高效液相色譜測定車用柴油中多環(huán)芳烴的研究

王 乾，李晨曦，宋春俠，白正偉，李 懌

(1.中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽 471003；2.重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；3.中國石化石油化工科學(xué)研究院)

多環(huán)芳烴是一類分子結(jié)構(gòu)中含有兩個及兩個以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔锏目偡Q。作為一種常見的持久性污染物，多環(huán)芳烴可通過吸入、接觸等途徑對包括人在內(nèi)的多種生物體的健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[1-2]。因其廣泛存在于環(huán)境中，石化行業(yè)、食品行業(yè)、精細(xì)化工行業(yè)等多種工業(yè)產(chǎn)品中均可能含有多環(huán)芳烴，而這些產(chǎn)品中多環(huán)芳烴的含量也受到明確的限制[3-7]。例如，石化行業(yè)車用柴油中的多環(huán)芳烴不僅危害人體健康，還會造成機動車排放的尾氣中固體顆粒污染物、氮氧化合物等含量升高，從而污染環(huán)境，所以車用柴油中的多環(huán)芳烴含量是一項受到嚴(yán)格監(jiān)控的指標(biāo)。

目前，各個國家和地區(qū)普遍使用高效液相色譜法和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法作為多環(huán)芳烴含量檢測的方法，如歐盟發(fā)布的EN 12916[3]和美國材料試驗協(xié)會發(fā)布的ASTM D6591[4]均采用高效液相色譜法。我國當(dāng)前車用柴油中多環(huán)芳烴含量測定的仲裁方法是參考ASTM D6591制定的中國石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0806—2008《中間餾分芳烴含量的測定示差折光檢測器液相色譜法》。該方法基于正相液相色譜系統(tǒng)，原理是利用極性色譜柱固定相與非芳烴和芳烴間親和力的差別將組分分為非芳烴、單環(huán)芳烴、雙環(huán)芳烴和三環(huán)及三環(huán)以上芳烴，再結(jié)合“反吹”技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地獲得多環(huán)芳烴的含量[5]。相比氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用方法，液相色譜法檢測更快速方便，且所需人力及物料成本較低，因而已經(jīng)在石化行業(yè)各科研機構(gòu)、石油煉制加工廠等得到廣泛的推廣和使用。

但是，通過本課題組的長期研究及與其他機構(gòu)檢測人員的交流，發(fā)現(xiàn)使用SH/T 0806—2008方法在檢測某些車用柴油樣品中多環(huán)芳烴時存在如下問題：①色譜分離后單環(huán)芳烴與多環(huán)芳烴存在交叉，兩者的分界存在困難；②色譜柱系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，同一樣品不同時期測定時保留時間會發(fā)生偏移；③不同品牌的色譜柱分離順序不同，存在顯著差異。這些問題對樣品中多環(huán)芳烴定量的準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)的可信度均造成了很大的干擾，從而影響了相應(yīng)的檢測、質(zhì)控工作。

因此，本研究對SH/T 0806—2008(ASTM D6591)使用中出現(xiàn)的這些問題進(jìn)行了針對性的試驗和分析，發(fā)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求的色譜柱中包含兩種不同出峰情況的色譜柱，其中一種色譜柱的分離結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)方法的原理，而另一種色譜柱會導(dǎo)致上述單、雙環(huán)芳烴交叉，色譜柱系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題。此外還深入分析了兩種色譜柱產(chǎn)生差異的原因，并通過實驗驗證了選擇合適的色譜柱系統(tǒng)可以滿足標(biāo)準(zhǔn)方法的精密度要求。為了最大限度地消除影響多環(huán)芳烴定量的不利因素，使SH/T 0806(ASTM D6591)更好地適用于車用柴油產(chǎn)品的質(zhì)控，本研究提出了針對性的改進(jìn)方案。經(jīng)過多個實驗室的測試驗證，改進(jìn)后的方法明顯提高了多環(huán)芳烴定量的效率、色譜柱系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及分離順序的一致性。另外，通過實驗和理論分析，探尋不同色譜柱產(chǎn)生差異的原因，使得改進(jìn)方案對類似的色譜測定問題具有良好的適用性。

1 實 驗

1.1 儀 器

采用Agilent 1260/Waters 2695型高效液相色譜儀，Agilent 1260/Waters 2414型示差折光檢測器，Waters 2996型PDA(光電二極管陣列)檢測器。柱溫箱溫度為35 ℃，樣品進(jìn)樣體積為10 μL，流動相流速為1.0 mL/min。

