19F-NMR定量檢測1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯的參數(shù)優(yōu)化

李 騰 黃桂蘭 袁 鈴 周世坤 張 何

(防化研究院，北京 102205)

19F-NMR定量檢測1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯的參數(shù)優(yōu)化

李 騰 黃桂蘭*袁 鈴 周世坤 張 何

(防化研究院，北京 102205)

建立了核磁共振氟譜法測定氰化物的氟化衍生化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-苯乙基乙酸酯(CTPA)含量的方法。以乙酸3-氟芐酯為內(nèi)標(biāo)，采用5mm Auto XBB探頭，探頭溫度298.2K，考察了不同濃度化合物的定量條件；通過比較化合物樣品定量峰與內(nèi)標(biāo)物質(zhì)響應(yīng)峰面積，計算化合物的含量。結(jié)果該化合物的19F-NMR檢測方法在0.5～50μg/mL具有良好的線性(r2=0.9966)，該方法的定量限0.5 μg/mL，檢出限0.2 μg/mL；同時考察了該化合物在不同濃度下的測量準(zhǔn)確度。

核磁共振19F-NMR 1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯 定量 含量

1 引言

氰化物[1，2]是分子中含有氰根(-CN)的化合物，分為無機氰化物和有機氰化物，本文所指的氰化物主要是無機氰化物，如氰化鈉、氰化鉀。盡管該類化合物毒性較強，卻是黃金生產(chǎn)、電鍍、礦業(yè)、金屬制造業(yè)等化工行業(yè)的重要原料，作為化學(xué)毒劑[3]曾在戰(zhàn)爭中使用過的有氯化氰(ClCN)和氫氰酸(HCN)兩種，這是將這兩種化合物列入附表3化學(xué)品的主要原因。根據(jù)禁止化學(xué)武器組織(OPCW)[4，5]的要求，對于附表化學(xué)品及其相關(guān)化合物的準(zhǔn)確鑒定必須采用至少兩種技術(shù)(其中至少一種為波譜技術(shù))來鑒定并給出一致的結(jié)果。波譜技術(shù)主要包括氣相色譜-電子轟擊質(zhì)譜(GC-EI/MS)、氣相色譜-化學(xué)電離-串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS/MS(CI))、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)、核磁共振波譜(NMR)和紅外光譜(IR)。對于ClCN而言，可以通過GC/MS直接進行檢測；HCN則僅可用頂空GC/MS進行檢測。NMR[6]作為一種波譜技術(shù)，在OPCW官方效能水平考試(簡稱水平考試)中得到成功應(yīng)用，但是由于13C和15N核的自然豐度和磁比率低，氰化物只有在高濃度下采用13C-NMR和15N-NMR檢測。原子核F的自然豐度高，19F核的絕對敏感度是質(zhì)子的0.83倍，并且譜圖有尖的洛倫茨線型和寬的化學(xué)位移，19F-NMR[7]可以滿足對低濃度化合物的檢測；要實現(xiàn)1 mg/mL(或g/kg)ClCN和HCN的NMR分析，可借助氟化物衍生，將其轉(zhuǎn)化為含氟化合物，采用氟譜(19F-NMR)實現(xiàn)化合物的間接鑒定。本實驗以氰化鈉、三氟苯乙酮、乙酸酐為原料，合成了化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)，作為氰化物氟化衍生產(chǎn)物的標(biāo)樣。

衍生反應(yīng)過程如圖1[8]所示：

圖1 用三氟苯乙酮衍生氰根示意圖

首先CN-與三氟苯乙酮發(fā)生親核加成反應(yīng)生成活性中間體1-氰基-2,2,2-三氟-1-苯基乙醇堿，然后進一步與酸酐發(fā)生酯化反應(yīng)得到穩(wěn)定衍生物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)。

為了使用19F-NMR準(zhǔn)確定量檢測氰根的氟化衍生物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯，從而準(zhǔn)確定量氰根的含量；本實驗以乙酸3-氟芐酯為內(nèi)標(biāo)，使用Varian NMR System 600超導(dǎo)核磁共振波譜儀考察及優(yōu)化了不同濃度下1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯的定量條件[9，10]。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

