120)信号强度的影响，结果示于图4a。可以看出，当采用乙腈、丙酮和乙酸乙酯等非质子化溶剂时，待测化合物的分析灵敏度明显高于水、甲醇、乙醇和异丙醇等质子化溶剂，这可能是因为质子溶剂与反应物或产物之间存在强烈的氢键作用力。对于不同类型的非质子化溶剂，乙酸乙酯易水解；
丙酮在酸存在的条件下会发生缩合反应；
乙腈稳定性最好，且作为反应溶剂时的分析信号最强，是其他溶剂体系的5～50倍。因此，后续实验选择乙腈作为溶剂。

2.2.2酸含量的影响 酸在反应过程中提供氢离子，对三嗪与H2S的反应影响显著。本实验考察了乙酸含量对产物噻二嗪特征子离子(m/z120)信号强度的影响，结果示于图4b。可以看出，随着乙酸含量的增加，噻二嗪特征子离子的分析信号强度先增强后降低；
当乙酸含量低于0.1%时，Na2S转化不完全，生成的H2S含量较少，特征子离子的信号强度较低；
当乙酸含量高于0.1%时，由乙酸与Na2S之间的反应摩尔比可知，反应体系中酸过量，此时三嗪不稳定，导致产物噻二嗪生成速率降低，信号强度降低；
当乙酸含量为0.1%时，信号强度最强。

2.2.3反应时间的影响 本实验考察了不同反应时间对噻二嗪信号强度的影响，结果示于图4c。可见，反应时间在0.5～2 h时，噻二嗪的信号强度随反应时间的延长而增强；
当反应时间超过2 h后，信号强度显著下降。这是由于随着反应时间的延长，Na2S转化完全，产物噻二嗪的生成量增加；
当反应物完全转化后，由于噻二嗪的稳定性较差而分解，使其信号强度降低。

图4 反应溶剂(a)、乙酸含量(b)、反应时间(c)和温度(d)对噻二嗪特征子离子(m/z 120)分析信号强度的影响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反应温度的影响 本实验考察了不同反应温度对噻二嗪信号强度的影响，结果示于图4d。可见，随着温度升高，噻二嗪的信号强度呈先增加后降低的趋势；
当温度为30 ℃时，噻二嗪的信号强度最强。这是由于温度升高促使三嗪与H2S反应生成噻二嗪，继续升高温度，三嗪水解程度增大、浓度降低，使噻二嗪的生成量减少，信号强度下降。

2.3 分析性能

2.3.1标准曲线、检出限和精密度 准确配制1 mg/L硫化钠标准溶液，通过逐级稀释，得到0.01～500 μg/L硫化钠系列标准溶液。在优化的实验条件下向其中加入0.1%乙酸和1 μL 1 mg/L三嗪标准溶液，采用纸喷雾质谱法对反应溶液进行定量分析，每个浓度做4次平行实验，结果示于图5。可以看出，在0.1～1 000 μg/L浓度范围内，相关系数(R2)为0.998，检出限为0.041 μg/L，相对标准偏差(RSD)为4.27%。通过连续5天对H2S定量分析以验证方法的精密度，R2均大于0.99，结果示于附图1(请登录《质谱学报》官网http:∥www.jcmss.com.cn下载，以下同)。同时考察了1天6次不同时间段的日内精密度和连续5天的日间精密度，结果分别为3.04%和3.18%。结果表明，该方法的稳定性较好，能够满足复杂油样中H2S检测的需求。

注：溶剂为乙腈，酸含量0.1%，反应时间2 h，温度30 ℃，样品加载量25 μL图5 纸喷雾质谱法对噻二嗪的质谱分析(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方法学比较 H2S定量分析方法包括光谱法、电化学法、色谱法和质谱法，不同方法学的比较情况列于表1。亚甲基蓝分光光度法是根据亚甲基蓝的颜色变化确定H2S浓度，该方法的检出限低，但线性范围窄[26]；
催化发光传感器利用固体催化剂对H2S的特异性使催化剂表面发光，进而实现H2S检测，该方法分析速度快，但检出限高[27]、误差大；
电化学传感器法是通过电化学反应产生的电流变化确定H2S浓度，该方法的线性范围宽[28]，但使用寿命短；
气相色谱是检测易挥发性化合物的常用方法，但在检测原油中H2S时，需先在密闭环境将原油加热至流动，使其中的H2S以气态形式释放，然后采用气体吹扫方法使其进入气相色谱仪进行检测，该方法的检出限低[29]，但操作过程繁琐、分析误差大；
质谱法可直接分析经有机溶剂萃取的原油反应样品，具有样品用量少、操作简单等优点。本实验采用纳升电喷雾电离源(nanoESI)-质谱法对H2S进行定量分析，检出限为0.960 μg/L，结果示于附图2。相比以上方法，PSI对H2S分析具有更高的灵敏度和更低的检出限，分析过程所需的耗材价格低廉，同时无需对管路系统进行繁琐的洗涤等步骤，在H2S定量分析方面有着良好的应用前景。

2.4 实际样品检测

分别移取6种10 μL原油样品、1 μL 1 g/L三嗪标准水溶液和989 μL乙腈溶液，30 ℃静置2 h后进样分析，6种原油样品中H2S的检测结果列于表2。可见，原油1中未检测出H2S；
原油2～6中均检测出了H2S，但含量较低。在10、50、100 μg/L添加水平下，进行回收率测定，计算出回收率为91.7%～103.5%，标准偏差为1.2%～4.3%。

表1 不同方法对H2S分析性能的对比Table 1 Comparison of the analysis performance of H2S using different methods

表2 精密度和加标回收率实验结果(n=6)Table 2 Results of precision and apiked recovery (n=6)

本研究基于三嗪与硫化氢反应生成噻二嗪的原理，建立了一种操作简单、分析速度快、耗材低廉的纸喷雾电离源-质谱法用于检测复杂油样中硫化氢。该方法具有检出限低(0.041 μg/L)、回收率高(91.7%～103.5%)、精密度好(1.2%～4.3%)等优点，有望成为分析复杂原油中硫化氢的可选策略。