摘要

　　本研究以攜帶式氣相層析質譜儀、氣相層析質譜儀及液相層析串聯質等三種類型質譜儀器對苯胺、 鄰－甲苯胺、間－甲苯胺及對－甲苯胺工業毒化物進行研究，研究過程分別建立苯胺系列工業毒化物儀器檢測方法，再依不同儀器特性探討彼此差異，並比較儀器使用限制及優缺點，提供國土防衛上這類毒化物危害辨識之參考。研究結果顯示，苯胺系列工業毒化物揮發性較低，當毒化物氣體濃度不足時，攜帶式氣相層析質譜儀無法有效偵測，影響現場立即偵測能力，氣相層析質譜儀及液相層析串聯質皆可有效檢測低濃度樣品，氣、液相層析質譜儀互相搭配使用，更可確保檢測結果正確性。另外對於 鄰－甲苯胺、間－甲苯胺及對－甲苯胺三種儀器雖可有效偵測，但因其結構相近，無法辨識彼此之差異，不過在國土防衛需求上，儀器可清楚鑑別為甲苯胺毒化物，已可滿足需求。

關鍵詞：液相層析串聯質譜儀，氣相層析質譜儀，苯胺，工業毒化物。

關鍵詞：液相層析串聯質譜儀，氣相層析質譜儀，苯胺，工業毒化物。

1. 前言

　　工業毒化物（ Toxic Industrial Materials, TIM ）係指化學工業上特殊使用的原料、成品或半成品會對人體健康造成危害之物質，以苯胺為例，我國在 2008 年工業運作耗減量即高達將近 8 萬公噸 [1] ，同樣具有相類似結構特性的化合物尚有鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺等化合物在我國工業上大量生產、儲存及使用，此類化合物對人體具有急性毒害或慢性生物累積特性，在國內屬於列管毒性化學物質，若這些物質之儲存場所、生產場所及運輸設備發生意外事故或遭受有心人士蓄意破壞，對我國國土防衛安全將是一大隱憂，也由於這類物質毒性高，使用量大，取得管道多且偵測不易，若被用於都會地區恐怖攻擊，對危害辨識技術要求更高。

　　苯胺系列化合物係以苯環為主體，胺基取代一個氫原子的位置，這些化合物廣泛應用於合成樹脂、油漆、墨水、布料染劑、染料與染料中間物以及農藥及農藥中間物的合成，其在危害性分類為第 6.1 類毒性物質，危害警示訊息顯示苯胺為第三類毒性物質，八小時日時量平均容許濃度僅 2ppm ，短時間時量平均容許濃度 4ppm ，立即危害濃度（ IDLH ）為 100ppm ，若此化學物質經暴露，將立即危害人體健康或生物生命；甲苯胺則為第三類毒性物質，鄰、間、對三種不同結構甲苯胺其化學特性相近，化學物質在環境中不易分解，因生物蓄積、生物濃縮、生物轉化等作用，導致污染環境或危害人體健康。若經由食入或吸入人體後急性中毒症狀為發生變性血紅素血症，降低血液攜帶氧能力降低，如果合併溶血後會造成心、肝、腎的傷害，慢性毒性則可能導致中樞神經系統細胞的嚴重傷害 [2-5] 。

　　目前公告的檢驗方法僅有行政院環境保護署環境檢驗所提供「毒性化學物質苯胺、鄰 - 甲苯胺、間 - 甲苯胺、對 - 甲苯胺及 1- 萘胺檢驗方法－氣相層析儀 / 毛細管柱分析法 NIEA T503.10B[6] ，此方法是以氣相層析儀撘配火焰離子化偵測器實施偵測，其苯胺、鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺之方法偵測極限值分別為52 、52 、44 、50μ g / g 。在現場偵測部分，利用苯胺系列毒化物具有燃燒特性，爆炸範圍1.3 ~ 11.0% ，可運用攜帶式或固定式可燃性氣體偵測器實施偵測，精準可靠之定性及定量儀器仍較為缺乏。

　　本研究以質譜分析技術搭配氣相及液項層析管柱，針對苯胺與鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺進行分析，使用檢測儀器包含攜帶式氣相層析質譜儀、氣相層析質譜儀及液相層析串聯質譜儀。攜帶式氣相層析質譜儀已編入國軍化學兵部隊快速偵檢小組檢測裝備，它具有基本質譜分析能力，可發揮攜帶方便特性，運用於現場進行危害物質快速分析，檢測結果可提供污染物種類判斷的依據；氣相層析質譜儀與液相層析串聯質譜儀係試驗室大型儀器設備，其靈敏度及精準度較高，且可分析氣相、液相及固項中之殘留毒化物，可進一步確認危害發生物質種類，並可於污染發生後監控周遭水域與土壤中殘留毒化物的濃度，這些資訊可作為災後國土復育的重要參考依據。

