六硝基茋的高效液相色譜法分析

趙允穎, 陳 軍, 陳 芳, 曹端林, 王建龍

(1. 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院, 山西 太原 030051; 2. 湖北東方化工有限公司, 湖北 襄陽 441404)

1 引 言

六硝基茋(Hexanitrostilbene,HNS)是一種熱安定性良好的耐熱炸藥和感度性能優(yōu)良的鈍感炸藥,在宇航飛行器、空間技術(shù)、石油深井射孔作業(yè)及作為TNT熔鑄炸藥的添加劑等方面均有廣泛的應(yīng)用[1-3]。對(duì)HNS的研究始于1964年[4],半個(gè)世紀(jì)以來,廣大科研工作者對(duì)其合成工藝、晶體結(jié)構(gòu)及形貌控制、熱行為以及生產(chǎn)廢水的處理方面都進(jìn)行了大量的研究[5-9],但對(duì)于HNS質(zhì)量分析方法的研究甚少,分析其原因是HNS吸收光譜的非特性和在大多數(shù)溶劑中的相對(duì)不溶解性,所以光譜法及一般的分析方法無法解決HNS的純度測(cè)定問題。對(duì)HNS合成工藝分析可知,HNS產(chǎn)品中除主要成分HNS外,可能存在少量的雜質(zhì)HNBB。因此,本研究旨在分析HNS產(chǎn)品中以上兩者的含量。

曾有文獻(xiàn)采用高效液相色譜法(HPLC)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)和液相色譜-電噴霧離子肼質(zhì)譜聯(lián)用(LC-ESI-MS)方法分析HNS[10-13],但是文獻(xiàn)陳舊、分離度低、流動(dòng)相系統(tǒng)復(fù)雜。本研究提供了一種可靠的分析方法——反相高效液相色譜法(RP-HPLC)對(duì)HNS進(jìn)行定量分析,同時(shí)可以測(cè)定HNS粗品中可能存在的主要雜質(zhì)HNBB的含量,為HNS產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

P230型高效液相色譜儀系統(tǒng)(大連伊利特分析儀器有限公司),包括P230高壓恒流泵、LU230低壓梯度混合器,UV230紫外-可見檢測(cè)器,配有Hypersil ODS2色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),采用EC2000色譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作站。超純水儀(重慶阿修羅科技發(fā)展有限公司),超聲儀(鄭州生元儀器有限公司),分析天平(梅特勒—托利多儀器有限公司)。

乙腈(色譜純,美國TEDIA試劑公司),超純水(自制),所有試劑均經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾并超聲后使用。HNS、HNBB標(biāo)準(zhǔn)品(自制),經(jīng)熔點(diǎn)測(cè)定法、高效液相色譜法和紅外光譜法檢測(cè)均滿足色譜分析的要求。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

HNS標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制: 精確稱取HNS標(biāo)準(zhǔn)品0.0050 g,加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中,得到100 mg·L-1的HNS儲(chǔ)備液,震蕩、超聲使之溶解,于4 ℃下避光保存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)時(shí),將儲(chǔ)備液用乙腈逐級(jí)稀釋,配制成5，10，20，50，100 mg·L-1的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。

HNBB標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制: 精確稱取HNS標(biāo)準(zhǔn)品0.0025 g,加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中,得到50 mg·L-1的HNBB儲(chǔ)備液,震蕩、超聲使之溶解,于4 ℃下避光保存?zhèn)溆谩?shí)驗(yàn)時(shí),將儲(chǔ)備液用乙腈逐級(jí)稀釋,配制成2，5，10，20，50 mg·L-1的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.3 色譜條件

色譜柱: Hypersil ODS2色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm); 流動(dòng)相: 采用二元流動(dòng)相體系,A相為乙腈,B相為水,兩者體積比為56∶44; 流動(dòng)相流速0.7 mL·min-1; 檢測(cè)波長(zhǎng)226 nm; 柱溫25 ℃; 進(jìn)樣量10 μL。

3 結(jié)果與討論

3.1 色譜條件的建立

(1)檢測(cè)波長(zhǎng)的確定

以乙腈作溶劑,配制質(zhì)量濃度約為5 mg·L-1的HNS和HNBB的乙腈溶液。由于乙腈的截止波長(zhǎng)為190 nm,為防止溶劑對(duì)分析結(jié)果造成干擾,掃描波長(zhǎng)范圍設(shè)置為200～500 nm。用紫外-可見分光光度計(jì)下分別對(duì)HNS和HNBB溶液進(jìn)行掃描,以確定兩者的最大吸收波長(zhǎng),其紫外掃描圖如圖1所示。由圖1可以讀出,HNS和HNBB的最大吸收波長(zhǎng)分別為226,227 nm?？梢娫?26 nm波長(zhǎng)處,兩者均有較強(qiáng)的紫外吸收響應(yīng),基質(zhì)干擾較少,滿足殘留檢測(cè)的要求。因此,選擇226 nm為檢測(cè)波長(zhǎng)。