使用了5種符合SH/T 0806要求的色譜柱，分別為：色譜柱1，Agilent Zorbax NH2，250 mm×4.6 mm×5 μm；色譜柱2，Waters Spherisorb CN，250 mm×4.6 mm×5 μm；色譜柱3，島津NH2，250 mm×4.6 mm×5 μm；色譜柱4，Thermo Hypersil APS(NH2)，250 mm×4.6 mm×5 μm；色譜柱5，Waters Spherisorb NH2，250 mm×4.6 mm×5 μm。

1.2 試 劑

流動相使用HPLC級正庚烷(Fisher公司)和超干正庚烷(J & K公司)。

SH/T 0806—2008中規(guī)定的系統(tǒng)性能驗證標(biāo)準(zhǔn)溶液(SPS)和標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：環(huán)己烷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%，Sigma-Aldrich公司)，鄰二甲苯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%，Sigma-Aldrich公司)，二苯并噻吩(99%，Damas-beta公司)，9-甲基蒽(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，Alfa公司)，菲(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，Alfa公司)，1-甲基萘(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，Alfa公司)。改進(jìn)方法中使用十二烷基苯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%，Alfa公司)，六甲基苯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，Alfa公司)和萘(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，Sigma-Aldrich公司)。

27個車用柴油樣品(編號1～27)來自全國不同地區(qū)市售國Ⅵ 0號車用柴油，精密度驗證試驗樣品A～G從上述27個車用柴油樣品中選出。樣品H(直餾柴油餾分油)和樣品I(加氫裂化柴油餾分油)來自中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司。

1.3 實驗方法

車用柴油樣品中多環(huán)芳烴的檢測方法及SPS溶液的使用方法均按照標(biāo)準(zhǔn)方法SH/T 0806—2008的要求進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱系統(tǒng)的分類和選擇

標(biāo)準(zhǔn)方法SH/T 0806對色譜柱系統(tǒng)的要求是“只要滿足標(biāo)準(zhǔn)9.4.3節(jié)規(guī)定的分辨率要求(環(huán)己烷和鄰二甲苯的分辨率不小于5.0)，任何填充有氨基鍵合(或者極性氨基/氰基鍵合)的硅膠固定相的高效液相色譜不銹鋼柱都可以使用”[5]。但實際工作中發(fā)現(xiàn)，在使用的色譜柱滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，不同色譜分離車用柴油中烴類的出峰情況并不一致，有些甚至差異很大。

分別使用5種符合標(biāo)準(zhǔn)方法要求的色譜柱(編號1～5，色譜柱信息見1.1)進(jìn)行車用柴油樣品中芳烴含量測定的平行試驗，結(jié)果顯示，色譜柱1，2，3，4的出峰情況非常相似，而色譜柱5的出峰情況與其他4種色譜柱具有特征性的差異，尤其是在單環(huán)芳烴和雙環(huán)芳烴的分離方面。根據(jù)色譜柱出峰特征，可將色譜柱分為兩類：A型和B型色譜柱，其分峰結(jié)果如圖1所示。除色譜柱5為A型色譜柱外，其他4種色譜柱均為B型色譜柱。

兩類色譜柱典型的區(qū)別是：A型色譜柱的譜圖中單環(huán)芳烴和雙環(huán)芳烴的色譜峰重疊交叉，導(dǎo)致兩者的分界相當(dāng)困難；而B型色譜柱的譜圖中可以清晰地區(qū)分單環(huán)芳烴和雙環(huán)芳烴的色譜峰，因此兩者分界非常容易。

為了驗證A型與B型色譜柱分離結(jié)果的差異，將PDA檢測器串聯(lián)在示差折光檢測器前，分別使用A型和B型色譜柱在相同試驗條件下進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖2。隨著芳烴共軛體系的增大，芳烴的3個吸收帶均向波長增大方向移動，因此可以根據(jù)PDA檢測譜圖中吸收特征波長對柴油中的單環(huán)、雙環(huán)和三環(huán)芳烴化合物進(jìn)行定性分析。圖2顯示，B型色譜柱可以很好地分離車用柴油中的單環(huán)和雙環(huán)芳烴，而A型色譜柱在分離過程中存在嚴(yán)重的單環(huán)和雙環(huán)芳烴譜峰的交叉。