Varian NMR System 600超導(dǎo)核磁共振波譜儀(美國Varian公司)，600MHz 5 mm脈沖梯度場雙通道寬帶多核共振探頭，工作站軟件VnmrJ 2.1B和VnmrJ4.0。

氘代氯仿(CDCl3，99.8%氘代度，含0.03% TMS，CIL公司)；重水(D2O，99.8%氘代度，含0.03% TMS，CIL公司)；乙酸3-氟芐酯(97%分析純，百靈威)；1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA，自己合成，結(jié)構(gòu)通過1H-NMR，13C-NMR，19F-NMR，GC-MS，LC-MS鑒定，19F-NMR檢測純度為97%)。

2.2 儀器檢測條件

19F-NMR檢測條件：19F核共振頻率：564 MHz；譜寬sw=131578.9Hz；射頻中心位置：tof= 14819.6Hz;射頻功率：tpwr=61dB; 90度脈沖寬度：pw90=14.75ms；采樣時間：at=0.966ms；采樣點：np=262144；濾波帶寬：fb=47800；接收機增益：gain=54; 檢測溫度：25°C。

2.3 樣品配制

稱取化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)2.9 mg，使用CDCl3配成1 mg/mL溶液作為標(biāo)準(zhǔn)使用液，逐級稀釋為500、250、100、50、10 μg/mL；稱取內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯3.1 mg，使用CDCl3配成1 mg/mL溶液作為標(biāo)準(zhǔn)使用液，逐級稀釋為500、250、100、50、10 μg/mL。

3 結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)標(biāo)的選擇

內(nèi)標(biāo)[10]的選擇主要考慮以下幾個方面：(1)內(nèi)標(biāo)物應(yīng)具有較高的純度且獲得準(zhǔn)確定值；(2)與被測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)相近；(3)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；(4)不與樣品中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；(5)吸收峰與待測化合物的特征峰之間應(yīng)避免干擾；(6)非揮發(fā)性化合物，不易吸潮；(7)具有合適的T1，最好與待測物目標(biāo)峰的縱向弛豫時間相近。乙酸3-氟芐酯具有化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，不與化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)發(fā)生反應(yīng)，并且氟譜吸收峰明顯分開等特點。本實驗選擇乙酸3-氟芐酯作為定量檢測內(nèi)標(biāo)。

3.2 弛豫時間(d1)與脈沖寬度(pw)對定量準(zhǔn)確度的影響

定量核磁中要求弛豫延遲時間(d1)足夠長使所有核子充分弛豫，核磁共振定量方法參數(shù)設(shè)定中，首先要考察d1值是否合理。因此考察了以乙酸3-氟芐酯為內(nèi)標(biāo)時，不同弛豫時間對化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)定量結(jié)果的影響。

3.2.1 T1值的測定

縱向弛豫時間(T1)反映原子核把能量傳給周圍核所需時間，也是原子核自旋系統(tǒng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的一個特征；弛豫延遲時間(d1)的選擇受化合物縱向弛豫時間(T1)值的影響，一般選擇T1值較大的化合物的T1值的倍數(shù)作為弛豫時間?？紤]到化合物的檢測濃度有高有低，濃度高低會影響影響化合物的T1值，因此測定了不同濃度下衍生化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯的T1值。結(jié)果見表1、圖2。

表1 不同濃度下衍生化合物(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯的T1值

圖2 不同濃度下衍生化合物(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯的T1值

從圖2不同濃度下衍生化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯的T1值變化，得出化合物的濃度越高，其縱向弛豫時

間T1值也越大；因此為了定量的準(zhǔn)確性，使所有核子充分弛豫，選擇較大的T1值用作參數(shù)設(shè)定，所以高濃度下的化合物的d1值也可以滿足低濃度下化合物的d1值用于定量。

3.2.2 不同脈沖寬度(pw)和弛豫延遲時間(d1) 對定量準(zhǔn)確度的影響

不同的脈沖寬度(pw)會影響到激發(fā)核的信號強度，因為不同樣品的理化性質(zhì)，不同的樣品也會影響脈沖寬度的有效性。為了達到更好的精度和準(zhǔn)確度，選擇合適的脈沖寬度是必要的。

