反相液液微萃取/高效液相色譜測(cè)定變壓器油中糠酸的含量

李海燕，張偉杰，何 夢(mèng)，何澤宇

(中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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反相液液微萃取/高效液相色譜測(cè)定變壓器油中糠酸的含量

李海燕*，張偉杰，何 夢(mèng)，何澤宇

(中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

以水為萃取劑，建立了變壓器油中糠酸含量的反相液液微萃取/高效液相色譜測(cè)定方法。通過(guò)研究萃取劑的pH值、萃取劑體積、稀釋劑用量、萃取時(shí)間及離心轉(zhuǎn)速的影響，確定了最優(yōu)的萃取條件。結(jié)果表明：在以中性水為萃取劑，萃取劑體積為150 μL，稀釋劑比例V油∶V正己烷為3∶1，渦旋萃取時(shí)間為5 min，離心轉(zhuǎn)速為5 500 r/min的條件下，水萃取相直接用于高效液相色譜測(cè)定，變壓器油中糠酸的濃度在0.05～5.00 mg·L-1范圍內(nèi)呈良好線性，相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 9，方法的檢出限為9.6 μg·L-1，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=6)為1.4%，糠酸的富集倍數(shù)為13.6倍。實(shí)際老化樣品測(cè)定的加標(biāo)回收率為99.7%～105.1%，并對(duì)樣品中的糠酸進(jìn)行了HPLC-MS定性分析。該方法簡(jiǎn)捷有效，為變壓器油紙絕緣老化特征量的研究提供了數(shù)據(jù)支持。

反相液液微萃取;高效液相色譜(HPLC);糠酸;變壓器油

油浸式變壓器是電力系統(tǒng)中的核心設(shè)備，如出現(xiàn)故障將給電力企業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失，變壓器的油紙絕緣老化是導(dǎo)致其發(fā)生故障的主要原因[1]。我國(guó)現(xiàn)行的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)的IEC標(biāo)準(zhǔn)均將變壓器油中的糠醛作為老化特征量來(lái)評(píng)估變壓器紙絕緣的老化狀況[2-3]。糠醛為絕緣紙的降解產(chǎn)物，在運(yùn)行的變壓器油中有較好的累積效果，絕緣紙的老化程度越高，油中糠醛含量越大。作為判斷變壓器絕緣老化的方法之一，糠醛因其測(cè)定方法具有可在線取樣、無(wú)需停運(yùn)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。但在大量的應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絕緣紙老化到一定程度后，變壓器油中的糠醛含量表現(xiàn)出不增反降的現(xiàn)象，若此時(shí)繼續(xù)使用糠醛含量作為老化特征量來(lái)評(píng)價(jià)紙絕緣的老化狀態(tài)，則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的誤判，故近年來(lái)新老化特征量的研究受到重視[4-6]。在變壓器絕緣的老化過(guò)程中，變壓器油中酸值隨變壓器油紙絕緣老化程度的增加而不斷增加[7]。根據(jù)有機(jī)化合物的氧化還原特性，有機(jī)物礦化成無(wú)機(jī)物前均可被氧化降解為有機(jī)羧酸。老化過(guò)程中，變壓器油中糠醛含量出現(xiàn)下降的現(xiàn)象是糠醛自身發(fā)生反應(yīng)所致。從老化現(xiàn)象和分子結(jié)構(gòu)來(lái)看，糠醛可被氧化生成糠酸。開(kāi)展變壓器油中糠酸含量測(cè)定方法的研究，不僅可從反應(yīng)機(jī)理上探索老化過(guò)程中現(xiàn)行老化特征量糠醛含量下降的規(guī)律，并且可為糠酸作為新老化特征量用于評(píng)估變壓器絕緣狀態(tài)的研究提供數(shù)據(jù)。