圖2 使用A型和B型色譜柱的典型車用柴油PDA圖譜

進(jìn)一步分析A型色譜柱中引起單、雙環(huán)芳烴譜峰交叉的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)主要是五甲基苯、六甲基苯等多取代基的單環(huán)芳烴。這說明A型色譜柱區(qū)分多取代基的單環(huán)芳烴和極性相差不大的雙環(huán)芳烴的能力較差，甚至可能出現(xiàn)極性更大的雙環(huán)芳烴先于極性更小的單環(huán)芳烴出峰的情況。顯然，這種情況與SH/T 0806依據(jù)極性不同的分離原理相悖，也直接導(dǎo)致了單、雙環(huán)芳烴難以準(zhǔn)確定量的問題。因此，即使A型色譜柱符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，但在實際工作中應(yīng)盡量使用B型色譜柱，以得到準(zhǔn)確、無爭議的檢測結(jié)果。

為確定具體的某種色譜柱是A型還是B型，需要根據(jù)單環(huán)芳烴和雙環(huán)芳烴的出峰情況來進(jìn)行判斷。鑒于SH/T 0806中規(guī)定使用多種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制的溶液SPS來進(jìn)行系統(tǒng)性能驗證，那么可在原有的SPS中增加具有代表性的單環(huán)和雙環(huán)芳烴標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，這樣SPS的分離結(jié)果既能完成系統(tǒng)性能驗證，也能有效區(qū)分A型和B型色譜柱。根據(jù)前述對易交叉物質(zhì)的分析，選取萘代表雙環(huán)芳烴，六甲基苯和十二烷基苯代表多取代基單環(huán)芳烴加入SPS中，然后在標(biāo)準(zhǔn)要求條件下使用色譜柱進(jìn)行分離，結(jié)果見圖3。由圖3可見：使用B型色譜柱，SPS中各物質(zhì)出峰順序符合極性規(guī)律，即單環(huán)芳烴先于雙環(huán)芳烴出峰，萘、六甲基苯和十二烷基苯三者中萘最后出峰；而使用A型色譜柱，萘先于六甲基苯流出，這樣在分離過程中會引起單環(huán)芳烴和雙環(huán)芳烴譜峰的交叉。所以，根據(jù)改進(jìn)后的SPS中萘和六甲基苯的相對出峰順序即可判定色譜柱類型，從而選擇合適的色譜柱系統(tǒng)。

圖3 使用A型和B型色譜柱的典型車用柴油SPS圖譜

2.2 色譜柱系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

長期檢測過程中還發(fā)現(xiàn)，同一柴油樣品在不同時期檢測，其出峰情況有明顯的差異。據(jù)推測是不同時期的空氣濕度變化造成色譜柱固定相的含水量不同，進(jìn)而影響了色譜柱的分離效果。為了驗證是否是含水量的原因，使用不同量的超干溶劑作為流動相沖洗色譜系統(tǒng)，從而改變色譜柱(A型色譜柱5)固定相的含水量，然后再按常規(guī)條件進(jìn)行SPS的分離，結(jié)果見圖4。圖4結(jié)果表明，SPS中六甲基苯的保留時間隨著超干溶劑沖洗體積的增大而增加，其他化合物的保留時間則基本不變。因此，極有可能是色譜柱固定相的含水量隨時間變化，使得色譜柱分離能力改變，從而引起了同一樣品出峰情況變化的現(xiàn)象。

圖4 超干溶劑沖洗體積對A型色譜柱分離情況的影響

經(jīng)實驗驗證，上述含水量變化導(dǎo)致色譜柱系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象僅發(fā)生在使用A型色譜柱的情況下。使用B型色譜柱的系統(tǒng)在同樣檢測條件下，不同時期的分離情況具有良好的一致性，改變超干溶劑沖洗體積也不會導(dǎo)致出峰順序變化，證明其系統(tǒng)穩(wěn)定性更強。因此，為解決分離情況受色譜柱含水量影響而導(dǎo)致柱系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，建議選擇穩(wěn)定性強的B型色譜柱。

2.3 色譜柱系統(tǒng)產(chǎn)生差異的原因

A型和B型色譜柱在分離結(jié)果上產(chǎn)生差異的原因，分析推測是由色譜柱固定相使用的硅膠類型不同引起的。硅膠表面有豐富的羥基[8]，可與樣品中的芳烴形成一種特殊的弱氫鍵，即X—H…π氫鍵[9-11]，而芳烴取代基中的氫又可通過超共軛效應(yīng)加強氫鍵作用。所以，分離過程中影響出峰順序的不僅僅是芳烴的極性，還與芳烴共軛體系的大小和取代基情況有關(guān)[12]。

