超高效液相色谱法测定精对苯二甲酸中的微量杂质

张育红，郭一丹，王 川

(中国石化集团上海石油化工研究院，上海201208)

精对苯二甲酸(PTA)是一种大宗有机化工原料，主要用于生产聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)及后续产品如纤维、瓶片、薄膜以及工程塑料等［1］。对羧基苯甲醛(4-CBA)和对甲基苯甲酸(p-TOL)是PTA产品中的两种主要杂质，影响PET特性黏数及相对分子质量等，SH/T 1612.1—2005规定［2］:4-CBA 含量应小于等于 25 mg/kg，p-TOL含量应小于等于150 mg/kg。快速、准确测定PTA产品中4-CBA和 p-TOL的含量，对于PTA产品的质量控制十分重要。

高效液相色谱法和毛细管电泳法为PTA产品中4-CBA 和 p-TOL 的常用分析方法［3－5］。超高效液相色谱(UPLC)是近10年来发展起来的一项液相色谱技术，由于采用了小颗粒填料(填料粒径小于2 μm)、超高压系统、低系统体积及快速检测等技术，使分析速度、分离效率和检测灵敏度显著提高，从而实现了液相色谱性能的全面提升。目前，该技术在食品、环保、制药等领域得到广泛应用［6］。作者基于UPLC技术，建立了PTA中两种微量有机杂质4-CBA和p-TOL的快速定量方法，并较好地应用于PTA产品分析。

1 实验

1.1 试样与试剂

4-CBA，p-TOL:均为分析纯，日本东京化成工业发展有限公司提供;PTA标准试样:4-CBA含量为10.0 mg/kg，p-TOL 含量为127.1 mg/kg，日本三菱化学公司提供;氨水、磷酸:均为分析纯，中国国药公司提供;乙腈:HPLC级，美国Fisher Scientific公司提供;PTA、中纯度对苯二甲酸生产实际试样:中国石化仪征化纤股份有限公司及日本三菱化学公司提供。

1.2 仪器

Waters Acquity UPLC H-Class超高效液相色谱仪:配自动进样器、四元泵、二极管阵列紫外检测器及工作站，色谱柱 Acquity UPLC BEH C18(150 mm × 3.0 mm，1.7 μm，150 mm ×2.1 mm，1.7 μm，100 mm ×2.1 mm，1.7 μm)、色谱柱 BEH HSS C18(100 mm × 2.1 mm，1.8 μm)、色谱柱HSST3(100 mm ×2.1 mm，1.8 μm)、色谱柱 BEH AMIDE(100 mm × 2.1 mm，1.7 μm)、色谱柱BEH HILIC(100 mm × 2.1 mm，1.7 μm)，美国Waters公司制。Milli-Q型超纯水系统:美国密理博公司制。

1.3 标准溶液的配制

4-CBA和p-TOL标准溶液的配制:准确称取0.025 g 4-CBA 和 0.200 g p-TOL于 25mL烧杯中，加入适量水，滴入数滴稀氨水(体积分数12.5%)，搅拌使其完全溶解，再用磷酸溶液(体积分数17%)调节pH值至6～7，移至50 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，溶液中4-CBA和p-TOL浓度为500 μg/mL 和4 000 μg/mL。再用水稀释50倍，得到 10 μg/mL 的 4-CBA 和 80 μg/mL 的p-TOL的混合标准溶液，临用前过滤。

PTA标准溶液的配制:在25 mL烧杯中，准确称取0.500 g PTA标准试样，加入3 mL体积分数为12.5%的稀氨水，再加入水至约10 mL，使其完全溶解，移至250 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，配制的PTA标准溶液的质量分数为0.2%，临用前过滤。

