六硝基茋的高效液相色谱法分析

赵允颖, 陈 军, 陈 芳, 曹端林, 王建龙

(1. 中北大学化工与环境学院, 山西 太原 030051; 2. 湖北东方化工有限公司, 湖北 襄阳 441404)

1 引 言

六硝基茋(Hexanitrostilbene,HNS)是一种热安定性良好的耐热炸药和感度性能优良的钝感炸药,在宇航飞行器、空间技术、石油深井射孔作业及作为TNT熔铸炸药的添加剂等方面均有广泛的应用[1-3]。对HNS的研究始于1964年[4],半个世纪以来,广大科研工作者对其合成工艺、晶体结构及形貌控制、热行为以及生产废水的处理方面都进行了大量的研究[5-9],但对于HNS质量分析方法的研究甚少,分析其原因是HNS吸收光谱的非特性和在大多数溶剂中的相对不溶解性,所以光谱法及一般的分析方法无法解决HNS的纯度测定问题。对HNS合成工艺分析可知,HNS产品中除主要成分HNS外,可能存在少量的杂质HNBB。因此,本研究旨在分析HNS产品中以上两者的含量。

曾有文献采用高效液相色谱法(HPLC)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)和液相色谱-电喷雾离子肼质谱联用(LC-ESI-MS)方法分析HNS[10-13],但是文献陈旧、分离度低、流动相系统复杂。本研究提供了一种可靠的分析方法——反相高效液相色谱法(RP-HPLC)对HNS进行定量分析,同时可以测定HNS粗品中可能存在的主要杂质HNBB的含量,为HNS产品的质量控制提供依据。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

P230型高效液相色谱仪系统(大连伊利特分析仪器有限公司),包括P230高压恒流泵、LU230低压梯度混合器,UV230紫外-可见检测器,配有Hypersil ODS2色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),采用EC2000色谱数据处理系统工作站。超纯水仪(重庆阿修罗科技发展有限公司),超声仪(郑州生元仪器有限公司),分析天平(梅特勒—托利多仪器有限公司)。

乙腈(色谱纯,美国TEDIA试剂公司),超纯水(自制),所有试剂均经0.22 μm微孔滤膜过滤并超声后使用。HNS、HNBB标准品(自制),经熔点测定法、高效液相色谱法和红外光谱法检测均满足色谱分析的要求。

2.2 标准溶液的配制

HNS标准溶液的配制: 精确称取HNS标准品0.0050 g,加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中,得到100 mg·L-1的HNS储备液,震荡、超声使之溶解,于4 ℃下避光保存备用。实验时,将储备液用乙腈逐级稀释,配制成5，10，20，50，100 mg·L-1的系列标准溶液。

HNBB标准溶液的配制: 精确称取HNS标准品0.0025 g,加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中,得到50 mg·L-1的HNBB储备液,震荡、超声使之溶解,于4 ℃下避光保存备用。实验时,将储备液用乙腈逐级稀释,配制成2，5，10，20，50 mg·L-1的系列标准溶液。

2.3 色谱条件

色谱柱: Hypersil ODS2色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm); 流动相: 采用二元流动相体系,A相为乙腈,B相为水,两者体积比为56∶44; 流动相流速0.7 mL·min-1; 检测波长226 nm; 柱温25 ℃; 进样量10 μL。

3 结果与讨论

3.1 色谱条件的建立

(1)检测波长的确定

以乙腈作溶剂,配制质量浓度约为5 mg·L-1的HNS和HNBB的乙腈溶液。由于乙腈的截止波长为190 nm,为防止溶剂对分析结果造成干扰,扫描波长范围设置为200～500 nm。用紫外-可见分光光度计下分别对HNS和HNBB溶液进行扫描,以确定两者的最大吸收波长,其紫外扫描图如图1所示。由图1可以读出,HNS和HNBB的最大吸收波长分别为226,227 nm。可见在226 nm波长处,两者均有较强的紫外吸收响应,基质干扰较少,满足残留检测的要求。因此,选择226 nm为检测波长。

图1 HNS和HNBB的紫外光谱

Fig.1 UV spectra of hexanitrostilbene (HNS) and hexanitrobibenzyl (HNBB)

(2)流动相的选择

对于反相高效液相色谱法,常用的有机溶剂为甲醇和乙腈。由于样品溶剂为乙腈,选用乙腈作为流动相的有机相可以有效避免溶剂对分析造成干扰[14]。实验分别对不同比例的流动相进行考察,使乙腈体积分数分别为30%，40%，50%，60%和70%(以下均使用体积分数)。不同流动相比例下HNS样品的高效液相色谱图如表2所示。由图2可见,当乙腈<50%时( 图2a),在60 min测定时间内不出峰,无法洗脱; 当乙腈≥60%时(图2b,2c),HNS和HNBB的两峰相连,无法分离。随后对流动相比例进行微调,使乙腈分别为52%，54%，56%和58%，结果表明,随乙腈体积分数增大,流动相体系极性减小,洗脱能力增强,因此各组分保留时间缩短。其中以乙腈为56%时(图2d),峰形及峰展良好,可实现基线分离,多次试验分离度均大于3,且分析时间在20 min以内,满足分析要求。由于HNS极性强于HNBB,根据“相似相溶”原理,HNS更易存在于溶剂中, HNBB则更易吸附在固定相上。因此,HNS、 HNBB依次出峰,均可排除基质对目标峰的干扰作用。

a. acetonitrile∶water=40∶60

b. acetonitrile∶water=60∶40

c. acetonitrile∶water=70∶30

d. acetonitrile∶water=56∶44

图2 不同流动相比例下HNS样品的高效液相色谱图

Fig.2 High performance liquid chromatography (HPLC) chromatogram of HNS under different proportions of mobile phase

