氣相色譜法測定石蠟油中檸檬醛組分含量的研究

(上海北裕分析儀器股份有限公司，上海 200431)

1 前言

我所開發(fā)的合成檸檬醛工藝路線是以石蠟油為溶劑，去氫芳樟醇為原料，在催化劑作用下重排得到檸檬醛。檸檬醛具有兩種同分異構(gòu)體，分別為香葉醛(α-檸檬醛)和橙花醛(β-檸檬醛)，是一種具有玫瑰花香的香精原料，在飲食、食品、日化高檔香精的調(diào)配中被廣泛使用；同時也是合成其它一些重要香料的中間品，且是合成這些重要香料的關(guān)鍵原料。

在石蠟油體系合成檸檬醛動力學(xué)研究中，樣品溶在石蠟油中，石蠟油沸程在340℃以上，不宜直接采用氣相色譜法分析。在計(jì)算物料衡算和動力學(xué)研究中，必須有一個快速準(zhǔn)確的測定方法測定其反應(yīng)過程中組分含量。從蒼子油提取天然的檸檬醛的測定采用氣相色譜法[1]；石蠟油體系中合成檸檬醛含量的直接測定，國內(nèi)外未曾有報(bào)道，而是采用減壓精餾，取餾分，氣相色譜法分析餾分[2]；由于動力學(xué)試驗(yàn)，反應(yīng)體系只有幾十克的樣品，不宜采用上述方法；同時由于該方法程序繁瑣、分析時間長，耗力、耗材，誤差大等缺點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中也不宜采用。由于石蠟油不溶于水和低碳鏈數(shù)醇類，且隨著碳數(shù)降低溶解度降低，而檸檬醛溶于醇類物質(zhì)，故可以采用萃取技術(shù)，將石蠟油分離出去后，采用氣相色譜法分析。本實(shí)驗(yàn)采用乙醇提取法，將去氫芳樟醇和檸檬醛從石蠟油中分離出來，取上層樣，氣相色譜分析。

本實(shí)驗(yàn)提出采用萃取法對樣品進(jìn)行前處理，處理后的樣品采用氣相色譜法分析。本方法解決了氣相色譜法不能直接測定石蠟油體系中檸檬醛樣品組分含量。在本方法提供的萃取條件和色譜條件下，分析速度快，樣品組分分離完全，分析結(jié)果樣品組分的精密度好、回收率高等特點(diǎn)，可用于石蠟油體系中檸檬醛含量的測定及檸檬醛產(chǎn)品組分分析。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

Agilent6890氣相色譜儀，氫火焰離子檢測器(FID)，Agilent 2070化學(xué)工作站；HP-5(30m×0.32mm i.d.×0.25μm)；電子天平(精確至0.0001g)；離心機(jī)(4000轉(zhuǎn)/min)。

去氫芳樟醇(97.11%)，本研究所合成；檸檬醛(97.43%)，上?；瘜W(xué)試劑公司；石蠟油(沸程340℃以上)，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；反應(yīng)體系試樣(石蠟油含量為50%) ，本單位提供。

2.2 色譜條件及離心條件

色譜：120℃初始溫度，保留5min，15℃/min程序升溫到200℃，保留2min，后運(yùn)行溫度為240℃保留4min。分流比為100∶1；氣化溫度為240℃；檢測溫度為250℃；載氣(氮?dú)?流量為0.8mL/min；進(jìn)樣量：0.4μL；積分最小峰面積：0.01%組分含量的峰面積；結(jié)果采用面積歸一化法計(jì)算質(zhì)量百分含量，乙醇峰不積分。

離心機(jī)：4000轉(zhuǎn)/min，6min。

2.3 樣品處理和試樣分析

取0.5g反應(yīng)體系試樣于4mL離心管中，加入2.5g乙醇，充分搖動2min，離心分層，取上層溶液，在上述色譜條件下注射0.4μL進(jìn)行分析。結(jié)果扣除乙醇峰，采用面積歸一化法計(jì)算樣品中組分的質(zhì)量百分含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 色譜柱的選擇及操作條件的優(yōu)化