PTA加标溶液的配制:准确称取5份0.500 g PTA试样，置于25 mL烧杯中，加入3 mL体积分数为12.5%的稀氨水溶液，再加入水至约10 mL，使其完全溶解，移至250 mL的容量瓶中。然后准确移取一定体积的4-CBA和p-TOL标准溶液至容量瓶中，用水稀释至刻度，得到系列PTA加标溶液 1#，2#，3#，4#，5#，其中 4-CBA 加标浓度依次为0，10.0，20.0，30.0，40.0 mg/kg，p-TOL 加标浓度分别为 0，80.0，160.0，240.0，320.0 mg/kg，临用前过滤。PTA实际试样溶液的配制方法同PTA标准溶液。

1.4 色谱分析方法

采用梯度洗脱程序进行反相液相色谱分析(见表1)。流动相:A为乙腈，B为水，C为水和磷酸的混合溶液(磷酸质量分数为0.05%)。流速 0.7 mL/min，柱温 40℃，进样量 3.0 μL;4-CBA和p-TOL的紫外检测波长分别为254 nm和240 nm。

表1 UPLC流动相梯度洗脱程序Tab.1 UPLC gradient elution program

1.5 PTA试样的分析

按1.4节色谱分析方法对PTA标准溶液进行分析，记录4-CBA和p-TOL的峰面积。在相同条件下分析PTA实际试样，以外标法计算PTA试样中4-CBA和p-TOL的含量。

2 结果和讨论

2.1 色谱条件的优化

2.1.1 色谱柱

通常采用离子交换色谱法或反相色谱法分析PTA。考虑到离子交换柱使用寿命偏短，缓冲盐体系容易引起色谱系统的堵塞和高压泵的磨损，本实验仅对反相色谱法进行研究。在反相色谱柱上，由于4-CBA杂质峰在PTA拖尾峰上流出，如何实现4-CBA杂质峰与PTA主峰的有效分离是本研究的一个难点。首先通过对PTA标样的分析，考察了 PTA及其杂质组分在以下规格的UPLC色谱柱上的分离情况，色谱柱为:BEH C18，BEH HSS C18，HSS T3，BEH AMIDE，BEH HILIC。其中前2种色谱柱为三官能团C18键合柱，性能接近，而后两种色谱柱含极性官能团，更适合于极性组分的分离。实验结果表明，PTA试样中4-CBA和p-TOL在BEH C18柱上的整体分离效果明显好于其他类型的色谱柱，尤其是4-CBA组分与PTA主峰的分离较好。

与内径为2.1 mm的BEH C18色谱柱相比，内径为3 mm的BEH C18色谱柱柱容量大，允许更大的进样量(3.0 μL)，更有利于微量组分4-CBA的灵敏检测，因此后续实验工作均在 BEH C18柱(150 mm ×3.0 mm，1.7 μm)上进行，PTA 试样的典型液相色谱见图1。

图1 PTA试样的液相色谱Fig.1 Liquid phase chromatogram of PTA sample

图1中色谱峰1，2为PTA峰，是由于PTA为二元酸，在水溶液中容易电离，形成酸根离子。采用C18色谱柱分离PTA时，在流动相中存在对苯二甲酸的电离平衡。由于对苯二甲酸酸根离子和对苯二甲酸分子与C18固定相之间相互作用的差异，因此在色谱图上出现两个色谱峰，推测其中保留时间(Rt)为1.0 min的峰为对苯二甲酸酸根离子，Rt为2.6 min的色谱峰为对苯二甲酸分子。

2.1.2 流动相

反相液相色谱通常以水和乙腈(或甲醇)为流动相。考虑到乙腈的黏度比甲醇低，不易引起色谱柱压过高，因而选择水和乙腈为流动相。

PTA，4-CBA，p-TOL均为容易离子化的有机物，在C18色谱柱上的保留行为与溶液pH值密切相关。在流动相中加入适当比例的酸，有助于强化这类化合物在C18色谱柱上的保留，进而提高分离度和检测灵敏度。结果表明，在由水和乙腈组成的流动相中加入三氟乙酸或磷酸溶液后，4-CBA与PTA的分离度明显提高。考虑到磷酸挥发性小，无紫外吸收，最终选择在流动相中加入质量分数为0.05%的磷酸。