2. 實驗

2-1 藥品與試劑

1. 甲醇 (methanol) ： J.T.Baker LC/MS 級

2. 氰甲烷 (acetonitrile) ： J.T.Baker LC/MS 級

3. 苯 胺 (anilne) ： Fluka, A.C.S. 試藥級

4. 鄰－甲苯胺 (o-toluidine) ： Fluka, A.C.S. 試藥級

5. 間－甲苯胺 (m-toluidine) ： Fluka, A.C.S. 試藥級

6. 對－甲苯胺 (p-toluidine) ： Fluka, A.C.S. 試藥級

7. 丙酮 (aceton) ： Mallinckrodt HPLC 級

2-2 儀器設備

2-2-1 攜帶式氣相層析質譜儀

1.HAPSITE Smart GC/MS

2.Smart IQ 軟體

2-2-2 氣相層析質譜儀：

1.GC:Agilent 7890A

2.MS: 5975C inert XL MSD

2-2-3 液相層析串聯質譜儀 ：

1.UPLC ： Waters® ACQUITY Binary Solvent Manger 、 ACQUITY TUV Detector

2.MS/MS ： Waters® Quattro Micro API MASS Spectrometer

2-3 實驗步驟

2-3-1 攜帶式氣相層析質譜儀設定條件

1. 分析模式： Loop

2. 層析管柱： 100% 內膜為甲基矽膠材質 30m * 0.32m m 內徑 * 0.1 m m 膜厚

3. 電子撞擊游離能量： 70eV

4. 載流氣體：氮氣

2-3-2 氣相層析質譜儀 設定條件

1. 層析管柱 : HP-5 30 m × 0.25m m ×0.25µ

2.Inlet temperature: 250°C

3.Aux#2 : 300°C 4.Scanning Mass Range :50 ~ 500 amu.

5.Scan rate : > 3 scan/sec

6. Oven :

2-3-3 . 液相層析串聯質譜儀 設定條件

1. 超高效能液相層析儀

層析管柱： Waters C-18 1.7μm 150m m

流動相： 甲醇 / 水 (40/60)

流速： 0.25mL/min

2. 串聯質譜儀： 苯胺為例

3. 結果與討論

3-1-1 攜帶式氣相層析質譜儀分析結果

　　苯胺和鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺揮發速率都是小於 1 ，在常溫下揮發性低當，儀器偵測結果皆無反應，這顯示若在自然環境下，洩漏量低時儀器將難以發揮效能。為獲得儀器分析參數，進一步控制溫度對樣品加溫，適當控制揮發速率，讓樣品揮發。苯胺之檢測層析圖譜及質譜圖如圖1 ，層析圖譜中前兩個訊號峰為內標準品，第三訊號峰為分析樣品，樣品透過適當加溫後，可得到極強之訊號峰，進一步檢視其質譜圖，可獲得 m/z 為93 、66之主訊號，與資料庫比對，獲得與苯胺相同之圖譜，可確認其訊號峰為苯胺。

圖 1 攜帶式層析質譜儀分析苯胺之層析圖及質譜圖

圖 2 攜帶式層析質譜儀分析對－甲苯胺之層析圖及質譜圖

　　圖 2 為對－甲苯胺之檢測層析圖譜及質譜圖，層析圖譜中前兩個訊號峰為內標準品，第三訊號峰為分析樣品，樣品控制相同溫度條件，得到第 3 根訊號峰，進一步檢視其質譜圖，可獲得 m/z 為 107 之主訊號及 m/z 為 80 之碎片訊號，與資料庫比對，獲得與鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺相同之圖譜，由於鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺 m/z 相同，碎片也相同，質譜圖無法判別三者之差異。攜帶式層析質譜儀分析苯胺系列工業毒化物結果比較如表 2 所示，鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺 m/z 相同，原可利用層析技術將鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺分離後再實施偵測，本研究發現三者滯留時間僅有些微差距，以此型儀器之解析度，三者將無法有效分離。在相同操作條件下，攜帶式層析質譜儀對苯胺訊號強度強，偵檢能力較佳，間－甲苯胺偵檢能力較差。