使用樣品濃度都為250 μg/mL的1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯，增益gain=max(52)，去耦方式: 耦合-NOE，nt=4，選擇較大T1值(乙酸3-氟芐酯的T1值，T1=5s)的倍數(shù)作為弛豫延遲時間，不同脈沖寬度(pw)下CTPA純度測定結(jié)果見表2、圖3。

表2 不同脈沖寬度(pw)和弛豫延遲時間(d1)下的CTPA純度

圖3 不同脈沖寬度(pw)和弛豫延遲時間(d1)下的CTPA純度結(jié)果對比

以上數(shù)據(jù)給出，以乙酸3-氟芐酯為內(nèi)標(biāo)，測1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)的純度在不同脈沖寬度(pw)下隨d1的改變結(jié)果，當(dāng)d1增大時，測定的1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)的純度趨于穩(wěn)定；當(dāng)d1超過5T1時，再改變d1，所測1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)的純度基本再無變化，因此實驗以5T1作為d1值進行定量分析。

當(dāng)化合物濃度低時，要長時間累加來達到要求的信噪比，信噪比越高，定量的準(zhǔn)確度就越高；因此需要考慮通過降低弛豫延遲時間(d1)增加采樣次數(shù)來達到較好的累加效率，使其信噪比達到最大；根據(jù)文獻[11]給出不同的脈沖寬度、不同弛豫延遲時間與準(zhǔn)確率誤差的關(guān)系，為了使采樣效率達到最高，選擇準(zhǔn)確率誤差0.2%之內(nèi)的參數(shù)條件對低濃度化合物(CTPA)定量條件進行考察，當(dāng)pw=pw90，d1=1.8T1；當(dāng)pw=pw75，d1=1.5T1；當(dāng)pw=pw60，d1=1.3T1；當(dāng)pw=pw45，d1=1T1；當(dāng)pw=pw30，d1=0.5T1；檢測準(zhǔn)確率誤差在0.2%之內(nèi)，如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)角α與和最佳翻轉(zhuǎn)角αB與最大弛豫時間之比(T/Tm)的依賴關(guān)系[11]

因此考察了濃度為10 μg/mL的1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯的

定量條件；低濃度的樣品采集考慮到時間效率問題，設(shè)置采樣時間30min，這5種條件下，C1(pw=pw90，d1=1.8T1)、C2(pw=pw75，d1=1.5T1)、C3(pw=pw60，d1=1.3T1)、C4(pw=pw45，d1=1T1)、C5(pw=pw30，d1=0.5T1)，增益gain=max(54)，去耦方式: 耦合-NOE，1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯信噪比的變化。結(jié)果如表3、圖5。

圖5 不同條件下3-FBA、CTPA信噪比的變化

化合物C1C2C3C4C5pw=pw90,d1=1.8T1nt=390pw=pw75,d1=1.5T1nt=450pw=pw60,d1=1.3T1nt=500pw=pw45,d1=1T1nt=600pw=pw30,d1=0.5T1nt=900CTPA21.10930.96620.82119.94918.297乙酸3-氟芐酯11.04014.39310.80910.2639.607

由圖5數(shù)據(jù)得到，在條件2，脈沖寬度pw=pw75，弛豫時間d1=1.5T1，采樣次數(shù)nt=450，autogain=max(54)的條件下，低濃度化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯采樣信噪比均為最高。

因此綜合考慮，在高濃度化合物采樣時，為了使檢測脈沖寬度結(jié)果更準(zhǔn)確，采用脈沖寬度pw=pw75，弛豫延遲時間d1=5T1進行檢測化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯；在低濃度采樣時，為了在更有效的時間內(nèi)所得化合物信噪比最高，采用脈沖寬度pw=pw75，弛豫延遲時間d1=1.5T1進行檢測化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯。

3.3 化合物的定量限與檢測限

本實驗以信噪比S/N>10作為定量限的標(biāo)準(zhǔn)，以信噪比S/N>3作為檢測限的標(biāo)準(zhǔn)。將1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)標(biāo)準(zhǔn)液逐級稀釋為濃度100、50、25、15、10、5、1 μg/mL，以0.3 mL×100 μg/mL的乙酸3-氟芐酯為內(nèi)標(biāo)，采用實驗條件脈沖寬度pw=pw75，弛豫時間d1=3s，接收增益gain=54，采樣次數(shù)nt=64的相同采樣條件(其中5μg/mL的nt=128，1μg/mL的nt=8000)；

