全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜法測定汽油中21種抗爆添加劑

劉一龍，薛秋紅*，管曉倩，王凱歌，馮真真，周龍龍，王群威

（1.青島海關(guān)技術(shù)中心，山東 青島 266500；2.寧波海關(guān)技術(shù)中心，浙江 寧波 315048）

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)效率的不斷提高和減少CO2排放的環(huán)境要求導(dǎo)致對汽油辛烷值的要求越來越高［1］，向汽油中添加抗爆添加劑是提升汽油辛烷值最經(jīng)濟(jì)有效的方法［2-3］。但各種抗爆添加劑在改善汽油辛烷值的同時(shí)，存在會(huì)引起環(huán)境污染、損害汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等各種問題［4］，因此我國車用汽油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB 17930-2016［5］對抗爆添加劑的種類和含量做出了嚴(yán)格限制。

目前，針對汽油中非金屬抗爆添加劑的檢測方法主要有紅外光譜法［6-7］、選擇性檢測器氣相色譜法［8-10］、閥切換反吹氣相色譜法［11-13］、二維中心切割氣相色譜法［14-16］、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法［17-18］等方法。這些分析方法中，紅外光譜法具有分析速度快、操作簡單、重復(fù)性好、分析成本低、不破壞樣品、容易實(shí)現(xiàn)在線分析等特點(diǎn)［19］，在快速分析中具有巨大的應(yīng)用潛力。選擇性檢測器氣相色譜法只對特定化合物有響應(yīng)，在單一類別化合物分析中具有更好的選擇性和靈敏度。閥切換反吹氣相色譜法和二維中心切割氣相色譜法是目前采用較多的分析方法，前者還是我國車用汽油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中指定的含氧化合物檢測仲裁方法（NB/SH/T 0663-2014［20］）。這兩種二維氣相色譜方法分離能力較一維色譜有所提升，可實(shí)現(xiàn)多種特定目標(biāo)化合物的二次分離。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法可以利用質(zhì)譜的定性能力和選擇性提升方法的鑒別性能和檢測靈敏度。

全二維氣相色譜飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)具有高靈敏度、高分離能力、高峰容量等特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在石油化工領(lǐng)域主要用于油品中烴類族組成分布檢測［21-24］，在汽油中抗爆添加劑檢測方面的研究較少［25］。

本研究應(yīng)用全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜法檢測汽油中的非金屬抗爆添加劑類化合物，基于全二維色譜柱容量大和分離能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了汽油中21 種多類別（醇類、醚類、酯類、胺類、酮類等）抗爆添加劑的同時(shí)檢測。該方法所檢測的化合物種類與濃度范圍可滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對汽油中禁用和限用抗爆添加劑的檢測要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（GC×GC-TOF MS），配置MPS多功能自動(dòng)進(jìn)樣器（德國Gerstel公司），7890A 氣相色譜儀（美國Agilent 公司），雙階四噴熱調(diào)制器、二維爐溫箱、Pegasus 4D TOF MS、ChromaTOF?V4.72.0.0 工作站軟件（美國LECO 公司）；BSA224S 電子天平（精度0.1 mg，德國Sartorius公司）；100、1 000、5 000 μL 移液器（德國Eppendorf 公司）；DB-5MS 色譜柱（美國Agilent 公司），BPX-50 色譜柱（澳大利亞SGE 公司），一、二維柱接頭：SilTite μ?union 0.4 to 0.4（澳大利亞Trajan公司）。

甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）、正丙醇（NPA）、異丙醇（IPA）、正丁醇（NBA）、異丁醇（IBA）、叔丁醇（TBA）、仲丁醇（SBA）、仲戊醇（SAA）、叔戊醇（TAA）、甲基叔丁基醚（MTBE）、乙基叔丁基醚（ETBE）、甲基叔戊基醚（TAME）、乙基叔戊基醚（TAEE）、二異丙基醚（DIPE）、丙酮（DMK）、碳酸二甲酯（DMC）、3-甲氧基異丁酸甲酯（Methyl 3-methoxyisobutyrate）、乙酸異丁酯（IBAC）、N-甲基苯胺（NMethylaniline）、N，N-二甲基苯胺（N，N-Dimethylaniline）、乙二醇二甲醚（DME）、異辛烷、二甲苯（中國西亞試劑公司，色譜純）。汽油樣品為市場銷售的汽油產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

1.2.1 色譜條件一維柱：DB-5MS色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；二維柱：BPX-50色譜柱（1 m × 0.1 mm × 0.1 μm）。進(jìn)樣量：0.2 μL；載氣：氦氣（純度≥99.999%）；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣；分流比：150∶1；載氣流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度：200 ℃；柱溫：初始溫度35 ℃保持6 min，以5 ℃/min 升至50 ℃，保持4 min，然后以30 ℃/min 升至200 ℃，保持5 min；二維柱補(bǔ)償溫度：+5 ℃；調(diào)制器補(bǔ)償溫度：+15 ℃；調(diào)制周期：6 s；熱吹時(shí)間：1.5 s；傳輸線溫度：280 ℃。

1.2.2 質(zhì)譜條件離子源：電子轟擊（EI）源；離子掃描范圍：30~250 amu；采集頻率：100 Hz；檢測器電壓：1 700 V；電離能：70 eV；離子源溫度：230 ℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制為模擬真實(shí)汽油狀態(tài)，將所有標(biāo)準(zhǔn)化合物分為兩組，其中A 組包括14 種常規(guī)醚類和醇類抗爆添加劑（MeOH、EtOH、NPA、IPA、NBA、IBA、TBA、SBA、SAA、TAA、MTBE、ETBE、TAME、DIPE）以及內(nèi)標(biāo)化合物（DME）；B 組包括7 種非常規(guī)抗爆添加劑（DMK、TAEE、DMC、3-甲氧基異丁酸甲酯、IBAC、N-甲基苯胺、N，N-二甲基苯胺）和內(nèi)標(biāo)化合物（DME）。用異辛烷-二甲苯混合溶劑（體積比63∶37）模擬汽油基體，重量法配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%、1%、2%、5%、12%、20%的A組和B組系列標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。

分別移取A 組和B 組系列標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液各5 mL 于100 mL 容量瓶中，以異辛烷為溶劑定容至刻度，得到系列混合（A 組和B 組）標(biāo)準(zhǔn)使用液S1 ~ S7，其質(zhì)量濃度水平約為50、250、500、1 000、2 500、6 000、10 000 mg/L?；旌蠘?biāo)準(zhǔn)使用液配制情況詳見表1。

表1 抗爆添加劑混合標(biāo)準(zhǔn)使用溶液S1~S7的質(zhì)量濃度Table 1 Concentrations of antiknock additive standard solutions S1-S7

1.3.2 樣品前處理考慮到汽油樣品的揮發(fā)性，通過重量差減的方式，準(zhǔn)確稱取約5 g 樣品和0.25 g內(nèi)標(biāo)化合物（DME）至100 mL容量瓶中，用異辛烷定容至刻度，混勻后上機(jī)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 一維色譜柱升溫程序優(yōu)化

