水輔助分散固相萃取液相色譜法測定汽油中含氮化合物

王正宇，吳明火

(大連理工大學 海洋科學與技術學院,遼寧 盤錦 124221)

含氮化合物(NCs)廣泛存在于汽油、柴油、煤油等各種化石燃料中[1]，給人類化工生產、日常生活帶來一系列的負面影響，如阻礙燃油加工[2]，不利于燃油儲存，致癌[1,3]，環境污染[4]，人類健康問題等[5]。如何準確測定燃油中NCs的種類和濃度，一直是研究熱點。目前測定燃油中NCs的方法主要為氣相色譜(GC)[6-11]，液相色譜(LC)方法較少[12-14]，燃油中NCs含量較低，極性強、且缺乏有效的衍生化方法，使其分離富集十分困難[15]。

本研究發展了一套基于水輔助分散固相萃取的方法,以混合型陽離子交換微球(MCX)為吸附劑，對汽油中NCs富集萃取，用LC-UV測定，建立了同時測定汽油中的13種NCs的新方法。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

乙腈、甲醇均為色譜純；鹽酸、甲酸、甲酸銨、乙醇、正庚烷、異辛烷、丙酮、異丁醇、三乙胺、吡啶(PY)、2-甲基吡啶(MPY)、苯胺(AL)、喹啉(QNL)、間甲苯胺(MA)、2-甲基喹啉(QD)、N-甲基苯胺(NMA)、4-乙基苯胺(EA)、吲哚(ID)、N-乙基苯胺(NEA)、N，N-二甲基苯胺(DMA)、2，3-二甲基吲哚(DMI)、N，N-二乙基苯胺(DEA)均為分析純；吸附劑MCX、C18、HLB購自鴻普儀器科技公司；超純水；92#汽油。

EClassical 3100高效液相色譜儀(配UV3100紫外-可見檢測器)；PHS-3C pH計；Vortex-2旋渦混勻儀；UPTA-20超純水機。

1.2 溶液配制

1.2.1 標準儲備液的配制 將13種含氮標樣各10 μL溶于10 mL乙醇中，配制成1 000 mg/L的標準儲備液，放置在-18 ℃下保存。

1.2.2 模擬汽油的配制 取每種標樣標準儲備液各10 mL于1 000 mL容量瓶中，將異辛烷與正庚烷按92∶8的比例混合稀釋至刻度，配制成含氮量130 mg/L 的模擬汽油。

1.3 分散固相萃取

稱取50 mg吸附到50 mL離心管中，加入1 mL甲醇，渦旋5 min，棄去上清液。加入2 mL固定pH的水，渦旋5 min，加入定量樣品，渦旋5 min。棄去上清液。轉移至1.5 mL離心管，加入1 mL水，渦旋洗滌材料至中性，棄去上清液，加入含定量三乙胺的甲醇溶液0.5 mL，渦旋5 min，取上清液，過0.22 μm的有機濾膜，與等量水混勻，使用LC-UV測定。

1.4 色譜條件

色譜柱為Hypersil BDS C18(5 μm,4.6×200 mm)，柱溫40 ℃，進樣量20 μL; 流量1.0 mL/min，流動相A(10 mmol/L甲酸銨水溶液)，流動相B(乙腈)，檢測波長為230 nm，采用梯度洗脫：0～1 min 25% B，1～4 min 25%-40% B，4～8 min 40%～45% B，8～12.5 min 45%～95% B，12.5～15 min 95% B，15～15.1 min 95%～25% B，151～17 min 25% B。

2 結果與討論

2.1 吸附材料的選擇

分別用MCX、C18、HLB三種填料做吸附劑，用鹽酸將上樣階段水的pH調節為3.5，洗脫液為含有1%三乙胺的甲醇溶液的條件下，吸附材料對回收率的影響見圖1。

圖1 不同吸附劑對回收率的影響Fig.1 Effect of different adsorbents on recovery rate

由圖1可知,在3種吸附劑中，MCX對13種NCs的平均回收率最高，MCX具有疏水基團(苯基)和強陽離子交換基團(磺酸基團)[16]，在酸性條件下，對弱堿性物質有較好的吸附作用。因此，選擇MCX作為吸附劑。

2.2 pH的影響

在用MCX作吸附劑，洗脫劑為含有1%三乙胺的甲醇溶液的條件下，上樣階段水的pH對回收率的影響見圖2(6.5為實驗室水的自然pH)。

圖2 酸性條件對回收率的影響Fig.2 Effect of acidic conditions on recovery rate

由圖2可知，使用鹽酸溶液調節pH至3.5時，對13種NCs的平均回收率最高，氨基在弱酸性條件下(pKa>6)，可確保NCs的質子化，與溶液中氫離子形成配位鍵—NH3+，成為電子受體，與MCX材料中的磺酸基建立離子交換作用，并且目標物與吸附劑之間通過反相相互作用結合，利用雙重機制被吸附在MCX上[16-17]。隨著酸性增強，回收率降低，氨基與鹽酸或甲酸形成水解鹽，出現白色物質，阻礙了MCX對NCs的吸附；另一方面，氨基物質離子化，極性變強，疏水作用變弱，MCX吸附效果變差。因此選擇用0.1 mol/L的鹽酸將上樣階段水的pH調節為3.5。

