氣相色譜-串聯質譜法測定船用燃料油中的9種含氮化合物

彭 瑩，張子豪，劉瑩峰，王 晶，譚志毅，徐曉霞，毛容妹，鄭建國

(廣東出入境檢驗檢疫局，廣東 廣州 510623)

氣相色譜-串聯質譜法測定船用燃料油中的9種含氮化合物

彭 瑩*，張子豪，劉瑩峰，王 晶，譚志毅，徐曉霞，毛容妹，鄭建國

(廣東出入境檢驗檢疫局，廣東 廣州 510623)

采用氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)法建立了船用燃料油中9種含氮化合物的測定方法。樣品以SPE小柱凈化去除飽和烴后，通過二氯甲烷-乙醇(5∶1)溶液洗脫。用DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)色譜柱分離，采用多反應監測(MRM)模式，外標法定量。結果表明，9 種含氮化合物的色譜分離效果良好，在濃度1～1 000 mg/kg范圍內與峰面積均呈線性關系。方法的定量下限(S/N=10)為0.18～0.43 mg/kg，平均加標回收率為85.3%～121.6%，相對標準偏差(RSD，n=6)均不大于6.8%。結果表明該方法快速可靠、準確簡便，適用于船用燃料油中9種含氮化合物的檢測。

船用燃料油；含氮化合物；氣相色譜-串聯質譜

船用燃料油中高含量的氮元素會極大地影響油品的質量，使催化劑失活[1]，影響燃料油品的質量及氣味[2]，促使膠質生成[3]，排放形成酸雨[4]，并且含有氮的多環芳烴有致癌作用[5]，所以對船用燃料油中氮含量的控制很有必要。船用燃料油中含氮量高，一方面會造成其氧化穩定性差，沉渣較多，從而易引起輸油管路的堵塞、噴油嘴積炭、燃燒不充分等問題；另一方面，由于在燃燒過程中，會產生大量的氮氧化合物，從而造成對河道水質的污染。據報道，直至2010年，我國內河船舶氣體排放的污染總量已超100萬噸，為此國際海事組織根據控制發動機額定轉速來限制船舶的氮氧化物排放量。因此，對船用燃料油中氮含量的檢測具有重大意義。但由于油品基質復雜，對含氮化合物的檢測影響較大，而且油品品種繁多，氮化合物含量較低等均對船用燃料油中含氮化合物的分析方法帶來一定的困難。

燃料油中的含氮化合物可分為堿性含氮化合物和非堿性含氮化合物兩類。目前已經分離鑒定出的堿性含氮化合物主要有吡啶及其同系物、喹啉和異喹啉及其同系物、苯胺及其同系物；非堿性含氮化合物主要有吡咯、吲哚和咔唑以及它們的同系物[6]。目前，我國對柴油中含氮化合物的化學測定方法有氧化分析法(化學發光定氮法、導熱度定氮法、杜馬定氮法、克氏定氮性和察香草酚比色定氮法)和還原分析法(微庫侖定氮法和特莫倫定氮法)，以及測定堿性氮的非水滴定法[6]和測定總氮的化學發光法[7]；也有分析儀器測定方法，如測定中性氮化合物的紅外吸收光譜法[8]、氣相色譜法[9]，此類方法優點在于處理時不區分目標氮化合物種類并且在分析時能準確定性，但因燃料油組分非常復雜，導致紅外分析法與氣相色譜法定性受到干擾。根據目標化合物的特征離子進行定性定量能有效減少復雜基質帶來的影響。近年來，也有采用氣相色譜-質譜聯用測定燃料油中組分含量的方法[9-10]，該法測定含氮化合物具有更高的靈敏度和選擇性，定量下限低，多反應監測模式的抗基質干擾能力強等特點，因此本文建立了采用氣相色譜-串聯質譜同時測定船用燃料油中含氮化合物的檢測方法，方法包含了油品中常見的9種含氮目標化合物，靈敏度高、準確可靠，可用于船用燃料油中含氮類化合物的分析檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7890B-7000C氣相色譜-串聯質譜儀(美國安捷倫公司)，Chemstation和MassHunter軟件數據處理系統；DB-5MS毛細管柱30 m×0.25 mm(內徑) ×0.25 μm(膜厚)色譜柱；SPE固相分離柱；可調移液器；10 μL微量注射器。

