高效液相色譜法測定硝酸羥胺水溶液的含量

趙 坦* 徐林楠 毛亞南 劉 昶2 李 俊 王乃娟

(1. 北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2. 北京醫學院附屬中學，北京 100191 )

1 引言

硝酸羥胺(HAN)基液體推進劑作為一種新型的液體推進劑，具有能量高、易儲存、后勤供應方便，綠色環保等優點，是肼類單組元推進劑的優良替代品種，是國內外航天推進技術發展的熱點。HAN的固體形式是一種具有還原和氧化組分的高能鹽，極其不穩定并且具有爆炸的可能。因此，對于推進劑應用，通常使用HAN的濃縮水溶液以增強穩定性。HAN水溶液在室溫下具有非常低的蒸汽壓，并且不存在呼吸危害，相對于肼類推進劑更安全[1]。HAN水溶液作為硝酸羥胺基液體單元推進劑的主要成分，直接影響推進劑的性能指標。為了保證HAN基液體推進劑產品質量，建立質量控制方法，必須開展HAN含量的測定方法研究。

HAN主成分分析一般采用酸堿滴定法、氧化還原法和電位滴定法等化學分析方法[2-4]。曹曄等[5]通過HAN與碘生成的亞硝酸發生重氮偶聯反應，使用分光光度法分析HAN主要成分。化學滴定法的反應步驟較多，操作較繁瑣，檢測效率不高，且化學滴定法和分光光度法選擇性不高，對HAN溶液中的雜質不能有效分析。相對而言，色譜法的選擇性較好，降低基體對測定的干擾，且分析快速，操作簡便。

在用色譜法測定HAN時，需要進行衍生化處理。醛酮類衍生劑可以和HAN生成醛肟或酮肟，肟的性質穩定，有利于測定。常用的衍生劑有甲醛[6]、水楊醛[7]和2-硝基苯甲醛等[8,9]。甲醛的毒性較大，當采用紫外檢測器時，芳香族硝基化合物比水楊醛衍生物有更高的摩爾吸光度[10]，因此本方法選用2-硝基苯甲醛作為衍生試劑。因為鹽酸羥胺和硝酸羥胺性質相似，且與2-硝基苯甲醛衍生后產物相同，本方法用鹽酸羥胺配制標準溶液，外標法得出HAN含量。由于HAN具有強吸濕性，在空氣中能迅速吸濕而潮解成液體[11]，所以目前實際使用的都是HAN的水溶液，氣相色譜法分析水溶液步驟較復雜且HAN屬于鹽類不適合使用氣相色譜法，因此使用液相色譜法測定較氣相色譜法具有前處理程序簡單，分析快速的優點。

2 實驗部分

2.1 儀器與設備

Agilent 1260高效液相色譜儀(美國Agilent公司)；G1314B紫外檢測器(美國Agilent公司)；Milli-Q超純水機(美國Millipore公司)；VORTEX GENIΜS 3混勻器(德國IKA公司)。

2.2 試劑與材料

鹽酸羥胺(99%，美國Sigma-Aldrich公司)；甲醇、乙腈均為色譜純，購自美國Thermo Fisher Scientific公司；2-硝基苯甲醛(98%，美國Sigma-Aldrich公司)。

鹽酸羥胺標準儲備液的配制：稱取0.1g 鹽酸羥胺于100mL容量瓶中，純水定容，得到1 mg/mL的標準儲備溶液。

衍生劑的配制：稱取0.5 g的2-硝基苯甲醛于棕色樣品瓶中，加入50 mL容量瓶中，乙腈定容，2-硝基苯甲醛的濃度為10 mg/mL。

2.3 色譜條件

ZORBAX SB-C18色譜柱(100 mm×2.1 mm, 3.5 μm)；柱溫：30℃；流速：0.2 mL/min；檢測波長為254 nm；進樣量：2 μL；流動相A為水，流動相B為乙腈。梯度洗脫程序見表1。

表1 高效液相色譜梯度洗脫條件

2.4 衍生步驟

取0.2g硝酸羥胺水溶液樣品于100mL容量瓶中，純水定容。取稀釋后的樣品0.1mL于樣品瓶中，加入300 μL衍生劑，然后加入600 μL乙腈至1ml，渦旋，在70℃水浴反應40 min，放至室溫后，進行液相色譜分析。