2.3 洗脫劑的選擇

在用MCX作吸附劑，用鹽酸將上樣階段的水pH調節為3.5，洗脫液含有1%三乙胺的條件下，不同洗脫劑對回收率的影響見圖3。

圖3 不同洗脫劑對回收率的影響Fig.3 Effects of different eluents on recovery rate

由圖3可知，甲醇作洗脫劑時，目標物的平均回收率最高，整體效果最好。因此,選擇用甲醇作為洗脫劑。

2.4 三乙胺用量的影響

在用MCX作吸附劑，用鹽酸將上樣階段的水pH調節為3.5，甲醇為洗脫劑的條件下，三乙胺用量對回收率的影響見圖4。

圖4 三乙胺用量對回收率的影響Fig.4 Effect of triethylamine dosage on recovery rate

由圖4可知，洗脫液中三乙胺含量的增加，可顯著提高目標物的回收率，因為堿性溶液確保堿性分析物的去質子化，而吸附劑由于其酸性強度仍處于離子形式，含氮目標物容易被有機溶劑洗脫下來，這也證實了離子相互作用機制的存在[18]。三乙胺的含量>1.0%時，可以略微提高回收率，但是較高的三乙胺含量可能對色譜柱產生危害。因此，選擇在洗脫液中加入1%三乙胺進行洗脫。

2.5 線性定量范圍、檢測限和定量限

在本方法所確定的分析條件下，取一系列不同濃度的NCs標準溶液，以相同方式進行分散固相萃取并分析，色譜圖見圖5。以峰面積y對濃度x進行線性回歸，得到13種NCs的線性方程。按照S/N=3計算得到13種NCs標樣在汽油中的檢測限(LOD)；按照S/N=10計算得到相應的定量限(LOQ)，結果見表1。

圖5 13種NCs標樣的色譜分離圖Fig.5 LC chromatogram of 13 NCs 1.PY;2.MPY;3.AL;4.QNL;5.MA;6.QD;7.NMA;8.EA; 9.ID;10.NEA;11.DMA;12.DMI; 13.DEA；每種標樣濃度為20 mg/L

表1 13種含氮標樣的線性方程、線性范圍、相關系數、檢出限、定量限和富集因子Table 1 Linear equation,linear range,correlation coefficient (R2),limit of detection (LODs),limit of quantification (LOQs) and enrichment factors (EFs) of 13 standard samples NCs

由表1可知，在每種NCs的濃度范圍內，相關系數R2均在0.992～0.998，表明在此分析方法下，被分析物濃度和相應的峰面積呈良好的線性關系。13種目標物的方法檢測限為0.06～3.16 μg/L；定量限為0.25～10 μg/L，表明方法具有較高的靈敏度。

2.6 富集因子

富集因子(EF)可通過方程式EF=Csed/C0計算得到，式中Csed和C0分別是富集相的分析濃度和在樣品溶液中的初始濃度。當模擬汽油的上樣體積為100 mL時，計算得到13種NCs的富集因子，結果見表1。

由表1可知，11種含氮目標物的富集效果較好，富集因子在70.6～88.5，ID和DMI的富集因子分別為46.3和53.5，原因主要是ID和DMI上樣時，吸附效率較低。

2.7 實際樣品的測定

按照1.3節，選取優化的最佳條件對100 mL 92#汽油樣品進行處理并檢測，結果見圖6。

圖6 92#汽油樣品色譜圖Fig.6 Chromatogram of 92# gasoline sample 1.AL;2.MA;3.NMA；其他峰為未知雜質

由圖6可知，92#汽油樣品中檢測到AL、MA、NMA，均在線性范圍內。不同日期時測的結果見表2，平均濃度分別為2.21，7.09，0.71 mg/L。

表2 92#汽油樣品中NCs的分析結果Table 2 The analytical results of NCs in 92# gasoline sample

該方法經過簡單改進，可進一步應用于柴油、煤油等其他燃料樣品中NCs的分析。

3 結論

開發了一種新型同時從汽油中富集13種NCs的分析方法，通過將上樣階段水的pH調至3.5，創造合適的酸性條件，利用MCX吸附劑的離子交換與反向相互作用雙重機制富集NCs，并使用堿性洗脫液提高目標物的回收率。結合液相色譜分析，具有檢測成本低、操作簡單的優點。樣品體積為100 mL時，大多數NCs的富集效果較好，富集因子在70.6～88.5，方法定量限在0.25～10 μg/L，線性相關系數R2≥0.992。該方法分離效果好，靈敏度高，并成功應用于實際汽油樣品的測定。