准确测定氢含量？标准答案来了

顶空气相色谱法是目前唯一国际公认的测定氢水中氢气浓度的准确方法，但这种方法本身的使用上仍然存在不标准不规范的情况。少数不良分析公司给客户提高的氢气浓度惊人地达到每升水60毫克甚至100毫克，是普通饱和浓度的数十倍，严重混乱了仍然脆弱的氢健康市场。

这是最近来自学术界对纳米气泡氢水中氢气浓度的测定方法研究，从该研究方法和结果看，氢气浓度可以达到普通饱和浓度的2倍，这才是合理的结果。任何在常压下超过10倍浓度的检查结果，都是靠不住的。目前的纳米气泡技术并没有达到这样的水平，可能永远也达不到。

顶空气相色谱法测定纳米气泡水中的氢气含量

摘要

氢气纳米气泡在环境修复、能源燃料和医疗健康等领域具有广泛的应用前景。目前氢气纳米气泡水中总氢含量的测定方法还相对有限，无法准确评定相关的发生设备性能。发展了一种顶空气相色谱法，通过加热使顶空瓶内体系达到气液平衡的方式将水样中的氢气转移到气相中，利用气相色谱仪来测定氢气纳米气泡水中的总氢含量。

结果表明：样品的最佳平衡温度为50℃，平衡时间为15min。通过对氢气纳米气泡水中氢气纳米气泡的数量浓度及粒径分布的检测，证实了该顶空气相色谱法适用于大多数纳米气泡产生方式所制备的氢气纳米气泡水体系，即氢气纳米气泡数量浓度范围为106~108个/mL，平均粒径范围为100~300nm。当氢气纳米气泡数量浓度为6.7×106~3.8×108个/mL时，对应测得的氢含量为0~3.12mg/L，氢气纳米气泡数量浓度与对应氢含量变化一致，且能在2min内完成检测。该方法简单高效，可以满足不同数量浓度氢气纳米气泡水的测试要求，为测定氢气纳米气泡水中总氢含量提供了可行的选择，有助于进一步研究氢气纳米气泡在各领域的重要应用并进行发生设备的性能评价。

黄青,刘爱荣,张立娟.顶空气相色谱法测定氢气纳米气泡水中的总氢含量[J/OL].环境工程技术学报:1-11[2024-04-07].

近年来，纳米技术的迅猛发展为多个领域带来了重大突破。其中，纳米气泡技术作为新兴的研究领域而备受关注[1-7]，特别是氢气纳米气泡（hydrogennanobubbles，HNBs）[8-9]。诸多研究表明，HNBs由于其独特的物理化学特性，如超高稳定性、易于产生自由基和高的传质效率等，在环境修复、农业、医疗保健等方面展现出了巨大的潜力和优势[10-13]。在环境方面，HNBs可以作为一种高效的去除有害气体和污染物的方法，对于改善空气质量和净化水源具有重要意义[13-16]；在农业方面，HNBs可以促进有机肥的分解，提高甲烷产量等[17]；在医疗卫生方面，HNBs具有抗氧化、抗炎和促进细胞修复等功效，也被应用于医疗领域[18]。因此，研究HNBs的特性与应用显得尤为重要，其中氢气（H2）含量是研究HNBs的重要指标之一。

目前，测定水中H2含量的方法主要有气相色谱法、电极法和氧化还原滴定法[19-20]。然而，电极法和氧化还原滴定法容易受到其他氧化还原性物质的干扰，影响测定结果的准确性[21]。相比之下，气相色谱法能够将水溶液中的H2挥发出来，并与其他气体在色谱柱上分离，从而消除干扰，测定结果准确。根据T/NAHIEM16—2019《含氢包装饮用水》，色谱法是目前公认的较为准确的H2测定方法。

然而，现有方法多用于饱和氢水（H2含量为1.603mg/L，20℃，101kPa）或富氢水（约2.5mg/L）中H2含量的检测，这2种体系中的H2均以溶解态的形式存在。同时含有溶解性H2和包裹在纳米气泡中的气态H2的HNBs水，因纳米气泡具有超高稳定性，是否同样适用于气相色谱法仍需进一步验证。笔者采用顶空的方法将水相中的H2转移到气相中进行测定，选用受水蒸汽影响较小且加热后可恢复的分子筛毛细柱对测定气体进行分离，并优化了平衡时间和平衡温度，建立了HNBs水中H2含量的测定方法。该方法研究的目的是为了提供一种可行的选择，用于测定水中HNBs的H2含量，以便进一步研究HNBs在各领域的重要应用，并为评估相关HNBs发生设备的性能提供技术支持。

