反相液液微萃取/高效液相色谱测定变压器油中糠酸的含量

李海燕，张伟杰，何 梦，何泽宇

(中南民族大学 化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074)



反相液液微萃取/高效液相色谱测定变压器油中糠酸的含量

李海燕*，张伟杰，何 梦，何泽宇

(中南民族大学 化学与材料科学学院，湖北 武汉 430074)

以水为萃取剂，建立了变压器油中糠酸含量的反相液液微萃取/高效液相色谱测定方法。通过研究萃取剂的pH值、萃取剂体积、稀释剂用量、萃取时间及离心转速的影响，确定了最优的萃取条件。结果表明：在以中性水为萃取剂，萃取剂体积为150 μL，稀释剂比例V油∶V正己烷为3∶1，涡旋萃取时间为5 min，离心转速为5 500 r/min的条件下，水萃取相直接用于高效液相色谱测定，变压器油中糠酸的浓度在0.05～5.00 mg·L-1范围内呈良好线性，相关系数(r)为0.999 9，方法的检出限为9.6 μg·L-1，相对标准偏差(RSD，n=6)为1.4%，糠酸的富集倍数为13.6倍。实际老化样品测定的加标回收率为99.7%～105.1%，并对样品中的糠酸进行了HPLC-MS定性分析。该方法简捷有效，为变压器油纸绝缘老化特征量的研究提供了数据支持。

反相液液微萃取;高效液相色谱(HPLC);糠酸;变压器油

油浸式变压器是电力系统中的核心设备，如出现故障将给电力企业和国民经济带来巨大损失，变压器的油纸绝缘老化是导致其发生故障的主要原因[1]。我国现行的电力行业标准和美国的IEC标准均将变压器油中的糠醛作为老化特征量来评估变压器纸绝缘的老化状况[2-3]。糠醛为绝缘纸的降解产物，在运行的变压器油中有较好的累积效果，绝缘纸的老化程度越高，油中糠醛含量越大。作为判断变压器绝缘老化的方法之一，糠醛因其测定方法具有可在线取样、无需停运设备的优点而受到青睐。但在大量的应用研究中发现，当绝缘纸老化到一定程度后，变压器油中的糠醛含量表现出不增反降的现象，若此时继续使用糠醛含量作为老化特征量来评价纸绝缘的老化状态，则会发生严重的误判，故近年来新老化特征量的研究受到重视[4-6]。在变压器绝缘的老化过程中，变压器油中酸值随变压器油纸绝缘老化程度的增加而不断增加[7]。根据有机化合物的氧化还原特性，有机物矿化成无机物前均可被氧化降解为有机羧酸。老化过程中，变压器油中糠醛含量出现下降的现象是糠醛自身发生反应所致。从老化现象和分子结构来看，糠醛可被氧化生成糠酸。开展变压器油中糠酸含量测定方法的研究，不仅可从反应机理上探索老化过程中现行老化特征量糠醛含量下降的规律，并且可为糠酸作为新老化特征量用于评估变压器绝缘状态的研究提供数据。

变压器油中糠酸测定的最大问题为糠酸的分离与富集。近年发展起来的液液微萃取(Liquid-liquid microextraction，LLME)技术集分离和富集于一体，具有操作简单、溶剂用量少、萃取效率高等优点[8-9]。相对于LLME技术已广泛应用于水中有机物的分离和富集[10-11]而言，油类基质中微量有机物的反相液液微萃取(Reversed phase liquid-liquid microextraction，RLLME)技术的研究则报道很少。大部分有机溶剂对油类物质均有一定的溶解度，会引起较高的背景干扰，故油中微量有机物的分离与富集可选择的萃取剂极其有限。Hashemi等[12]采用RLLME，以水(pH 11.0)为萃取剂，萃取初榨橄榄油中的羟基酪醇和酪醇，并将此方法应用于5种橄榄油的检测。Godoy-Cabllero 等[13]以乙醇∶水(60∶40)作为萃取剂，采用RLLME提取初榨橄榄油中的酚类化合物。郝鹏鹏等[14]以乙醇作为萃取剂，提取不同植物油中的叔丁基对苯二酚(TBHQ)，并利用液相色谱/离子阱质谱法对其进行检测。而关于变压器油纸绝缘老化过程油中糠酸的测定研究尚未见报道。

本文以水为萃取剂，研究建立了反相液液微萃取联合高效液相色谱测定变压器油中糠酸的分析方法，测定了老化样品中糠酸的含量，并采用液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)对老化油样中的糠酸进行了定性分析。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