(3)流动相流速的确定

实验考察了流动相流速分别为1.0，0.8，0.6, 0.4 mL·min-1时的分离效果,1.0, 0.4 mL·min-1流速下的色谱图如图3所示(其他流速下的色谱图与此类似)。结果表明,随着流动相流速的减小,分离度及灵敏度提高,但各组分保留时间延长,色谱峰变宽,峰形变差。而对于以上各流速,均可以达到基线分离,满足分析要求。由结果可知,0.6 mL·min-1为较适宜流动相流速。随后进一步考察流动相流速为0.5, 0.7 mL·min-1时的分离效果。综合考虑分离度、峰形、峰展和保留时间等因素,选择0.7 mL·min-1为最佳流动相流速。

a. 0.4 mL·min-1

b. 1.0 mL·min-1

图3 不同流动相流速下HNS样品的高效液相色谱图

Fig.3 HPLC chromatogram of HNS under different flow rates of mobile phase

(4)柱温及进样量的确定

有研究表明,柱温对色谱分析的分离度和柱效有一定的影响,并且精确控制柱温有利于保留时间的再现[15]。实验考察了柱温分别为20，25，30，40，50 ℃时的分离效果,25 ℃柱温下的色谱图如图4所示(其他柱温下的色谱图与此类似)。结果表明,随着柱温的升高,各种组分保留时间缩短,但分离度降低,并且柱温过高会降低色谱柱的使用寿命。综合以上因素,同时为了方便操作,选择25 ℃为最佳柱温。

图4 25 ℃柱温下HNS样品的高效液相色谱图

Fig.4 HPLC chromatogram of HNS at 25 ℃ column temperatures

实验还对不同进样量对分离效果的影响进行了考察,使进样量分别为20，15，10，5 μL。结果表明,当进样量为10 μL,既可以满足分离要求,又可以达到较高的灵敏度。

在检测波长226 nm、流动相乙腈∶水=56∶44、流动相流速0.7 mL·min-1、柱温25 ℃和进样量10 μL的色谱条件下,对标准混合溶液进行检测,结果如图5所示。从图5中可以看出,HNS和HNBB能够良好地检出和分离。

图5 标准混合溶液的高效液相色谱图

Fig.5 HPLC chromatogram of the mixture of HNS and HNBB standards

3.2 方法学考察

(1)线性范围、检出限和定量限

在2.3节的色谱条件下,将配制好的每个浓度水平的HNS和HNBB标准品溶液平行进样3次,为避免干扰,从低浓度到高浓度依次进样。以3次进样得到的峰面积(mV)的平均值为纵坐标,各标准品的质量浓度(mg·L-1)为横坐标进行线性回归,建立标准曲线。将5 mg·L-1的HNS标准溶液和2 mg·L-1的HNBB标准溶液逐步稀释,分别进行分析,直至响应值为仪器基线噪声的三倍,即信噪比S/N=3确定为检出限,以十倍信噪比(S/N=10)确定定量限。HNS和HNBB的线性回归方程、相关系数、线性范围以及检出限、定量限见表1。表1结果表明,在选定的浓度范围内,所有目标物的质量浓度与峰面积的线性关系良好,线性相关系数均大于0.999,说明该方法具有良好的线性相关性; 检出限与定量限较低,说明该方法灵敏度较高,满足分析要求。

表1 HNS和HNBB的线性回归方程、相关系数、线性范围、检出限和定量限

Table 1 Regression equation,linear range,correlation coefficient(r),detection limit(LOD) and quantification limit(LOQ) for HNS and HNBB

compoundregressionequationrlinearrange／mg·Ｌ－1ＬＯＤ／mg·Ｌ－1ＬＯＱ／mg·Ｌ－1ＨＮＳy＝87．01085x－408．019610．999745～1000．602．00ＨＮＢＢy＝79．72865x＋8．623540．999662～500．311．02

(2)准确度和精密度

在2.3节的色谱条件下进行加标回收试验,添加水平分别为样品中含量的80%、100%和120%,每个添加水平进样3次,用外标法计算平均回收率及精密度。HNS、HNBB的加标回收率和相对标准偏差(RSD)数据如表2所示。由表2可见,HNS、HNBB的回收率为99.60%～100.39%,因此,该方法的回收率较好; RSD均不高于2.07%,因此,该方法的精密度良好。

表2 HNS、HNBB的加标回收率和相对标准偏差

Table 2 Spiked recovery and relative standard deviation(RSD) for HNS and HNBB

compoundconcentration／mg·Ｌ－1backgroundaddeddetectedspikedrecovery／％ＲＳＤ／％ＨＮＳ403271．9799．911．724079．7999．741．914888．34100．392．07ＨＮＢＢ403272．10100．141．854079．8499．601．634887．8299．801．90

Note: RSD is relative standard deviation.

(3)稳定性和重现性

取一份样品溶液,一天内每间隔3 h进样一次,重复3次,测定日内精密度; 连续3天,每天进样一次,测定日间精密度。结果表明,日内及日间精密度范围为0.54%～1.02%,该方法的稳定性和重现性良好。

4 结 论

探索了流动相、流速、检测波长和柱温对HNS的分析效果的影响,建立了一种HNS的反相高效液相色谱分析方法,优化后的色谱条件为: 以乙腈和水为流动相,比例为56∶44,流速为0.7 mL·min-1,采用紫外-可见检测器,检测波长226 nm,柱温25 ℃,进样量10 μL。实验结果表明,该法分离度可达3以上,HNS和HNBB能够良好地分离和分析。

通过对方法线性关系、检出限、定量限、回收率和精密度的考察,表明该方法简单、有效,可在20 min内完成HNS的快速分析,同时具有良好的稳定性和重现性,为HNS产品提供了简便实用的定性及定量分析手段。

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