表 2 苯胺系列工業毒化物攜帶式氣相層析質譜儀分析結果比較

3-3-2 氣相層析質譜儀分析結果

　　實驗室之氣相層析質譜儀與攜帶式氣相層析質譜儀比較，雖然分析原理及操作方法相近，但使用者在操作選擇上有更多選擇空間，可變更之參數更多，分析能力也較強。目前國內對苯胺系列工業毒化物偵檢方法使以氣相層析儀搭配火焰離子偵測器，其對這類毒化物儀器偵測極限約 50m g/kg ，以 1m g/kg 濃度苯胺進行分析，氣相層析質譜儀分析結果，可獲得明顯之訊號，圖 3 為苯胺樣品之層析質譜圖，其滯留時間為 4.815 分，進一步觀察離子碎片並與資料庫比對，如圖 4 所示，可發現與離子碎片 m/z　93 、66 、52 、77 與苯胺是相吻合，可確定其結構。雖然氣相層析質譜儀僅能做半定量分析，依測試濃度及離子訊號強度，可發現偵測能力較攜帶式氣相層析儀及氣相層析儀為高，此項能力可補足現場濃度過低攜帶式儀器無法鑑定之問題。層析圖譜之其他訊號係昇溫過程產生之背景雜訊。

圖 3 苯胺（ 4.815 min ）之層析圖譜

圖 4 樣品離子碎片與苯胺碎片資料相符

　　氣相層析質譜儀分析鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺也可得到相似之結果，例如圖 5 為對 - 甲苯胺層析圖譜，在低濃度下仍有很好之離子強度及解析度，圖 6 為樣品質譜圖與資料庫比對結果，可知其結構可能為鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺其中一種，但無法完全確認其結構，進一步整理苯胺系列工業毒化物氣相層析質譜儀分析數據，結果比較如表 3 所示，觀察樣品之滯留時間，從表中可發現滯留時間有些微差距，搭配較窄之峰寬，辨識度會比攜帶式氣相層析質譜儀佳，雖如此要辨識鄰、間、對三者之差異仍有很高困難度。

圖 5 對 - 甲苯胺（ 8.833 min ）之層析圖譜

圖 6 樣品離子碎片與對－甲苯胺碎片資料相符

表 3 苯胺系列工業毒化物氣相層析質譜儀分析結果比較

3-3-3 液相層析串聯質譜儀 分析結果

　　液相層析串聯質譜儀與氣相層析質譜儀最大之差異除了液相及氣相系統外，氣相層析質譜儀有資料庫可供比對，液相層析串聯質譜儀因改變參數較多，尤其離子化能量並非固定，則需自行建置質譜資料庫。本研究以串聯質譜儀分析技術為探討重點，所使用包含 MS Scan 、 SIR （ selected ion recording ）、 MRM （ multiple reaction monitoring ）三種模式，苯胺類的工業毒化物分析實驗發現在改變 Capillary 電壓時的訊號改變不大，但還是可以發現 Capillary 電壓在 3~3.2kV 時可以得到最大的離子訊號強度，低於或超過此電壓範圍，對於苯胺、鄰 - 甲苯胺、間 - 甲苯胺、對 - 甲苯胺這四種工業毒化物的離子訊號強度都有迅速下降的現象，表示各毒化物的帶電性變差，在調整這四種工業毒化物的 Capillary 參數時，將此參數整合為一種共同最佳參數，統一使用 Capillary 電壓為 3.2kV ，各別得到好的離子訊號強度，方便未來快速定性和定量這類的工業毒化物；在改變 Cone 電壓測試時，利用儀器中選擇離子掃瞄 (SIR) 功能，對於一種工業毒化物樣品的特徵離子選擇篩選，並設定許多不同的 Cone 電壓值，找到一最佳 Cone 電壓值有其最大的訊號強度，重要參數如表 4 ，實驗結果顯示苯胺、鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺各別最佳 Cone 電壓值為 15V 、 30V 、 25V 、 30V ，其他的電壓值顯示出離子訊號強度有明顯的下降，顯示分析物去溶劑進入樣品錐帶電後，質譜儀之電壓須精準調整才能得到較佳訊號。

表 4. 苯胺系列工業毒化物重要分析參數

　　苯胺類工業毒化物分析鑑定，先以 MS Scan 找到了苯胺、鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺這四種工業毒化物的離子訊號 [M+H] + ，苯胺 m/z 為 93.9 ，鄰－ 甲苯胺、間－甲苯胺、對－甲苯胺的 m/z 都為 108 ，為了進一步鑑定這四種工業毒化物，我們利用ＭＲＭ多重反應監測掃描模式去分析，將待測離子進一步給予能量利用氮氣進行撞擊，撞擊後找到離子特徵碎片，之後做定性甚至定量的實驗方法，因此必須針對四種工業毒化物測試，取得最佳的氮氣撞擊能量 (Collision Energy) ，需使母離子及碎片離子同時存在，利用上敘原理，對於一種毒化物樣品設定不同的 撞擊能量 並掃瞄其子離子碎片，找到子離子訊號最強的 撞擊能量 參數，結果顯示苯胺經氮氣撞擊後有母離子訊號 (m/z 93.9) 以及兩個子離子訊號 (m/z 51.1)( m/z 76.9) ，推測子離子 ( m/z 76.9) 為 [M-NH 2 ] + ，其中當 Collision Energy = 35eV 時，其子離子 (m/z 51.1) 有最強的訊號；當 Collision Energy = 25eV 時，其子離子 ( m/z 76.9) 有最強的訊號。比較如圖 7 所示。