分別在50m和30m的HP-FFAP和HP-5色譜柱上試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：樣品組分在HP-5色譜柱上比在HP-FFAP色譜柱上分離效果好，在HP-FFAP色譜柱上，去氫芳樟醇與α-檸檬醛分離度較差，因而溫度比極性對其分離度影響較大，本實(shí)驗(yàn)采用HP-5毛細(xì)管色譜柱；采用30m的HP-5色譜柱分析速度快、分離完全。圖1為去氫芳樟醇合成檸檬醛過程中樣品的典型標(biāo)準(zhǔn)圖譜，由圖1可以看出去氫芳樟醇和檸檬醛以及檸檬醛兩個同分異構(gòu)體的分離度非常好，分析速度快，分析時間僅12min。本方法為檸檬醛動力學(xué)研究提供及時、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 檸檬醛樣品的典型氣相色譜圖

3.2 定性及定量分析

采用已知標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)加入法或保留時間對試樣中主要組分進(jìn)行定性，面積歸一化法進(jìn)行定量分析。

3.2.1精密度試驗(yàn)

取1試樣，稱取相同量的該試樣于6個離心管中，分別用相同量的乙醇萃取，進(jìn)樣分析，扣除乙醇峰，分別計(jì)算去氫芳樟醇和檸檬醛組分質(zhì)量百分含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表1。

表1 樣品精密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(n=6)

由表1可以看出，本實(shí)驗(yàn)中的萃取條件和色譜條件對去氫芳樟醇和檸檬醛組分測定結(jié)果的RSD均小于0.7%，重復(fù)性良好。

3.2.2校正因子試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取乙醇、去氫芳樟醇和檸檬醛等標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制成標(biāo)準(zhǔn)混合溶液，在上述色譜條件下進(jìn)樣分析，根據(jù)稱取標(biāo)樣質(zhì)量和對應(yīng)的純度計(jì)算出每個組分質(zhì)量，并根據(jù)對應(yīng)的峰面積計(jì)算絕對校正因子(Ki)和相對于檸檬醛的相對校正因子(Kr)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 校正因子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(n=6)

由表2可以看出，去氫芳樟醇和檸檬醛的校正因子比較接近，因而當(dāng)乙醇不積分在內(nèi)時，可以采用面積歸一化法表示各組分的質(zhì)量百分含量。

3.2.3回收率試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取去氫芳樟醇和檸檬醛標(biāo)樣配制成6個不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并計(jì)算出每個組分的質(zhì)量百分含量，分別加入等質(zhì)量的石蠟油；分別采用2倍和10倍溶質(zhì)量的乙醇萃取，離心分層，取上層液，在上述色譜條件下，分別注射0.4μL進(jìn)行分析，面積歸一化法計(jì)算含量，分別計(jì)算去氫芳樟醇和檸檬醛在2倍和10倍量的萃取劑下的平均回收率R1和R2及對應(yīng)的RSD，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 兩種不同量萃取劑下檸檬醛樣品組分的回收率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(n=6)

3.3 萃取劑的選擇及用量

石蠟油不溶于水和醇類，故可以采用水、醇等溶劑做萃取劑；去氫芳樟醇和檸檬醛在水中的溶解度很小，不宜采用水做萃取劑；根據(jù)相似相容原理，石蠟油在低碳鏈數(shù)醇類中溶解度最小，甲醇、乙醇可以作為萃取劑，由于甲醇易揮發(fā)且毒性大，故采用乙醇比較理想。去氫芳樟醇與檸檬醛的密度相較接近，可以用檸檬醛近似表示，上述溶液近似為理想溶液[3]，混合后體積為檸檬醛和乙醇二者體積的簡單相加，分層后乙醇在上層有利于取樣分析；乙醇在上層必須滿足混合后乙醇相的密度小于石蠟油的密度，因而滿足下式:

(1)

其中，檸檬醛、石蠟油和乙醇的密度分別為0.89、0.83和0.80，代入(1)式，得到m乙>1.8m檸；乙醇越多，密度越小，越容易分層；乙醇越多石蠟油中的溶質(zhì)就越少，溶質(zhì)萃取率越高，但檸檬醛含量太低，不利于氣相色譜分析；實(shí)驗(yàn)在分析樣品時采用10倍溶質(zhì)量的乙醇，萃取率較高，測定結(jié)果回收率較高。