標準物質采用沃凱公司系列標準物質，甲基吡咯(N-Methylpyrrole，99.0%)、N-甲基苯胺(Monomethylaniline，99.0%)、異喹啉(Isoquinoline，99.0%)、咔唑(Carbazole，95.0%)，吡咯(Pyrrole，99.0%)、苯胺(Aniline，99.5%)、N,N′-二甲基苯胺(N,N-Dimethylaniline，99.0%)、喹啉(Quinoline，98.0%)；吲哚(Indole，99.0%)購自上海滬試公司。二氯甲烷、乙醇、正己烷均為HPLC級，購自Tedia公司。

1.2 標準工作溶液

分別量取以上含氮化合物的系列標準物質，用二氯甲烷-甲醇(5∶1)混合溶液配制成9種濃度為1 000 μg/mL的單標儲備液。再用甲醇稀釋成濃度為10 μg/mL和100 μg/mL的兩種混合標準溶液。

移取以上濃度的含氮化合物混合溶液，以二氯甲烷-甲醇(5∶1)混合溶液為溶劑，配制含氮混合標準溶液濃度分別為0.05，0.1，0.25，1.0，5.0，10，50 μg/mL的標準工作溶液。

1.3 樣品的處理與制備

取100 μL燃料油樣品，加入到已活化的SPE固相萃取小柱中。待充分吸收后，向其中依次加入2 mL正戊烷和0.5 mL二氯甲烷-乙醇(5∶1)混合溶液進行淋洗，棄去淋洗液，當以上加入的0.5 mL二氯甲烷-乙醇(5∶1)混合溶液剛好進入凈化小柱篩板時，更換接收瓶。向SPE固相萃取小柱中繼續加入兩次混合溶液洗脫，收集1 mL上述洗脫液，過濾并上機進行分析檢測。

1.4 氣相色譜-串聯質譜條件

高純氦氣為載氣，柱流速為1.0 mL/min，進樣口溫度為280 ℃，分流比為10∶1，色譜柱為DB-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，升溫程序為：起始溫度30 ℃(保持10 min)，以3 ℃/min升溫至60 ℃(保持5 min)，以2 ℃/min升溫至100 ℃(保持5 min)，再以3 ℃/min升溫至200 ℃(保持1 min),最后再以10 ℃/min快速升溫至260 ℃，后運行溫度320 ℃(10 min)。

電子轟擊離子源(EI)溫度為 230 ℃，四極桿質量分析器溫度為 150 ℃,傳輸線溫度為300 ℃,電離能量為70 eV，碰撞能量為0～60 eV，駐留時間為20～50 ms，采用多反應監測負離子模式(MRM)，溶劑延遲4 min。定量分析時選擇目標含氮化合物的特征離子建立定量方法。

2 結果與討論

2.1 淋洗條件的選擇

選用正戊烷作為淋洗溶劑，使燃料油中的飽和烴通過淋洗達到分離，若淋洗充分，可使燃料油中占比較多的飽和烴得到分離，有效減少基質對含氮目標物的干擾，提高分析靈敏度。本實驗選擇不同體積(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mL)的正戊烷淋洗液對某樣品中的C18，C19，C20，C21，C22正構直鏈烷烴進行淋洗，每個體積平行試驗3次。結果表明，使用2.0 mL及以上的正戊烷進行洗脫后，目標飽和烴的洗出率超過90%，考慮到含氮化合物在正戊烷中有一定的溶解度，所以實驗選擇正戊烷淋洗液體積為2.0 mL。