为提高分析效率和杂质在BEH C18柱上的分离效果，探索了梯度洗脱模式，经优化的色谱洗脱条件见表1，色谱图见图1，可见4-CBA和p-TOL杂质组分与PTA试样基体实现了较好分离，分析时间在7 min以内，为传统液相色谱方法分析时间的1/3左右。

2.1.3 检测波长的选择

按1.4节色谱条件分析PTA标准溶液，发现4-CBA，p-TOL杂质峰对应的紫外光谱图的紫外最大吸收波长分别在253.6 nm和238.2 nm处，因此确定以254 nm和240 nm分别作为4-CBA和p-TOL的检测波长。

2.2 方法线性和加标回收率及精密度试验

对PTA加标溶液1#～5#按1.4节方法进行5次重复测定，计算峰面积平均值。以4-CBA(或p-TOL)加标浓度为横坐标，峰面积为纵坐标，绘制标准曲线。得到4-CBA及p-TOL的线性回归方程及相关系数(r)分别见式(1)和式(2):

结果表明，4-CBA 质量浓度为 1.5～41.5 mg/kg，p-TOL 质量浓度为 62.0 ～382.0 mg/kg时，各自的浓度与峰面积均呈现良好线性关系。从表2可以看出，4-CBA和 p-TOL的加标回收率在95.6% ～99.5%，相对标准偏差(RSD)为0.1% ～1.9%，表明方法的准确性和重复性良好。

表2 4-CBA和p-TOL的加标回收率和精密度测定结果Tab.2 Precisions and recoveries of standard addition of 4-CBA and p-TOL

2.3 PTA试样的分析结果

按1.4节色谱条件分析PTA生产实际试样的杂质含量，平行测定3次，取其平均值，见表3。

表3 PTA试样的杂质含量Tab.3 Impurity content of PTA sample

本方法也可应用于中纯度对苯二甲酸中的4-CBA和p-TOL含量的测定。采用此方法分析中纯度对苯二甲酸试样时，标样中4-CBA和p-TOL的含量应与实际试样中的接近。

3 结论

a.采用UPLC法建立了PTA中微量杂质4-CBA和p-TOL的定量方法。4-CBA和p-TOL的峰面积与浓度的线性关系良好，r2分别为0.996和0.998，加标回收率为 95.6% ～ 99.5%，RSD为0.1% ～1.9%，分析时间为传统液相色谱方法的1/3左右。

b.与现有高效液相色谱方法相比，UPLC分析PTA具有高效、重复性好、溶剂消耗少等优点。该方法可用于PTA产品及中纯度对苯二甲酸的快速检测。

［1］ 李永亮，孙小涛.中国PTA产业的发展现状及趋势［J］.中国石油和化工经济分析，2013(8):46－49.

［2］ 全国化学标准化技术委员会石油化学分技术委员会.SH/T 1612.1—2005工业用精二甲酸 (PTA)［S］.北京:中国标准出版社，2005.

［3］ 全国化学标准化技术委员会石油化学分技术委员会.GB/T 30921.1—2014［S］，工业用精二甲酸 (PTA)试验方法第1部分:对羧基苯甲醛(4-CBA)和对甲基苯甲酸(p-TOL)含量的测定［S］.北京:中国标准出版社，2014.

［4］ 孙雅茹.反相液相色谱法测定PTA中的4-CBA和PT酸含量［J］.石油化工.2003，32(9):805 －807.

［5］ 张爱平，侯晋，王豪，等.高效液相色谱法测定精对苯二甲酸中主要有机杂质［J］.分析科学学报，2008，24(5):603 －605.

［6］ 甘宾宾，蔡卓，蒋世琼，等.超高效液相色谱在现代分析检验中的应用进展［J］.中国卫生检验杂志，2008，18(5):955－957.