變壓器油中糠酸測(cè)定的最大問(wèn)題為糠酸的分離與富集。近年發(fā)展起來(lái)的液液微萃取(Liquid-liquid microextraction，LLME)技術(shù)集分離和富集于一體，具有操作簡(jiǎn)單、溶劑用量少、萃取效率高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。相對(duì)于LLME技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水中有機(jī)物的分離和富集[10-11]而言，油類(lèi)基質(zhì)中微量有機(jī)物的反相液液微萃取(Reversed phase liquid-liquid microextraction，RLLME)技術(shù)的研究則報(bào)道很少。大部分有機(jī)溶劑對(duì)油類(lèi)物質(zhì)均有一定的溶解度，會(huì)引起較高的背景干擾，故油中微量有機(jī)物的分離與富集可選擇的萃取劑極其有限。Hashemi等[12]采用RLLME，以水(pH 11.0)為萃取劑，萃取初榨橄欖油中的羥基酪醇和酪醇，并將此方法應(yīng)用于5種橄欖油的檢測(cè)。Godoy-Cabllero 等[13]以乙醇∶水(60∶40)作為萃取劑，采用RLLME提取初榨橄欖油中的酚類(lèi)化合物。郝鵬鵬等[14]以乙醇作為萃取劑，提取不同植物油中的叔丁基對(duì)苯二酚(TBHQ)，并利用液相色譜/離子阱質(zhì)譜法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。而關(guān)于變壓器油紙絕緣老化過(guò)程油中糠酸的測(cè)定研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文以水為萃取劑，研究建立了反相液液微萃取聯(lián)合高效液相色譜測(cè)定變壓器油中糠酸的分析方法，測(cè)定了老化樣品中糠酸的含量，并采用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(LC-MS)對(duì)老化油樣中的糠酸進(jìn)行了定性分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

Agilent LC-Q-TOF-MS 6520液質(zhì)聯(lián)用儀、Agilent1260高效液相色譜(美國(guó)Agilent公司)；WH-2微型渦旋混合儀(上海瀘西分析儀器廠有限公司)；TGL-16G離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)；甲醇(色譜純，美國(guó)Fisher公司)；正己烷、正辛醇(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑)；糠酸(分析純，上海晶純生化科技股份有限公司)；克拉瑪依25#變壓器油(中國(guó)電力科學(xué)院提供)。

1.2 溶液及模擬油樣的配制

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 稱取0.010 0 g糠酸于燒杯中，加水溶解后轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，得到濃度為100 mg·L-1的糠酸儲(chǔ)備液。移取一定體積的此溶液用水稀釋至實(shí)驗(yàn)所需濃度。

1.2.2 模擬油樣的配制 稱量0.025 0 g糠酸溶解于正辛醇中，定容至25 mL，得到濃度為1 000 mg·L-1的糠酸儲(chǔ)備液。在空白變壓器油或加入稀釋劑的空白變壓器油中，加入一定體積的糠酸儲(chǔ)備液至實(shí)驗(yàn)所需濃度。

1.3 反相液液微萃取實(shí)驗(yàn)

取一定量的樣品于5 mL離心管中，加入150 μL超純水，在一定的萃取條件下進(jìn)行萃取，離心10 min后取水萃取相直接進(jìn)樣測(cè)定。

1.4 分析方法與計(jì)算

1.4.1 糠酸的HPLC檢測(cè)條件[15]Agilent XDB-C18色譜柱(2.1 mm×150 mm×5 μm)；柱溫40 ℃；流動(dòng)相：甲醇(A)-0.1%乙酸水溶液(B)；進(jìn)樣量1 μL；流速0.2 mL·min-1；洗脫程序：0～12 min，10%～42%A;檢測(cè)波長(zhǎng)242 nm。

1.4.2 糠酸的LC-MS檢測(cè)條件 Agilent XDB-C18色譜柱(2.1 mm×150 mm×5 μm)；柱溫40 ℃。流動(dòng)相：甲醇(A)-水(B)；進(jìn)樣量1 μL；流速0.2 mL·min-1；洗脫程序：0～12 min，10%～42%A。電噴霧模式(ESI)，負(fù)離子模式；掃描范圍：m/z50～800；干燥器溫度：300 ℃；干燥器流速：10 L·min-1；霧化器壓力：30 psi；毛細(xì)管電壓：3 500 V；碎裂電壓：125 V。