2.2 洗脫條件的選擇

經過上述正戊烷淋洗凈化樣品后，需選用合適的洗脫溶劑對留在固相萃取柱上的含氮化合物進行洗脫。由于燃料油中含氮化合物分子均具有較大極性，并且氮雜環化合物中以SP2雜化的氮原子和近似SP2雜化的苯胺類化合物(實際為SP3雜化)均有未共用電子對，可與醇類形成氫鍵，易溶于醇，因此本文選擇了不同種類(乙醇-二氯甲烷(1∶5)、乙醇-二氯甲烷(2∶3)、二氯甲烷、乙醇)和不同體積(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mL)的洗脫液進行試驗。對含有含氮化合物(甲基吡咯、N-甲基苯胺、喹啉和咔唑)的同一陽性燃料油樣品進行回收率比較試驗，每個條件平行試驗2次。結果表明，對于同一種含氮化合物，在加入同一洗脫溶劑的前提下，溶劑量在2 mL或以上，回收率達到最大，洗脫效率最好。以極性較小的二氯甲烷作為洗脫溶劑時，洗脫效果一般，回收率在45%以上；極性相對較強的乙醇對甲基苯胺類的堿性含氮化合物有較高的回收率，但對甲基吡咯等非堿性含氮化合物的回收率較低；而采用乙醇-二氯甲烷(2∶3)和乙醇-二氯甲烷(1∶5)作為洗脫溶劑時，回收率均比使用單一溶劑時高，且對于甲基吡咯和咔唑這種非堿性含氮化合物，溶劑中極性小的二氯甲烷占比較多時，洗脫效果最好，目標化合物的回收率最高，故實驗選擇乙醇-二氯甲烷(1∶5)作為燃料油洗脫溶劑。

圖1 9種常見含氮化合物的多反應監測色譜圖Fig.1 MRM chromatogram of 9 nitrogen-containing compounds1：N-methylpyrrole，2：pyrrole，3：aniline，4：monomethylaniline，5：N,N-dimethylaniline，6：quinoline，7：isoquinoline，8：indole，9：carbazole

2.3 色譜柱的選擇

分別考察了Agilent INNOWAX(30 m×0.32 mm×0.25 μm),Agilent DB-17MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm) 和Agilent DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm) 3種不同極性的色譜柱，標準樣品濃度為10 ng/mL。結果表明，采用INNOWAX色譜柱時，吡咯和甲基吡咯，以及喹啉和異喹啉的分離效果理想，但高溫段物質的保留時間長，特別是吲哚和咔唑的出峰時間較長，并且INNOWAX色譜柱的最高使用溫度較低，導致吹出殘留在色譜柱中的高沸點燃料油物質的分析時間太長；DB-17MS色譜柱的分析時間相對較短，但苯胺類化合物的分析效果不太理想，甲基苯胺與二甲基苯胺的色譜峰完全重疊；采用較為普遍的中等極性DB-5MS色譜柱時，分析時間短，分離效果最好，在25 min內9種含氮化合物可有效地分離，因此，本實驗采用DB-5MS色譜柱對含氮化合物混合標準溶液進行分離(見圖1)。

2.4 質譜條件的優化

將9種含氮化合物的標準溶液逐個在EI全掃描模式下以相同的電離能量進行一級質譜掃描，結果表明9種含氮化合物中甲基苯胺和二甲基苯胺的最強質量峰為分子離子的同位素峰，甲基苯胺為m/z106，二甲基苯胺為m/z120，其余7種含氮化合物的最強質量峰均為與自身分子量相當的分子離子峰M。以5～80 eV的碰撞能量進行化合物的子離子模式掃描，得到子離子信息和子離子響應大小對應的碰撞能量值。9種含氮化合物中除了甲基苯胺與二甲基苯胺生成了沒有開環的苯環子離子C6H6(m/z77)外，其它均通過芳環開環產生子離子，其中吡咯類化合物的子離子均含有片段C3H3(m/z39)，1-甲基吡咯的最強質量峰為C3H3N(m/z52)，吡咯的最強質量峰為C2H3N(m/z41)；苯胺的最強質量峰為C4H4N(m/z66)，而甲基苯胺與二甲基苯胺還產生定性的子離子C4H3(m/z51)；喹啉類化合物均產生最強質量峰子離子C8H6(m/z102)和定性的子離子C6H4(m/z76)和C4H2(m/z50)；吲哚與咔唑均產生子離子C6H3N(m/z89)，其次吲哚還產生子離子C5H3(m/z63)，咔唑產生定量子離子C11H7(m/z139)。最后選取干擾較少且響應最強的碎片離子作為定量、定性離子。優化后的參數見表1。