根據(jù)實驗結(jié)果，B型色譜柱分離樣品時的主導(dǎo)因素仍是極性，單環(huán)芳烴出峰早于極性更大的雙環(huán)芳烴，符合SH/T 0806的方法原理。而A型色譜柱可能使用不同類型的硅膠，導(dǎo)致硅膠與芳烴間的弱氫鍵作用對分離的影響變大，因此多取代基的單環(huán)芳烴，如六甲基苯，與色譜柱固定相間具有較強的親和力，其出峰時間甚至晚于極性更大的萘，引起了單、雙環(huán)芳烴出峰順序的交叉。而且，A型色譜柱固定相含水量影響出峰情況的現(xiàn)象也可由此得到合理解釋，因為含水量是影響氫鍵的因素之一，所以含水量變化必然會影響到樣品與色譜柱固定相間的親和力，從而使得A型色譜柱系統(tǒng)的分離結(jié)果不穩(wěn)定。

2.4 色譜柱系統(tǒng)差異對檢測結(jié)果的影響

由于SH/T 0806未對色譜柱類型進(jìn)行限制，在實際應(yīng)用中可能會出現(xiàn)A型和B型色譜柱混用的情況，對樣品的檢測結(jié)果可能會有差異。為了考察不同類型的色譜柱對檢測結(jié)果的影響，分別使用1種A型色譜柱和3種B型色譜柱在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下測定27個車用柴油樣品(編號1～27)中的芳烴含量。結(jié)果顯示，3種不同品牌B型色譜柱的檢測結(jié)果相近，差值均未超過標(biāo)準(zhǔn)方法再現(xiàn)性的允許差值，而A型和B型色譜柱檢測結(jié)果的部分差值超過了再現(xiàn)性允許差值，即A型和B型色譜柱之間存在不容忽視的檢測偏差。為了避免出現(xiàn)檢測結(jié)果之間有顯著性差異的問題，建議選擇更符合標(biāo)準(zhǔn)原理的B型色譜柱。

2.5 方法的精密度驗證

為了系統(tǒng)驗證使用B型色譜柱的操作體系是否能滿足標(biāo)準(zhǔn)方法SH/T 0806對精密度的要求，分別在5個實驗室開展精密度試驗，參與試驗的機構(gòu)及使用的色譜儀型號如表1所示。精密度試驗的樣品選擇了多環(huán)芳烴含量不同的7個車用柴油樣品(編號A～G)、1個直餾柴油餾分油(編號H)和1個加氫裂化柴油餾分油(編號I)，共9個樣品。不同實驗室按照SH/T 0806規(guī)定的條件對樣品進(jìn)行檢測，得到的重復(fù)性試驗結(jié)果顯示，所有樣品重復(fù)測定的差值均未超過標(biāo)準(zhǔn)方法精密度規(guī)定的允許差值[5]。并且，比較不同實驗室間的再現(xiàn)性試驗結(jié)果，每個樣品的再現(xiàn)性差值均低于標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定的允許差值。因此，使用B型色譜柱的操作體系的重復(fù)性和再現(xiàn)性結(jié)果良好，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 精密度試驗參與實驗室及儀器型號

3 結(jié)論及建議

本研究將符合SH/T 0806要求的色譜柱根據(jù)其不同的出峰情況分為A型和B型色譜柱。其中A型色譜柱在分離過程中會出現(xiàn)多取代基的單環(huán)芳烴與雙環(huán)芳烴的交叉，因而在定量時難以分界，而B型色譜柱對單環(huán)和雙環(huán)芳烴的分離效果良好。另外，B型色譜柱系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯好于A型色譜柱，在分離時不會出現(xiàn)樣品的保留時間隨檢測時期變化的情況。造成這種差異的原因可能是色譜柱固定相使用的硅膠類型不同，導(dǎo)致樣品與硅膠之間的氫鍵作用對兩種色譜柱的分離過程有不同程度的影響。并且，A型和B型色譜柱的檢測結(jié)果之間存在檢測偏差，而使用B型色譜柱可以滿足標(biāo)準(zhǔn)方法的重復(fù)性和再現(xiàn)性要求，結(jié)果具有良好的精密度。

綜上，建議在采用SH/T 0806測定車用柴油樣品中多環(huán)芳烴含量時選擇B型色譜柱，色譜柱類型可通過改進(jìn)后的SPS中標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的出峰順序確定。這樣在不額外增加工作量的同時可以有效解決測定過程中出現(xiàn)的單、雙環(huán)芳烴譜峰交叉，色譜柱系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，并得到準(zhǔn)確度和精密度符合要求的測定結(jié)果。