1.4.3 糠醛的測(cè)定 按DL/T 984-2005《油浸式變壓器絕緣老化判斷導(dǎo)則》所述方法進(jìn)行[2]。

1.4.4 計(jì)算方法 富集倍數(shù)(EF)的計(jì)算公式：EF=Csed/C0，式中，Csed為萃取相中目標(biāo)分析物的濃度；C0為樣品中目標(biāo)分析物的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 反相液液微萃取條件的優(yōu)化

2.1.1 稀釋劑用量的影響 因油脂類(lèi)物質(zhì)的粘度較大，在RLLME過(guò)程中，常加入稀釋劑正己烷降低粘度，增加萃取過(guò)程的傳質(zhì)速率[16-17]。本實(shí)驗(yàn)亦選用正己烷作為變壓器油樣的稀釋劑。分別取3.0 mL“1.2.2”所配制的模擬油樣，按照油和正己烷的體積比分別為4∶1，3∶1，2∶1，1∶1加入正己烷，稀釋后油樣中糠酸的濃度為5.0 mg·L-1。按“1.3”所述方法進(jìn)行萃取，考察稀釋劑用量對(duì)萃取效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1A。

由圖1A可見(jiàn)，隨著稀釋劑用量的增加，糠酸的峰面積先增加后降低，在V油∶V正己烷=3∶1時(shí)峰面積達(dá)到最大，此后繼續(xù)增加稀釋劑用量，峰面積呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)殡S著稀釋劑的加入，油的粘度逐漸降低，傳質(zhì)速率增加，萃取量不斷增大；但當(dāng)稀釋劑的加入量過(guò)大時(shí)，改變了糠酸在變壓器油和水萃取相間的溶解平衡，故峰面積下降。因此實(shí)驗(yàn)選擇油與正己烷的體積比為3∶1。

2.1.2 萃取劑體積的選擇 液液微萃取的重要特征之一是具有較高的富集倍數(shù)，考察了萃取劑體積分別為100，150，200，300，400，500 μL時(shí)對(duì)富集倍數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，萃取劑體積越小，富集倍數(shù)越大，但當(dāng)萃取劑體積小于150 μL時(shí)取樣困難，故本實(shí)驗(yàn)選擇萃取劑體積為150 μL。

2.1.3 萃取劑pH值的選擇 考慮到堿性溶液中，有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)以陰離子形式存在時(shí)更易溶于水中，故選擇氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)水的pH值，分別以pH 7.4(不調(diào)pH值)，9.0，10.0，11.0，12.0的水溶液作為萃取劑進(jìn)行變壓器油中糠酸的萃取，結(jié)果見(jiàn)圖1B。在中性和弱堿性范圍內(nèi)，萃取劑的pH值對(duì)油中糠酸的萃取效果影響不大，萃取率均大于90%；繼續(xù)增加萃取相的pH值至強(qiáng)堿性，萃取效果稍有降低，這可能是因?yàn)檩^強(qiáng)堿性的水溶液對(duì)油類(lèi)物質(zhì)的萃取能力增加，從而導(dǎo)致糠酸的萃取效果降低。故本實(shí)驗(yàn)選擇水為萃取劑，無(wú)需調(diào)節(jié)pH值。

2.1.4 萃取時(shí)間的選擇 萃取是一個(gè)動(dòng)態(tài)的傳質(zhì)過(guò)程，需要一定時(shí)間才能達(dá)到平衡。采用渦旋萃取，考察不同渦旋時(shí)間對(duì)糠酸萃取效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1C。隨著萃取時(shí)間的增加，糠酸的峰面積快速增加，當(dāng)萃取5 min時(shí)達(dá)最大，萃取效率最高，此時(shí)萃取達(dá)到平衡，繼續(xù)延長(zhǎng)萃取時(shí)間，糠酸峰面積的變化不大。因此本實(shí)驗(yàn)選擇渦旋萃取時(shí)間為5 min。