表1 9種含氮化合物優化后的定量、定性離子對及碰撞能量及線性回歸方程與相關系數Table 1 Optimized parameters of quantitative ion,qualitative ions ,collision energies and regression equations,correlation coefficients(r) and limits of quantitation(LOQ) for 9 nitrogen-containing compounds

2.5 線性范圍與定量下限

以各物質的濃度(X,mg/kg)為橫坐標，峰面積(Y)為縱坐標繪制標準曲線，9種含氮化合物在1～1 000 mg/kg范圍內線性良好，相關系數(r)為0.996 2～0.999 3。以10倍信噪比(S/N=10)作為定量下限，計算得9種含氮化合物的方法定量下限為0.18～0.43 mg/kg，結果見表1。

2.6 回收率與精密度

配制濃度為5 000 mg/L的含氮化合物混合標準溶液。移取3份1 mL已知不含氮化合物的燃料柴油樣品，將其作為空白基質。然后分別向其中定量添加不同體積(10，20，100 μL)的5 000 mg/L含氮化合物混合標準溶液，取其中100 μL經前處理分離后，其最終添加質量分別為50，100，500 μg。每個添加水平平行測試6次，結果表明，9種含氮化合物基質加標液的回收率為85.3%～121.6%，相對標準偏差(RSD)不大于6.8%(見表2)。方法的精密度和準確度能夠滿足定量分析要求。

表2 9種含氮化合物的回收率與相對標準偏差Table 2 Recoveries and RSDs of 9 nitrogen-containing compounds

圖2 某船用燃料柴油樣的多反應監測色譜圖Fig.2 MRM chromatogram of marine fuel oil sample1.pyrrole，2.aniline，3.quinoline，4.isoquinoline，5.carbazole

2.7 實際樣品的測試

分別對某批船用柴油樣品進行測試，結果表明，甲基吡咯、吲哚、甲基苯胺等均未檢出，檢出苯胺和吡咯、咔唑、喹啉等雜環有機化合物，其中苯胺含量為8.7 mg/kg，吡咯、喹啉、異喹啉和咔唑含量分別為4.7，8.9，6.9，10.5 mg/kg。某船用燃料油樣品的色譜圖見圖2。

3 結 論

本文運用SPE小柱凈化分離飽和烴與芳香烴，氣相色譜-串聯質譜(GC-MS/MS)進行測定，建立了船用燃料油中9種含氮化合物的分析方法。該方法具有操作簡便、靈敏度高、精密度及準確性好的特點，能夠滿足燃料油含氮化合物的測定要求。

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Determination of 9 Nitrogen-containing Compounds in Marine Fuel Oil by Gas Chromatography-Tandem Mass Spectrometry

PENG Ying*,ZHANG Zi-hao,LIU Ying-feng,WANG Jing,TAN Zhi-yi,XU Xiao-xia,MAO Rong-mei,ZHENG Jian-guo

(Guangdong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Guangzhou 510623,China)

A gas chromatography-tandem mass spectrometric method was developed for the determination of 9 nitrogen-containing compounds in marine fuel oil.The sample was purified with SPE cartridge to remove the saturated hydrocarbon,and then eluted with a mixed solution composing of dichloromethane and ethanol(5∶1).The target ingredients were separated on a DB-5MS column(30 m×0.25 mm×0.25 μm),detected in multiple-reaction monitoring mode(MRM),and quantified by the external standard method.The method indicated a perfect performance in chromatographic separation.The linear ranges of 9 nitrogen-containing compounds were between 1 mg/kg and 1 000 mg/kg,and the limits of quantitation were between 0.18 mg/kg and 0.43 mg/kg.The recoveries ranged from 85.3% to 121.6%,with relative standard deviations(RSDs,n=6) less than 6.8%.This method was rapid,accurate,precise and convenient to operate,and it was appropriate for the determination of 9 nitrogen-containing compounds in marine fuel oil.

marine fuel oil；nitrogen-containing compounds；gas chromatography-tandem mass spectrometry

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.04.021

2016-11-04；

2016-12-15

國家重點研發計劃項目(2016YFF0203705)；廣東檢驗檢疫局科研項目(2016GDK35)

O657.63

A

1004-4957(2017)04-0560-05

*通訊作者：彭 瑩，碩士，助理工程師，研究方向：分析化學，Tel：020-38290523，E-mail:pengying0320@126.com