1材料与方法

1.1材料与仪器

高纯H2〔纯度≥99.999%，文冬（上海）化工产品销售有限公司〕，顶空瓶（20mL圆底螺纹瓶，比克曼生物科技有限公司），数显恒温水浴锅（HH-1，常州越新仪器制造有限公司），微纳米气泡设备（OXYDEEPTABLE-0.3，南京博纳科学仪器有限公司），气相色谱仪（Agilent Micro3000，安捷伦科技有限公司），纳米颗粒追踪分析仪（NTA，ZetaView，ParticleMetrix，德国）。

1.2试验参数及方法

1.2.1顶空气相色谱仪工作参数

色谱柱为Molsieve 5A （12 μm×320 μm×10 m）；载气为氩气（Ar，纯度≥99.999%）；样品进样口温度为 80 ℃；进样器温度为 90 ℃；色谱柱温度为 70 ℃；检测器为热导检测器（TCD）；检测器数据采集频率为 20 Hz；分析时间为 5 min。

1.2.2 标准氢水的制备及线性方程计算

在20℃，标准大气压（101kPa）下将高纯H2经分散器充入超纯水中直到饱和。由气体在水中的溶解度表[22]可知，此时水中H2含量约为1.603mg/L。将此溶液用超纯水稀释，配制成H2含量为0、0.534、0.802、1.069、1.603mg/L的标准工作溶液。每种溶液配制3个平行样品。利用顶空气相色谱测定每种溶液的H2峰面积，以H2含量为横坐标（x）、峰面积为纵坐标（y），绘制标准线性方程并计算相关系数。

1.2.3HNBs水的制备及其物理指标的测定

利用微纳米气泡设备将高纯H2通入超纯水中，泵转速为2300r/min，气体流量为100mL/min，泵出口压力为0.5MPa，仪器运行时间为30min。运行过程中溶液呈乳白色，是因为水体中含有大量微米气泡，而纳米气泡肉眼不可见。

运行结束后静置1min，微米气泡由下到上逐渐消失，溶液由乳白色变为澄清透明，静置过程中溶液的变化如图1所示，图中0s代表运行结束瞬间的溶液状态，此时溶液中微米气泡与纳米气泡并存；60s代表静置1min时的溶液状态，此时溶液中微米气泡破裂消失，纳米气泡大量存在。利用NTA测定制备的HNBs水中纳米颗粒数量浓度、粒径分布以及动态光散射光斑图像。相关参数分别设置温度为25°C、灵敏度为65、快门为150。对照组是将HNBs水进行冷冻—真空脱气（-20℃冷冻后转移至真空箱，在25℃，101kPa条件下真空脱气10h）[23]，测定脱气后的溶液中纳米颗粒数量浓度及粒径分布。

1.2.4最佳顶空平衡温度及平衡时间的确定

顶空平衡温度和平衡时间是影响气液平衡的重要因素[19]。以HNBs水为样品，平衡温度分别为40、50、60℃，每个温度对应不同的平衡时间（5、10、15、20和30min），分别考察不同平衡条件下H2的峰面积。每种溶液做3次平行，计算平均值及标准偏差。

1.2.5顶空气相色谱法的准确性测定

（1）精密度计算将1.2.3节中制备的HNBs水用超纯水分别稀释0、3和30倍，得到不同H2含量（高、中、低）的HNBs水。精密度采用3种H2含量的HNBs水样7次平行测定的相对标准偏差（RSD）来表征。

（2）方法检出限以纯净水为空白样品，加入少量HNBs水，得到低H2含量样品，平行测定7次，方法检出限（MDL）计算公式如下：MDL=SD×t(n-1,1-a)（1）式中：n为重复测定样品数；SD为n次测定结果的标准偏差；t是自由度为n-1时的Student’sT检验的临界值（查T检验临界值表可得）；1－a为置信水平[24-25]。

（3）加标回收试验为了可以准确计算加标量，使用1.2.2节制备的标准氢水作为已知H2含量样本进行加标回收试验。利用标准氢电极测定溶液中H2含量作为理论值，利用顶空气相色谱法对不同H2含量样品平行测定3次，得到实际H2含量的测定值，计算加标回收率。一般认为加标回收率在80%~120%即为合格。