Agilent LC-Q-TOF-MS 6520液质联用仪、Agilent1260高效液相色谱(美国Agilent公司)；WH-2微型涡旋混合仪(上海泸西分析仪器厂有限公司)；TGL-16G离心机(上海安亭科学仪器厂)；甲醇(色谱纯，美国Fisher公司)；正己烷、正辛醇(分析纯，国药集团化学试剂)；糠酸(分析纯，上海晶纯生化科技股份有限公司)；克拉玛依25#变压器油(中国电力科学院提供)。

1.2 溶液及模拟油样的配制

1.2.1 标准溶液的配制 称取0.010 0 g糠酸于烧杯中，加水溶解后转入100 mL容量瓶中，稀释至刻度，得到浓度为100 mg·L-1的糠酸储备液。移取一定体积的此溶液用水稀释至实验所需浓度。

1.2.2 模拟油样的配制 称量0.025 0 g糠酸溶解于正辛醇中，定容至25 mL，得到浓度为1 000 mg·L-1的糠酸储备液。在空白变压器油或加入稀释剂的空白变压器油中，加入一定体积的糠酸储备液至实验所需浓度。

1.3 反相液液微萃取实验

取一定量的样品于5 mL离心管中，加入150 μL超纯水，在一定的萃取条件下进行萃取，离心10 min后取水萃取相直接进样测定。

1.4 分析方法与计算

1.4.1 糠酸的HPLC检测条件[15]Agilent XDB-C18色谱柱(2.1 mm×150 mm×5 μm)；柱温40 ℃；流动相：甲醇(A)-0.1%乙酸水溶液(B)；进样量1 μL；流速0.2 mL·min-1；洗脱程序：0～12 min，10%～42%A;检测波长242 nm。

1.4.2 糠酸的LC-MS检测条件 Agilent XDB-C18色谱柱(2.1 mm×150 mm×5 μm)；柱温40 ℃。流动相：甲醇(A)-水(B)；进样量1 μL；流速0.2 mL·min-1；洗脱程序：0～12 min，10%～42%A。电喷雾模式(ESI)，负离子模式；扫描范围：m/z50～800；干燥器温度：300 ℃；干燥器流速：10 L·min-1；雾化器压力：30 psi；毛细管电压：3 500 V；碎裂电压：125 V。

1.4.3 糠醛的测定 按DL/T 984-2005《油浸式变压器绝缘老化判断导则》所述方法进行[2]。

1.4.4 计算方法 富集倍数(EF)的计算公式：EF=Csed/C0，式中，Csed为萃取相中目标分析物的浓度；C0为样品中目标分析物的浓度。

2 结果与讨论

2.1 反相液液微萃取条件的优化

2.1.1 稀释剂用量的影响 因油脂类物质的粘度较大，在RLLME过程中，常加入稀释剂正己烷降低粘度，增加萃取过程的传质速率[16-17]。本实验亦选用正己烷作为变压器油样的稀释剂。分别取3.0 mL“1.2.2”所配制的模拟油样，按照油和正己烷的体积比分别为4∶1，3∶1，2∶1，1∶1加入正己烷，稀释后油样中糠酸的浓度为5.0 mg·L-1。按“1.3”所述方法进行萃取，考察稀释剂用量对萃取效果的影响，结果见图1A。

由图1A可见，随着稀释剂用量的增加，糠酸的峰面积先增加后降低，在V油∶V正己烷=3∶1时峰面积达到最大，此后继续增加稀释剂用量，峰面积呈下降趋势。这可能是因为随着稀释剂的加入，油的粘度逐渐降低，传质速率增加，萃取量不断增大；但当稀释剂的加入量过大时，改变了糠酸在变压器油和水萃取相间的溶解平衡，故峰面积下降。因此实验选择油与正己烷的体积比为3∶1。

2.1.2 萃取剂体积的选择 液液微萃取的重要特征之一是具有较高的富集倍数，考察了萃取剂体积分别为100，150，200，300，400，500 μL时对富集倍数的影响。实验结果显示，萃取剂体积越小，富集倍数越大，但当萃取剂体积小于150 μL时取样困难，故本实验选择萃取剂体积为150 μL。