圖 7. 苯胺的母離子及碎片離子質譜圖 (A) Collision Energy = 35eV (B) Collision Energy = 25eV

　　而鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、和對－甲苯胺三種樣品的各別測試，經氮氣撞擊後都有相同母離子訊號 (m/z 108) 以及相同的三個子離子訊號 (m/z 64.6)( m/z 91) ( m/z 93) ，三種樣品的最佳氮氣撞擊能量結果相似，其中當撞擊能量 = 35eV 時，三種樣品的子離子 (m/z 64.6) 有最強的訊號；當 Collision Energy = 25eV 時，三種樣品的子離子 ( m/z 91) 有最強的訊號；當 Collision Energy = 20eV 時，三種樣品子離子 ( m/z 93) 有最強的訊號。因為這三種毒化物組成官能基相同，只有甲基接在苯胺上的位置不同，推測各別母離子碎片經撞擊後才會有相同的子離子碎片，並且有相似的分析結果，最後由 m/z 值推測子離子訊號 (m/z 93) 為 [M-CH 2 ] + 、 (m/z 93) 為 [M-NH 2 ] + 。由破碎離子去鑑定苯胺可以經由 (m/z 51.1) ( m/z 76.9) 來進一步定性，其訊號強度也足夠分析，甚至可以定量分析；但對於鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、和對－甲苯胺雖然可以找到破碎特徵離子，但三種毒化物的破碎離子特徵相同，無法分辨甲基在苯胺上鄰間對的那個位置，圖 8 所示為苯胺之 SIR 離子強度層析圖，利用 SIR 方法顯示苯胺、鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、和對－甲苯胺的母離子有很好的訊號和訊雜比，四種毒化物至六時間如表 5 所示，其滯留時間相近，尤其無法利用滯留時間來分辨甲苯胺位置結構，推測可能為結構性質相似，對於管柱的黏滯係數差不多，造成管柱無法有效分離。

圖 8 . 苯胺的 SIR TIC 圖譜

表 5 苯胺系列工業毒化物液相層析串聯質譜儀滯留時間比較表

　　本研究以攜帶式氣相層析質譜儀、氣相層析質譜儀及液相層析串聯質執行苯胺系列工業毒化物檢測，三種儀器皆已完成分析技術建置，比較各項儀器使用限制及優缺點，目前應用較為廣泛的仍屬氣相層析質譜儀，它有完整之質譜資料庫可供比對，操作方法較簡單，技術難度較低，唯揮發性低之物質不易偵測，尤其苯胺系列工業毒化物在溫度較低時，揮發性低，氣體濃度不足狀況下將無法有效偵測，此時將需倚賴頂空前處理設備或實驗室之儀器才可完成危害物辨識工作。 鄰－甲苯胺、間－甲苯胺及對－甲苯胺在研究過程中雖然無法有效辨識三者之差異性，但因其結構相近，毒性也相仿，在國土防衛需求上，儀器可清楚辨別為甲苯胺毒化物，已可滿足需求，未來在鑑定甲苯胺位置是鄰－甲苯胺、間－甲苯胺、或對－甲苯胺則可朝層析管柱分離技術或需要其他儀器如 NMR 輔助方可解決此問題。

參考文獻

[1] 行政院環境保護署，列管毒物運作資料庫。

[2] 行政院環境保護署，物質安全資料表－環保署列管編號： 038-01 ，中華民國 97 年

[3] 行政院環境保護署，物質安全資料表－環保署列管編號： 039-01 ，中華民國 97 年

[4] 行政院環境保護署，物質安全資料表－環保署列管編號： 039-02 ，中華民國 97 年

[5] 行政院環境保護署，物質安全資料表－環保署列管編號： 039-03 ，中華民國 97 年

[6] 行政院環境保護署，環署檢字第 79158 號公告，中華民國 86 年。

[7] J. J. Thomson, “Rays of positive electricity and their application tochemical analysis”, Longmans, London . (1913).

[8] A. O. Nier, “Electron impact mass spectrometry”, Rev Sci Instrum., 415, 18 (1947).

[9] M. S. B. Munson; F. H. Field, “Chemical ionization mass spectrometry”, J. Am. Chem. Soc., 88, 2621 (1960).

[10] M. Yamashita,; J. B. Fenn, “Electrospray ion source:Another variation on the Free-jet theme”, J. Phys. Chem., 88, 4451 (1984).