1.2.6样品前处理

上述所有溶液制备完成后立即取10mL于20mL顶空瓶中[19]，快速密封，振摇10s后置于数显恒温水浴锅中50℃加热15min，取上层空气1mL立即注入气相色谱仪中测定H2峰面积。根据Henry定律和理想气体状态方程，该方法近似认为水相中的H2可全部转化到气相中[26]。

1.3数据处理

本研究数据处理及图表绘制均由SPSS28.0、Origin2018和Excel完成。

2结果与分析

2.1气相色谱法的可行性分析

分子筛毛细管柱（Molsieve5A）能够将H2与氧气（O2）、氮气（N2）有效分离，同时分子筛毛细柱的柱效受水蒸汽影响较小且加热后可恢复，减少水蒸汽的干扰。图2是标准气体（70%H2，10%O2，20%N2）的色谱分离图。从图2可以看出，H2与O2、N2能够完全分离，色谱峰形良好，且没有其他杂质干扰。根据峰面积计算各组分含量分别为：H2，68%，O2，11%，N2，21%。表明该色谱柱可以在2min内将H2从混合气体中完全分离且测定结果较为准确，方法具有可行性。考虑到不同气体混合程度的不同，后续所有试验均将仪器检测时间延长为5min。

2.2最佳顶空平衡温度及平衡时间的确定

顶空平衡时间是在一定的平衡温度下达到气液平衡所需要的时间，是影响提取效率的重要参数。提高平衡温度可以缩短平衡时间，加大待测组分的挥发量。

由图3可知，相同平衡时间条件下，H2峰面积在平衡温度为50℃时达到最大；相同平衡温度条件下，各体系随着平衡时间的延长，H2的峰面积均在15min时达到最大，随后降低。可能的原因是平衡温度过高或平衡时间过长都能使得水蒸汽含量增大，影响色谱柱的灵敏度，并且加大了顶空瓶的压力，使气密性受到影响，从而导致温度为60℃时，H2峰面积反而比40和50℃时小。另外，通过真空脱气改变HNBs数量浓度和粒径分布后，重复上述试验参数的测定，发现其最佳平衡温度和平衡时间均与图3一致，具体数据如表1所示。

综上所述，在满足灵敏度和重现性的条件下，选择顶空平衡温度为50℃、平衡时间为15min的试验条件较为合适。但对于不同的测试仪器或测试样品，平衡温度和平衡时间均有不同，部分其他报道结果如表2所示。本文所用仪器及测试样品均与表2其他研究不同，因此测试条件也有差异，需根据各方因素选择合适的平衡温度和平衡时间。

2.3顶空气相色谱法线性方程计算

通过绘制标准曲线，将测定的H2峰面积转换为H2含量。在图3给出的最佳平衡温度和平衡时间（即50℃、15min）条件下测定1.2.2节中不同H2含量的标准氢水的H2峰面积，结果见图4，以H2在水中的含量（x）为横坐标，以色谱峰面积（y）为纵坐标，绘制标准工作曲线，得到线性方程为y=2555.12x+15.42，相关系数（R2）为0.9992。该方程具有良好的线性关系，后续可通过测得的H2峰面积计算出相应的H2含量。

2.4制备的HNBs的数量浓度及粒径分布与总氢含量的关系

为了探究制备的HNBs的颗粒数量浓度分别与H2含量、粒径分布的关系，同时明确冷冻-真空脱气对HNBs水溶液的影响，分析了HNBs水溶液脱气前后的数据变化。

从图5（a）可以看出，脱气可以有效去除溶液中的HNBs，3次脱气可使得HNBs水中颗粒数量浓度从3.8×108个/mL降至6.7×106个/mL，接近超纯水中的颗粒数量浓度（1.5~5.5×106个/mL）。2次脱气后的溶液中检测到少量H2，3次脱气可完全脱除水体中的H2。说明该设备制备的HNBs水相对稳定，至少需要3次冷冻-真空脱气才能将溶液中的HNBs完全脱除。HNBs数量浓度与H2含量的正向对应关系也从侧面反映了该方法对于本HNBs体系H2含量测量的准确性。