在計(jì)算分配系數(shù)時，分配系數(shù)取決于兩相的相對濃度，石蠟油中溶質(zhì)的濃度不容易測定，而是通過乙醇相中溶質(zhì)在萃取前后減少量Δm計(jì)算，Δm越大，測定誤差越小，為此要保證石蠟油中含有盡可能高的溶質(zhì)，采用2倍溶質(zhì)量的乙醇。

3.4 去氫芳樟醇與檸檬醛在石蠟油-乙醇中的分配系數(shù)

取去氫芳樟醇和檸檬醛混合樣品氣相色譜分析后加入石蠟油搖均勻，加乙醇萃取，離心，分層，取上層樣分析扣除乙醇峰，比較兩次測定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)去氫芳樟醇濃度增加，去氫芳樟醇含量的增加量小于檸檬醛含量的減少量，說明其它組分的總含量也相應(yīng)增加了，因而檸檬醛的分配系數(shù)小于去氫芳樟醇的分配系數(shù)和其它組分的平均分配系數(shù)；只要計(jì)算出最小組分的分配系數(shù)，確保其萃取率大于98%，其余組分的萃取率肯定也大于98%。

稱取1g檸檬醛于樣品瓶中，加入2g乙醇，充分搖勻后，總質(zhì)量為m0，在上述色譜條件下注射0.4μL色譜分析測得濃度為C1，然后加入1g石蠟油，充分搖勻后離心，取乙醇相0.4μL進(jìn)樣分析，濃度為C2，根據(jù)檸檬醛的含量變化計(jì)算出檸檬醛減少量Δm，進(jìn)而計(jì)算出檸檬醛在石蠟油中的濃度C3，平行做5次，結(jié)果見表4。

表4 檸檬醛分配系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(n=5)

由表4看出，檸檬醛的平均分配系數(shù)為5.5。去氫芳樟醇的分配系數(shù)必定大于5.5，這是由于去氫芳樟醇屬于醇類，在石蠟油中的溶解度要小于檸檬醛在石蠟油中的溶解度，故分配系數(shù)比較大。因而只要保證分配系數(shù)最小的組分的萃取率大于98%，就可以保證樣品總量的萃取率大于98%。如果采用10倍的乙醇萃取，檸檬醛單次萃取率為98.2%(10×5.5/(10×5.5+1)=98.2%)， 兩次萃取時，萃取率大于99.9%，但由于費(fèi)時、麻煩，所以實(shí)驗(yàn)采用單次萃取。本條件可用于在石蠟油體系中以去氫芳樟醇為原料合成檸檬醛的動力學(xué)研究中樣品組分含量的測定。

3.5 微量石蠟油對分析結(jié)果的影響及消除

石蠟油不溶于乙醇，但會有微量的石蠟油保留在乙醇相里，柱溫最高只有240℃，由于毛細(xì)管色譜柱是空心柱，最后還會流出來，以及進(jìn)樣口襯管內(nèi)壁殘留的石蠟油液體，都會使得基線噪音增大；可以采用注射1μL正庚烷啟動程序升溫，沖洗色譜柱以及超聲襯管的方法除去基線噪音，保證分析工作順利進(jìn)行。

4 結(jié)論

綜上所述，在確定的萃取和色譜條件下，石蠟油體系中檸檬醛樣品可以采用氣相色譜法測定,每個組分分離完全，分析速度快，分析周期僅12min；以乙醇峰不積分在內(nèi)的面積歸一化法計(jì)算樣品中各組分的質(zhì)量百分含量，去氫芳樟醇和檸檬醛等組分的精密度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.7%，平均回收率在98.7～100.9%范圍內(nèi)；檸檬醛的分配系數(shù)為5.5，采用10倍溶質(zhì)量的乙醇萃取,單次萃取率大于98.2%。本方法可以用于以石蠟油為溶劑，去氫芳樟醇為原料合成檸檬醛的動力學(xué)研究中的樣品組分及檸檬醛產(chǎn)品組分分析。