目標(biāo)抗爆添加劑種類涵蓋醚類、醇類、酯類、胺類、酮類等多種化合物，其極性差異較大，丙酮和MTBE 的沸點(diǎn)最低，約為56 ℃，N-甲基苯胺和N，N-二甲基苯胺的沸點(diǎn)最高，約為195 ℃左右，大部分目標(biāo)化合物沸點(diǎn)集中在60~120 ℃范圍內(nèi)，在升溫程序前半段出峰較集中。對一維色譜柱升溫程序進(jìn)行優(yōu)化，考察了初始溫度為35、40、50、60 ℃和初始溫度保持時(shí)間分別為2、4、6 min 時(shí)的色譜峰分離情況。結(jié)果顯示，隨著一維柱初始溫度的增加和初始溫度保持時(shí)間的縮短，低沸點(diǎn)化合物的分離逐漸變差，22 種目標(biāo)化合物中有18 種在一維柱溫度達(dá)到50 ℃前流出，當(dāng)初始溫度為35 ℃且保持時(shí)間為6 min時(shí)低沸點(diǎn)化合物的分離效果最好，當(dāng)初始溫度在50 ℃以上或初始溫度保持時(shí)間為4 min以下時(shí)，無論另一條件如何改變，在一維柱上都會(huì)出現(xiàn)較明顯的共流出現(xiàn)象。最終選擇初始溫度35 ℃保持6 min，以5 ℃/min 升至50 ℃，保持4 min，然后以30 ℃/min 升至200 ℃，保持5 min 作為一維柱升溫程序。

使用優(yōu)化后的色譜條件（見“1.2”）分析標(biāo)準(zhǔn)樣品，22 種目標(biāo)化合物的總離子流色譜圖如圖1所示。

圖1 22種目標(biāo)化合物的總離子流（TIC）色譜圖Fig.1 TIC chromatogram of 22 analytes

2.2 全二維分析模式與一維分析模式的比較

使用GC×GC-TOF MS的一維分析模式和全二維分析模式在“1.2”條件下分析同一標(biāo)準(zhǔn)溶液，結(jié)果顯示，一維模式下，DMK（保留時(shí)間285.35 s）和IPA（保留時(shí)間287.94 s）、DIPE（保留時(shí)間379.81 s）和SBA（保留時(shí)間382.77 s）、DMC（保留時(shí)間405.74 s）和ETBE（保留時(shí)間408.77 s）會(huì)出現(xiàn)共流出現(xiàn)象，其他目標(biāo)化合物峰也與汽油基質(zhì)組分峰存在不同程度的共流出情況；但全二維分析模式下，大部分目標(biāo)化合物有較好的分離效果，可與汽油組分基質(zhì)分離。對于少量分離效果較差的化合物，如DMK 和IPA，可以通過特征離子的選擇實(shí)現(xiàn)有效識別和定量，如DMK 使用58 amu、IPA 使用45 amu 作為特征離子時(shí)不存在相互干擾。

使用GC×GC-TOF MS 全二維模式分析，對于僅依靠色譜難以分離、主要特征離子又存在相互干擾的化合物，可以選擇相對豐度更低但特異性更強(qiáng)的特征離子進(jìn)行定量。如DIPE和SBA雖然能得到分離但保留時(shí)間較為接近，可能發(fā)生相互干擾，對于SBA，其相對豐度在10%以上的離子均會(huì)受到DIPE離子碎片的干擾，這種情況下使用傳統(tǒng)一維GC-MS 很難選擇合適的特征離子進(jìn)行定量分析。但得益于GC×GC-TOF MS 的高靈敏度，化合物的每個(gè)離子碎片都有較高的絕對響應(yīng)值，即使其特征離子相對豐度較低，仍然具有足夠的信噪比進(jìn)行定量計(jì)算，故可以選擇相對豐度較低但不會(huì)受DIPE 干擾的55 amu離子作為SBA的特征離子進(jìn)行定量。最終選擇的21種抗爆添加劑和內(nèi)標(biāo)化合物的定量離子如表2所示。

表2 21種抗爆添加劑和內(nèi)標(biāo)化合物（IS，DME）的保留時(shí)間、定量離子Table 2 Retention times and quantitative ions of 21 antiknock additives and internal standard（IS，DME）