图5（b）表明，新鲜制备的HNBs水中的纳米颗粒粒径集中分布在50~250nm，脱气后的颗粒粒径虽然也处于该范围但颗粒数明显减少，且随着脱气次数的增多，颗粒粒径分布越分散。不同脱气次数的平均粒径也有不同〔图5（c）〕，新鲜制备的HNBs的粒径为（144.6±88.9）nm，脱气后的平均粒径为250nm左右，说明脱气对HNBs水体系影响较大，不仅可以使气泡数减少，还能增大气泡粒径。

通过对HNBs水中HNBs的数量浓度及粒径分布的检测，表明该顶空气相色谱法适用于大多数纳米气泡产生方式所制备的HNBs水体系，即HNBs数量浓度范围为106~108个/mL，平均粒径范围为100~300nm。

2.5顶空气相色谱法的准确性

2.5.1精密度试验

3种HNBs水样H2含量的测定结果见图6。测量得到的实际H2含量分别为3.124、0.919和0.115mg/L。各体系的SD分别为0.115、0.044、0.004mg/L，根据公式（1）计算各体系的RSD分别为3.691%、4.777%、3.531%，RSD小于5%表明该方法精密度较高[27]，满足HNBs水中不同H2含量的测定要求。

2.5.2方法检出限

测定1.2.5节（2）中溶液中H2含量为0.0984mg/L，SD为0.00246mg/L，根据式（2）得出方法检出限：

MDL=0.00246×3.707(6,0.99)=0.00912mg/L，

MDL取值为0.009mg/L。

2.5.3加标回收试验

根据测得的H2含量的理论值和测定值（具体数据见表3），计算不同加标量的平均回收率分别为95.833%、91.521%、97.629%，均在80%~120%之间，表明该方法准确度较高。

3讨论

目前测定H2的方法主要有电极法、亚甲基蓝滴定法和气相色谱法。前2种方法的原理都是基于氧化还原反应，只能测定溶液中的溶解性H2分子，无法检测气泡内包裹的H2分子。而顶空气相色谱法可以将水相内气泡中的H2挥发到气相中，对于H2的含量检测更为准确。

刘伯言等[27]比较了顶空气相色谱法与氢气微电极法对于富氢水中H2含量测定的差别，发现二者均能满足检测要求。但对于超饱和富氢水，微电极法需要预先将富氢水稀释使H2含量保持在饱和浓度（1.603mg/L）以下。Liu等[28]则是证实了亚甲基蓝滴定法和电极法测定溶解性H2含量的可靠性。因此，对于不含其他氧化还原物质且不含有微纳米气泡的体系，可以选择电极法或者亚甲基蓝滴定法进行H2含量的测定，而对于含有大量HNBs的体系则需要选择本文介绍的顶空气相色谱法来进行H2的检测。

该方法适用于不同型号的气相色谱仪，但对于色谱柱和检测器的选择有一定要求。需要选择能够较好分离H2的分子筛色谱柱以及对H2测定影响较小的TCD检测器或BID检测器。值得注意的是，研究所测HNBs平均粒径均为100nm以上，对于平均粒径小于该值的HNBs需要另外摸索最佳测试条件，例如根据实际情况确定合适的平衡温度和平衡时间。另外，不同仪器或不同检测环境对于同一样品的响应值可能略有差异，要根据检测环境的空气中H2含量进行校正，不建议直接使用本文提供的数据或线性方程。

4结论

本文建立了HNBs水中H2含量的检测方法，利用顶空气相色谱法能够准确测定HNBs水中的H2含量，最佳平衡条件：温度为50℃、时间为15min。测定结果表明，对于所选微纳米气泡机制备的HNBs水，当HNBs数量浓度为6.7×106~3.8×108个/mL时，对应测得的H2含量为0~3.12mg/L，HNBs数量浓度与对应H2含量变化一致，说明该方法可以进行HNBs的检测，也侧面证明该设备制备HNBs水的性能良好。不论是测定高浓度H2还是低浓度H2的HNBs水，该方法都具有较高的精密度，RSD均小于5%，可以满足HNBs水中不同浓度H2含量的测定要求。该方法的检出限为0.009mg/L，操作简便，测定结果准确，分析速度较快，是一种可行且实用的分析方法。通过对HNBs中H2含量的准确测定，有助于进一步研究HNBs在各领域的重要应用，也可用于评估相应HNBs发生设备的性能。