2.1.5 離心轉(zhuǎn)速的選擇 增加離心轉(zhuǎn)速有利于萃取相和樣品相的分離。在上述優(yōu)化條件下，考察離心轉(zhuǎn)速對(duì)萃取效果的影響，結(jié)果如圖1D所示。結(jié)果表明，離心轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 r/min增至5 500 r/min時(shí)，糠酸的峰面積呈增加趨勢(shì)，此后繼續(xù)增加離心轉(zhuǎn)速時(shí)峰面積無(wú)明顯變化。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇離心轉(zhuǎn)速為5 500 r/min。

圖1 萃取條件的優(yōu)化

Fig.1 Optimization of extraction condition

A：amount of the dilution,B：pH value of the extractant,C：extraction time,D：centrifugal rotational speed

采用上述優(yōu)化的萃取條件，即以150 μL水作為萃取劑，渦旋萃取5 min，在5 500 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min后，移取下層萃取液直接進(jìn)行HPLC測(cè)定。此時(shí)變壓器油中糠酸的萃取率為106.3%～108.0%。

表1 老化油樣中糠酸的測(cè)定(n=6)

Table 1 Determination of furoic acid in aging oil samples(n=6)

SampleOriginal(mg·L-1)Added(mg·L-1)Detected(mg·L-1)Recovery(%)RSD(%)101501002599704820150200361051046

圖2 老化油樣的液相色譜圖Fig.2 HPLC chromatogram of aging oil sample1.furoic acid,2.furfural

2.2 線性范圍和檢出限

按“1.2.2”方法配制糠酸濃度為0.01，0.05，0.10，0.50，1.00，2.50，5.00，10.00 mg/L的變壓器模擬油樣，在上述優(yōu)化萃取條件下進(jìn)行RLLME后，采用HPLC測(cè)定。結(jié)果顯示在0.05～5.00 mg·L-1范圍內(nèi)，糠酸的色譜峰面積(Y)與糠酸濃度(X，mg·L-1)的線性關(guān)系良好，線性方程為Y=319.67X-0.813 7，相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 9，檢出限(LOD，S/N=3.2)為9.6 μg·L-1，富集倍數(shù)為13.6，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=6)為1.4%。

2.3 老化樣品中糠酸的測(cè)定

2.3.1 老化樣品中糠酸含量的測(cè)定 采用本文建立的RLLME/HPLC分析方法，對(duì)老化油樣(加速老化14 d的樣品)進(jìn)行測(cè)定，并進(jìn)行兩個(gè)濃度(0.10,0.20 mg/L)的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，其測(cè)定值見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，糠酸的加標(biāo)回收率為99.7%～105.1%，RSD為0.46%～0.48%。圖2為該樣品的色譜圖，根據(jù)糠酸水標(biāo)樣的測(cè)定及老化油樣的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，確定圖2中保留時(shí)間為4.632 min的峰1為糠酸，保留時(shí)間為5.098 min的峰2為糠醛。

2.3.2 老化樣品中糠酸的LC-MS定性 考慮到老化樣品的基質(zhì)比較復(fù)雜，在采用保留時(shí)間法確定糠酸存在的基礎(chǔ)上，增加了老化樣品中糠酸的LC-MS定性分析。將“1.3”所得水萃取相按照“1.4.2”的LC-MS分析條件進(jìn)行測(cè)定，所得MS圖見(jiàn)圖3A。質(zhì)譜圖中m/z111的峰為糠酸失去1個(gè)H+后形成的M-1準(zhǔn)分子離子峰，m/z67的峰推測(cè)為準(zhǔn)分子離子峰丟掉CO2后得到的[M-1]-44的碎片離子峰?？匪針?biāo)準(zhǔn)水溶液的MS圖中亦有m/z111的準(zhǔn)分子離子峰和m/z67的碎片離子峰(見(jiàn)圖3B)，說(shuō)明樣品中含有糠酸。