2.3 定量方式選擇

考察了對標(biāo)準(zhǔn)溶液使用內(nèi)標(biāo)法峰面積定量、外標(biāo)法峰面積定量、內(nèi)標(biāo)法峰高定量、外標(biāo)法峰高定量4 種方式進(jìn)行定量的差異。使用內(nèi)標(biāo)法定量的優(yōu)點(diǎn)是可以忽略進(jìn)樣量和儀器漂移的微小變化，而使用外標(biāo)法定量的前處理步驟較簡單，不需要再單獨(dú)添加內(nèi)標(biāo)化合物；使用峰面積定量不易受峰型變化的影響，使用峰高定量則可在全二維模式下忽略化合物被調(diào)制至多個(gè)周期時(shí)的調(diào)制峰合并情況，不需要再進(jìn)行繁瑣的確認(rèn)。

分別使用上述4種定量方式，以普通最小二乘法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)（r2）并將其按大小排序。結(jié)果顯示，4種定量方式標(biāo)準(zhǔn)曲線r2的順序?yàn)椋簝?nèi)標(biāo)法峰面積＞外標(biāo)法峰面積＞內(nèi)標(biāo)法峰高＞外標(biāo)法峰高。對于21 種抗爆添加劑，內(nèi)標(biāo)法峰面積定量的r2均大于0.996，外標(biāo)法峰面積定量的r2均大于0.992，內(nèi)標(biāo)法峰高定量的r2均大于0.96，外標(biāo)法峰高定量的r2均大于0.95。綜上，內(nèi)標(biāo)法的r2總體優(yōu)于外標(biāo)法，峰面積定量的r2總體優(yōu)于峰高定量。這說明儀器漂移和峰形變化對定量結(jié)果的影響真實(shí)存在，雖然采用外標(biāo)法和峰高定量會(huì)減少工作量，但使用內(nèi)標(biāo)法和峰面積定量可以有效改善標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合方式選擇

在線性回歸模型中，使用普通最小二乘法擬合計(jì)算時(shí)需符合高斯-馬爾柯夫假定［26］，即測量誤差滿足零均值、同方差且互不相關(guān)的條件。而在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，誤差項(xiàng)的方差往往隨著自變量濃度的增加而增加［27］，即存在異方差性，這時(shí)使用普通最小二乘法擬合會(huì)導(dǎo)致低濃度樣品計(jì)算結(jié)果的相對偏差較大，模型的預(yù)測結(jié)果不符合實(shí)際情況，而采用加權(quán)最小二乘法可以有效改善這種情況［28］。

馬爾柯夫估計(jì)是加權(quán)最小二乘法的無偏有效估計(jì)，在一元線性回歸模型中，其權(quán)重值與測量值誤差的方差成反比，測量值誤差的方差可以通過多次重復(fù)測量或者迭代計(jì)算得到。但在分析化學(xué)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，評估測量值誤差的方差時(shí)過程較為繁瑣，一般取濃度值x或測量值y的倒數(shù)1/xi或1/yi、其平方的倒數(shù)作為權(quán)重值［27］。本文考察了使用普通最小二乘法和以1/xi、1/xi2為權(quán)重的加權(quán)最小二乘法對標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合時(shí)對計(jì)算結(jié)果的影響。以TBA 為例，分別使用這兩種方法擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線一元線性方程，對每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)濃度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同權(quán)重下標(biāo)準(zhǔn)曲線對TBA計(jì)算結(jié)果的相對偏差Table 3 Relative deviations of TBA concentration calculated by standard curves with different weights

研究發(fā)現(xiàn)，使用普通最小二乘法（即權(quán)重全部為1）和以1/xi、1/xi2為權(quán)重的加權(quán)最小二乘法得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性系數(shù)（r2）分別為0.999 90、0.999 70、0.999 22；使用3種標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算TBA 質(zhì)量濃度時(shí)，低濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液S4、S5的計(jì)算結(jié)果與通過重量法配制得到的濃度理論值的相對偏差依次減小，同時(shí)高濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液中對應(yīng)相對偏差值有不同程度增加，但仍小于10%。可以看出，使用加權(quán)最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線可以有效改善低濃度溶液計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液中21種抗爆添加劑的共147個(gè)濃度值分別使用普通最小二乘法和以1/xi、1/xi2為權(quán)重的加權(quán)最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算其濃度值和相對偏差，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，使用加權(quán)最小二乘法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的結(jié)果顯著優(yōu)于普通最小二乘法，且以1/xi2為權(quán)重的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于以1/xi為權(quán)重的計(jì)算結(jié)果。