圖1 HNS和HNBB的紫外光譜

Fig.1 UV spectra of hexanitrostilbene (HNS) and hexanitrobibenzyl (HNBB)

(2)流動(dòng)相的選擇

對(duì)于反相高效液相色譜法,常用的有機(jī)溶劑為甲醇和乙腈。由于樣品溶劑為乙腈,選用乙腈作為流動(dòng)相的有機(jī)相可以有效避免溶劑對(duì)分析造成干擾[14]。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)不同比例的流動(dòng)相進(jìn)行考察,使乙腈體積分?jǐn)?shù)分別為30%，40%，50%，60%和70%(以下均使用體積分?jǐn)?shù))。不同流動(dòng)相比例下HNS樣品的高效液相色譜圖如表2所示。由圖2可見,當(dāng)乙腈<50%時(shí)( 圖2a),在60 min測(cè)定時(shí)間內(nèi)不出峰,無法洗脫; 當(dāng)乙腈≥60%時(shí)(圖2b,2c),HNS和HNBB的兩峰相連,無法分離。隨后對(duì)流動(dòng)相比例進(jìn)行微調(diào),使乙腈分別為52%，54%，56%和58%，結(jié)果表明,隨乙腈體積分?jǐn)?shù)增大,流動(dòng)相體系極性減小,洗脫能力增強(qiáng),因此各組分保留時(shí)間縮短。其中以乙腈為56%時(shí)(圖2d),峰形及峰展良好,可實(shí)現(xiàn)基線分離,多次試驗(yàn)分離度均大于3,且分析時(shí)間在20 min以內(nèi),滿足分析要求。由于HNS極性強(qiáng)于HNBB,根據(jù)“相似相溶”原理,HNS更易存在于溶劑中, HNBB則更易吸附在固定相上。因此,HNS、 HNBB依次出峰,均可排除基質(zhì)對(duì)目標(biāo)峰的干擾作用。

a. acetonitrile∶water=40∶60

b. acetonitrile∶water=60∶40

c. acetonitrile∶water=70∶30

d. acetonitrile∶water=56∶44

圖2 不同流動(dòng)相比例下HNS樣品的高效液相色譜圖

Fig.2 High performance liquid chromatography (HPLC) chromatogram of HNS under different proportions of mobile phase

(3)流動(dòng)相流速的確定

實(shí)驗(yàn)考察了流動(dòng)相流速分別為1.0，0.8，0.6, 0.4 mL·min-1時(shí)的分離效果,1.0, 0.4 mL·min-1流速下的色譜圖如圖3所示(其他流速下的色譜圖與此類似)。結(jié)果表明,隨著流動(dòng)相流速的減小,分離度及靈敏度提高,但各組分保留時(shí)間延長(zhǎng),色譜峰變寬,峰形變差。而對(duì)于以上各流速,均可以達(dá)到基線分離,滿足分析要求。由結(jié)果可知,0.6 mL·min-1為較適宜流動(dòng)相流速。隨后進(jìn)一步考察流動(dòng)相流速為0.5, 0.7 mL·min-1時(shí)的分離效果。綜合考慮分離度、峰形、峰展和保留時(shí)間等因素,選擇0.7 mL·min-1為最佳流動(dòng)相流速。

a. 0.4 mL·min-1

b. 1.0 mL·min-1

圖3 不同流動(dòng)相流速下HNS樣品的高效液相色譜圖

Fig.3 HPLC chromatogram of HNS under different flow rates of mobile phase

(4)柱溫及進(jìn)樣量的確定

有研究表明,柱溫對(duì)色譜分析的分離度和柱效有一定的影響,并且精確控制柱溫有利于保留時(shí)間的再現(xiàn)[15]。實(shí)驗(yàn)考察了柱溫分別為20，25，30，40，50 ℃時(shí)的分離效果,25 ℃柱溫下的色譜圖如圖4所示(其他柱溫下的色譜圖與此類似)。結(jié)果表明,隨著柱溫的升高,各種組分保留時(shí)間縮短,但分離度降低,并且柱溫過高會(huì)降低色譜柱的使用壽命。綜合以上因素,同時(shí)為了方便操作,選擇25 ℃為最佳柱溫。