Fig.3 MS spectra of furoic acid in aging oil(A) and aqueous solution(B)

圖4 不同老化時(shí)間油樣中糠醛和糠酸含量的測(cè)定Fig.4 Determination of furfural and furoic acid in oil samples with different aging times

2.4 老化過(guò)程中糠酸及糠醛的跟蹤測(cè)定

采用本方法和“1.4.3”方法分別測(cè)定同一樣品不同老化時(shí)間的糠酸和糠醛的含量，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，隨著老化時(shí)間的增加，油中糠醛的含量不斷增加，老化42 d后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)；而糠酸的含量則持續(xù)增加，但在老化42 d后增速加快。造成這種現(xiàn)象的原因是，在老化初期絕緣紙降解生成糠醛的速率遠(yuǎn)大于糠醛自身氧化降解的速率，從而使得油中糠醛的含量逐漸增大；但隨著老化的繼續(xù)，絕緣紙已處于劣化狀態(tài)，其降解生成糠醛的速率大大降低，糠醛自身降解的速率超過(guò)生成糠醛的速率，故出現(xiàn)油中糠醛的含量下降，而糠酸的含量快速增長(zhǎng)?？v觀整個(gè)老化過(guò)程，糠酸與老化時(shí)間呈現(xiàn)單調(diào)增長(zhǎng)特征，故其對(duì)油紙絕緣老化的表達(dá)優(yōu)于糠醛，因此，糠酸作為新老化特征量的研究值得期待。

3 結(jié) 論

本文建立了變壓器油中糠酸的反相液液微萃取聯(lián)合高效液相色譜的測(cè)定方法。以水為萃取劑，反相液液微萃取分離富集變壓器油中的糠酸，取水萃取相直接進(jìn)行糠酸的HPLC測(cè)定。該方法不僅操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確可靠，且環(huán)境友好。將所建立的方法成功用于變壓器油紙絕緣老化樣品中糠酸的定性定量分析，為糠酸作為變壓器油紙絕緣體系新老化特征量的研究提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

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Determination of Furoic Acid in Transformer Oil by Using Reversed Phase Liquid-Liquid Microextraction Coupled with High Performance Liquid Chromatography

LI Hai-yan*,ZHANG Wei-jie,HE Meng,HE Ze-yu

(College of Chemistry and Material Science,South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China)

With water as an extractant,a method was established for the determination of furoic acid in transformer oil by reversed phase liquid-liquid microextraction(RLLME) coupled with high performance liquid chromatography(HPLC).The effects of some important parameters,such as pH value and amount of extractant,amount of the diluent(n-hexane),extraction time and centrifugal rotational speed were investigated.The optimum experimental conditions were as follows:extraction solvent:neutral ultrapure water;amount of extractant:150 μL;ratio of dilution:Voil∶Vn-hexane=3∶1;extraction time:5 min;centrifugal rotational speed:5 500 r/min.The quantitative analysis of furoic acid in the transformer oil sample was performed by HPLC.The calibration curve was linear in the range of 0.05-5.00 mg·L-1with a correlation coefficient(r)of 0.999 9 and a detection limit of 9.6 μg·L-1.The relative standard deviation(RSD,n=6) was 1.4%and the enrichment factor of furoic acid was 13.6.The recoveries of furoic acid in aging transformer oil sample ranged from 99.7%to 105.1%.The qualitative analysis of furoic acid in aging transformer oil was further carried out by using HPLC-MS.This study has established a simple and effective method for the detection of furoic acid in transformer oil and provided useful data for the research on the aging characteristic parameters of transformer oil-paper insulation.

reversed phase liquid-liquid microextraction;high performance liquid chromatography(HPLC);furoic acid;transformer oil

2015-08-20；

2015-09-21

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013CFB456)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.03.009

O657.72；O611.63

A

1004-4957(2016)03-0311-06

*通訊作者：李海燕，碩士，教授，研究方向：有機(jī)污染物降解技術(shù)及其降解產(chǎn)物的分析，Tel:027-67842752，E-mail：echohyli@163.com