表4 不同權(quán)重下標(biāo)準(zhǔn)溶液計(jì)算結(jié)果的相對偏差分布Table 4 Relative deviation distribution of standard solutionscalculated by standard curves with different weights

2.5 線性范圍、檢出限、定量下限

按照優(yōu)化后的儀器條件使用GC×GC-TOF MS全二維分析模式分析抗爆添加劑標(biāo)準(zhǔn)使用液S1~S7，以DME為內(nèi)標(biāo)，抗爆添加劑峰面積和內(nèi)標(biāo)化合物峰面積的比（y）為縱坐標(biāo)，抗爆添加劑濃度和內(nèi)標(biāo)化合物濃度的比（x）為橫坐標(biāo)，以1/xi2為權(quán)重使用加權(quán)最小二乘法擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，21種抗爆添加劑在約50~10 000 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好，r2均大于0.995。按照“1.3.2”樣品前處理方法計(jì)算，方法對樣品中抗爆添加劑的含量檢測范圍約為0.1% ~ 20.0%。分別以3 倍（S/N≥3）和10 倍（S/N≥10）信噪比計(jì)算方法的檢出限（LOD）和定量下限（LOQ），得到方法的LOD為0.000 4%~0.014 1%，LOQ為0.001 4%~0.046 9%。

2.6 加標(biāo)回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

按照“1.3.1”方法向同一個(gè)不含待測化合物的汽油樣品中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.5%、2.0%、5.0%、10.0%的A 組14 種和B 組7 種抗爆添加劑，采用交叉配制的方法使樣品中化合物添加總量大致相等，最終配制成4 個(gè)水平的樣品加標(biāo)溶液，按照“1.3.2”方法進(jìn)行前處理，使用“1.2”儀器條件進(jìn)行測定，每個(gè)加標(biāo)樣品重復(fù)測定6次，其回收率數(shù)據(jù)見表5。結(jié)果表明，21種抗爆添加劑的加標(biāo)回收率為91.1%~109%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSDs，n=6）為0.80%~4.9%。

表5 21種抗爆添加劑的線性范圍、線性系數(shù)、加標(biāo)回收率、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSDs）、檢出限（LODs）及定量下限（LOQs）Table 5 Linear ranges，correlation coefficients，recoveries，RSDs，LODs and LOQs of 21 antiknock additives

（續(xù)表5）

2.7 實(shí)際樣品檢測

使用本文建立的方法對加油站實(shí)際購買的92#、95#和98#汽油進(jìn)行分析，結(jié)果在3種汽油產(chǎn)品中均檢出MTBE，其含量分別為3.14%、8.64%、12.48%。

3 結(jié) 論

本文建立了汽油中21種抗爆添加劑的全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測方法，與傳統(tǒng)分類別單獨(dú)檢測方法相比，本法不僅檢測的化合物種類和數(shù)量更多，而且方法更加靈敏、可靠，極大提升了抗基體干擾能力。一次進(jìn)樣即可實(shí)現(xiàn)GB 17930-2016《車用汽油》中規(guī)定的多種限用化合物的同時(shí)檢測，可以滿足市場產(chǎn)品質(zhì)量抽查和產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)的檢測需要。此外，利用加權(quán)最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線，比較了不同權(quán)重因子下結(jié)果準(zhǔn)確度的差異，改善了對低濃度結(jié)果的定量準(zhǔn)確性。