3 結果與討論

3.1 色譜條件的優化

根據待測物的性質，一般選擇C18色譜柱進行分離。本研究選用ZORBAX SB-C18柱，峰形與分離度均良好。HAN和鹽酸羥胺與2-硝基苯甲醛反應的衍生產物均為2-硝基苯甲醛肟，考察衍生產物和衍生試劑的分離條件。流動相分別選取乙腈-水和甲醇-水，比較其對化合物分離和響應強度的影響。通過比較色譜圖發現，以乙腈-水作為流動相時，化合物分離度更好。而且在酸性條件下甲醇與衍生劑2-硝基苯甲醛可能發生醇醛縮合反應，生成縮醛化合物[12]，影響HAN的定量分析。因此，經優化后，采用ZORBAX SB-C18色譜柱，以乙腈-水進行梯度洗脫(梯度洗脫條件見表1)，生成的2-硝基苯甲醛肟保留時間為3.346 min，衍生產物和衍生試劑可實現良好分離。2-硝基苯甲醛、鹽酸羥胺標準溶液和硝酸羥胺樣品衍生化后的色譜圖見圖1。

圖1 2-硝基苯甲醛和衍生物色譜圖 (a).1000μg/mL 2-硝基苯甲醛標準溶液；(b).200μg/mL 鹽酸羥胺標準溶液衍生化后；(c). 衍生化后HAN樣品

3.2 衍生化反應條件的優化

3.2.1反應溫度的選擇

溫度對衍生化反應有重要的影響，考察不同溫度下衍生物的峰面積變化。分別在4個樣品瓶中加入100 μL的稀釋后HAN樣品，加入300 μL的10 mg/mL的2-硝基苯甲醛溶液，然后加入600 μL乙腈至1ml，旋后水浴。考察相同時間內溫度30℃，50℃，60℃，70℃和80℃時，對衍生化反應的影響。衍成物的峰面積如圖2所示，從圖2可以看出隨著溫度的升高，衍生物的峰面積逐漸增大，但當溫度從70℃升至80℃時，衍生產物峰面積變化不大，衍生反應已趨于完全。因此衍生化反應選擇為70 ℃為最佳溫度。

圖2 反應溫度對衍生化反應的影響

3.2.2反應時間的選擇

考察反應時間對衍生化反應的影響，設定衍生化時間為20 min、30 min、40 min和50 min，分別在70℃進行水浴后，上機檢測。衍生物的峰面積如圖3所示，結果顯示，隨著衍生化反應時間的增加，衍生物的峰面積逐漸變大，20min～40min衍生物峰面積增加較快，超過40min后峰面積無顯著變化，衍生反應已達到反應平衡且反應完全，為了節約實驗時間，提高分析效率，選擇40min作為最佳衍生化反應時間。

圖3 反應時間對衍生化反應的影響

3.3 線性范圍和檢出限

分別取20μL、40μL、 80μL、 120μL和160μL的鹽酸羥胺標準溶液于樣品瓶中，加入300 μL衍生劑，然后加入乙腈至1ml，渦旋，在70℃水浴反應40 min，放至室溫后，進行液相色譜分析。以衍生產物的峰面積為縱坐標，鹽酸羥胺濃度為橫坐標，繪制標準曲線如圖4所示。按照衍生產物在檢測器上產生3倍S/N時的質量濃度，該方法HAN檢出限為24.74 ng/mL。

圖4 鹽酸羥胺濃度與衍生產物峰面積的線性關系

3.4 回收率和精密度

在空白樣品中分別加入50、100和150μL的鹽酸羥胺標準溶液，按2.4部分進行衍生化后進行HPLC測定，每個加標樣品平行測定6次，計算3種濃度的加標回收率和精密度，結果見表2。加標回收率為99.14%～101.03%，相對標準偏差為0.7%～2.6%。由此可知實驗建立的分析方法準確性高；方法所用儀器精密度高，數據準確可靠。

表2 加標回收率和相對標準偏差(n=6)

3.5 實際樣品測定

應用本方法對實驗室合成的4個HAN溶液樣品進行測定。按優化的衍生化方法進行預處理，進行HPLC分析，通過下式計算得出樣品HAN含量，測定結果和相對標準偏差(n=3)結果見表3。

式中：w——樣品HAN含量，%；

C——鹽酸羥胺濃度，μg/mL；

M——樣品質量，g；

96——HAN分子質量；

69.5——鹽酸羥胺分子質量。

表3 HAN樣品檢測結果

4 結論

建立了柱前衍生化結合HPLC方法測定硝酸羥胺的分析方法。分別對衍生化方法和色譜條件進行了比較和優化，外標法進行定量。該法分析硝酸羥胺含量快速簡單、回收率高，具有精密度和準確度高的優點，可應用于硝酸羥胺水溶液的含量分析，為其質量控制提供保障。