手動調(diào)節(jié)相位和基線，進行手動積分，以峰面積比為縱坐標(biāo)，濃度為橫坐標(biāo)，求得線性回歸方程并計算得到r2值，結(jié)果見表4。由圖6得到，定量曲線方程為y=3.09x-4.11，其r2=0.9966，該化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)的儀器方法的定量限為0.5μg/mL。當(dāng)1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)濃度為0.2μg/mL時，脈沖寬度pw=pw75，弛豫時間d1=3s，采樣次數(shù)nt=8000，1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)信噪比為6.023，符合檢出要求，因此其檢出限為0.2μg/mL。

圖6 定量標(biāo)準(zhǔn)曲線

CTPA濃度峰面積比123平均值CTPA信噪比50μg/mL151.848151.292152.887152.00997.78325μg/mL73.85276.01772.61774.16244.75115μg/mL39.20638.56838.33038.70130.41510μg/mL23.84022.54023.17323.18419.1605μg/mL(nt=128)9.04910.23510.86310.04916.3001μg/mL(nt=8000)1.9961.8811.9871.95512.9710.5μg/mL(nt=8000)0.6880.7340.7260.71610.078

3.4 儀器準(zhǔn)確度考察

隨機取10～150μg/mL不同濃度的1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)溶液，以0.3mL×100μg/mL 乙酸3-氟芐酯為內(nèi)標(biāo)，準(zhǔn)確測量其積分面積，再向不同濃度的1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)溶液加0.03mL×1mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，測定其積分面積，計算回收率與相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，其結(jié)果見表5。

表5 不同濃度加標(biāo)回收率

由表5得到，隨機取10～150μg/mL 不同濃度的1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)溶液，以0.3mL×100μg/mL 乙酸3-氟芐酯為內(nèi)標(biāo)，加標(biāo)測其峰面積，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD值為5.05%。

4 結(jié)論

使用三氟苯乙酮將氰根衍生為含氟化何物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)，通過利用19F-NMR間接檢測氰化物，通過試驗優(yōu)化了儀器方法參數(shù)建立了該衍生化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)在高濃度與低濃度條件下的定量核磁共振分析方法，在高濃度化合物采樣時，采用脈沖寬度pw=pw75，弛豫延遲時間d1=5T1；在低濃度采樣時，采用脈沖寬度pw=pw75，弛豫延遲時間d1=1.5T1進行檢測化合物1-氰基-2,2,2-三氟-1-乙酸苯乙酯(CTPA)與內(nèi)標(biāo)乙酸3-氟芐酯，檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。并且利用優(yōu)化的儀器條件，考察了該化合物的檢測限為0.2μg/mL (S/N>3)、定量限為0.5μg/mL (S/N>10)以及不同濃度范圍內(nèi)的測量準(zhǔn)確度，利用19F-NMR建立了該化合物的準(zhǔn)確測定方法。

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Parameter optimization for19F-NMR quantitative detection of 1-cyano-2,2,2-trifluoro-1-phenylethylacetate.

Li Teng，Huang Guilan*，Yuan Ling，Zhou Shikun，Zhang He

(Research Institute of Chemical Defence，Beijing 102205，China)

This paper established a method for determination of 1-cyano-2,2,2-trifluoro-1-phenylethylacetate compound which was fluorinated derivative cyanide. Using acetic acid 3-fluoro-phenyl ester as the internal standard, the 5mm Auto XBB probe was adopted and the probe temperature was 298.5K. The quantitative conditions of the compounds in different concentrations were investigated. The compound content was calculated by comparing the peak area of the compound with the peak area of the internal standard substance. The result showed that the19F-NMR detection method had a good linearity (r2= 0.9966) in the range of 0.5-50μg/mL and the limit of quantification was 0.5μg/mL, the limit of detection was 0.2μg/mL. At same time the accuracy at different concentrations were also investigated.

nuclear magnetic resonance；19F-NMR；1-cyano-2,2,2-trifluoro-1-phenylethylacetate；quantitative； content

李騰，男，1993年出生，在讀碩士研究生，主要研究方向核磁分析技術(shù)，E-mail：1546490279@qq.com。

黃桂蘭，E-mail：hglhdm@163.com

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.014

2017-01-04