圖4 25 ℃柱溫下HNS樣品的高效液相色譜圖

Fig.4 HPLC chromatogram of HNS at 25 ℃ column temperatures

實(shí)驗(yàn)還對(duì)不同進(jìn)樣量對(duì)分離效果的影響進(jìn)行了考察,使進(jìn)樣量分別為20，15，10，5 μL。結(jié)果表明,當(dāng)進(jìn)樣量為10 μL,既可以滿足分離要求,又可以達(dá)到較高的靈敏度。

在檢測(cè)波長(zhǎng)226 nm、流動(dòng)相乙腈∶水=56∶44、流動(dòng)相流速0.7 mL·min-1、柱溫25 ℃和進(jìn)樣量10 μL的色譜條件下,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混合溶液進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出,HNS和HNBB能夠良好地檢出和分離。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)混合溶液的高效液相色譜圖

Fig.5 HPLC chromatogram of the mixture of HNS and HNBB standards

3.2 方法學(xué)考察

(1)線性范圍、檢出限和定量限

在2.3節(jié)的色譜條件下,將配制好的每個(gè)濃度水平的HNS和HNBB標(biāo)準(zhǔn)品溶液平行進(jìn)樣3次,為避免干擾,從低濃度到高濃度依次進(jìn)樣。以3次進(jìn)樣得到的峰面積(mV)的平均值為縱坐標(biāo),各標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量濃度(mg·L-1)為橫坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。將5 mg·L-1的HNS標(biāo)準(zhǔn)溶液和2 mg·L-1的HNBB標(biāo)準(zhǔn)溶液逐步稀釋,分別進(jìn)行分析,直至響應(yīng)值為儀器基線噪聲的三倍,即信噪比S/N=3確定為檢出限,以十倍信噪比(S/N=10)確定定量限。HNS和HNBB的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍以及檢出限、定量限見表1。表1結(jié)果表明,在選定的濃度范圍內(nèi),所有目標(biāo)物的質(zhì)量濃度與峰面積的線性關(guān)系良好,線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999,說明該方法具有良好的線性相關(guān)性; 檢出限與定量限較低,說明該方法靈敏度較高,滿足分析要求。

表1 HNS和HNBB的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限和定量限

Table 1 Regression equation,linear range,correlation coefficient(r),detection limit(LOD) and quantification limit(LOQ) for HNS and HNBB

compoundregressionequationrlinearrange／mg·Ｌ－1ＬＯＤ／mg·Ｌ－1ＬＯＱ／mg·Ｌ－1ＨＮＳy＝87．01085x－408．019610．999745～1000．602．00ＨＮＢＢy＝79．72865x＋8．623540．999662～500．311．02

(2)準(zhǔn)確度和精密度

在2.3節(jié)的色譜條件下進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),添加水平分別為樣品中含量的80%、100%和120%,每個(gè)添加水平進(jìn)樣3次,用外標(biāo)法計(jì)算平均回收率及精密度。HNS、HNBB的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可見,HNS、HNBB的回收率為99.60%～100.39%,因此,該方法的回收率較好; RSD均不高于2.07%,因此,該方法的精密度良好。

表2 HNS、HNBB的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

Table 2 Spiked recovery and relative standard deviation(RSD) for HNS and HNBB

compoundconcentration／mg·Ｌ－1backgroundaddeddetectedspikedrecovery／％ＲＳＤ／％ＨＮＳ403271．9799．911．724079．7999．741．914888．34100．392．07ＨＮＢＢ403272．10100．141．854079．8499．601．634887．8299．801．90

Note: RSD is relative standard deviation.

(3)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

取一份樣品溶液,一天內(nèi)每間隔3 h進(jìn)樣一次,重復(fù)3次,測(cè)定日內(nèi)精密度; 連續(xù)3天,每天進(jìn)樣一次,測(cè)定日間精密度。結(jié)果表明,日內(nèi)及日間精密度范圍為0.54%～1.02%,該方法的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性良好。

4 結(jié) 論

探索了流動(dòng)相、流速、檢測(cè)波長(zhǎng)和柱溫對(duì)HNS的分析效果的影響,建立了一種HNS的反相高效液相色譜分析方法,優(yōu)化后的色譜條件為: 以乙腈和水為流動(dòng)相,比例為56∶44,流速為0.7 mL·min-1,采用紫外-可見檢測(cè)器,檢測(cè)波長(zhǎng)226 nm,柱溫25 ℃,進(jìn)樣量10 μL。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該法分離度可達(dá)3以上,HNS和HNBB能夠良好地分離和分析。

通過對(duì)方法線性關(guān)系、檢出限、定量限、回收率和精密度的考察,表明該方法簡(jiǎn)單、有效,可在20 min內(nèi)完成HNS的快速分析,同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性,為HNS產(chǎn)品提供了簡(jiǎn)便實(shí)用的定性及定量分析手段。

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