2.1.3 萃取剂pH值的选择 考虑到碱性溶液中，有机酸类物质以阴离子形式存在时更易溶于水中，故选择氢氧化钠溶液调节水的pH值，分别以pH 7.4(不调pH值)，9.0，10.0，11.0，12.0的水溶液作为萃取剂进行变压器油中糠酸的萃取，结果见图1B。在中性和弱碱性范围内，萃取剂的pH值对油中糠酸的萃取效果影响不大，萃取率均大于90%；继续增加萃取相的pH值至强碱性，萃取效果稍有降低，这可能是因为较强碱性的水溶液对油类物质的萃取能力增加，从而导致糠酸的萃取效果降低。故本实验选择水为萃取剂，无需调节pH值。

2.1.4 萃取时间的选择 萃取是一个动态的传质过程，需要一定时间才能达到平衡。采用涡旋萃取，考察不同涡旋时间对糠酸萃取效果的影响，结果见图1C。随着萃取时间的增加，糠酸的峰面积快速增加，当萃取5 min时达最大，萃取效率最高，此时萃取达到平衡，继续延长萃取时间，糠酸峰面积的变化不大。因此本实验选择涡旋萃取时间为5 min。

2.1.5 离心转速的选择 增加离心转速有利于萃取相和样品相的分离。在上述优化条件下，考察离心转速对萃取效果的影响，结果如图1D所示。结果表明，离心转速从3 500 r/min增至5 500 r/min时，糠酸的峰面积呈增加趋势，此后继续增加离心转速时峰面积无明显变化。因此，本实验选择离心转速为5 500 r/min。

图1 萃取条件的优化

Fig.1 Optimization of extraction condition

A：amount of the dilution,B：pH value of the extractant,C：extraction time,D：centrifugal rotational speed

采用上述优化的萃取条件，即以150 μL水作为萃取剂，涡旋萃取5 min，在5 500 r/min转速下离心10 min后，移取下层萃取液直接进行HPLC测定。此时变压器油中糠酸的萃取率为106.3%～108.0%。

表1 老化油样中糠酸的测定(n=6)

Table 1 Determination of furoic acid in aging oil samples(n=6)

SampleOriginal(mg·L-1)Added(mg·L-1)Detected(mg·L-1)Recovery(%)RSD(%)101501002599704820150200361051046

图2 老化油样的液相色谱图Fig.2 HPLC chromatogram of aging oil sample1.furoic acid,2.furfural

2.2 线性范围和检出限

按“1.2.2”方法配制糠酸浓度为0.01，0.05，0.10，0.50，1.00，2.50，5.00，10.00 mg/L的变压器模拟油样，在上述优化萃取条件下进行RLLME后，采用HPLC测定。结果显示在0.05～5.00 mg·L-1范围内，糠酸的色谱峰面积(Y)与糠酸浓度(X，mg·L-1)的线性关系良好，线性方程为Y=319.67X-0.813 7，相关系数(r)为0.999 9，检出限(LOD，S/N=3.2)为9.6 μg·L-1，富集倍数为13.6，相对标准偏差(RSD，n=6)为1.4%。

2.3 老化样品中糠酸的测定

2.3.1 老化样品中糠酸含量的测定 采用本文建立的RLLME/HPLC分析方法，对老化油样(加速老化14 d的样品)进行测定，并进行两个浓度(0.10,0.20 mg/L)的加标回收实验，其测定值见表1。结果显示，糠酸的加标回收率为99.7%～105.1%，RSD为0.46%～0.48%。图2为该样品的色谱图，根据糠酸水标样的测定及老化油样的加标实验，确定图2中保留时间为4.632 min的峰1为糠酸，保留时间为5.098 min的峰2为糠醛。

2.3.2 老化样品中糠酸的LC-MS定性 考虑到老化样品的基质比较复杂，在采用保留时间法确定糠酸存在的基础上，增加了老化样品中糠酸的LC-MS定性分析。将“1.3”所得水萃取相按照“1.4.2”的LC-MS分析条件进行测定，所得MS图见图3A。质谱图中m/z111的峰为糠酸失去1个H+后形成的M-1准分子离子峰，m/z67的峰推测为准分子离子峰丢掉CO2后得到的[M-1]-44的碎片离子峰。糠酸标准水溶液的MS图中亦有m/z111的准分子离子峰和m/z67的碎片离子峰(见图3B)，说明样品中含有糠酸。

Fig.3 MS spectra of furoic acid in aging oil(A) and aqueous solution(B)

图4 不同老化时间油样中糠醛和糠酸含量的测定Fig.4 Determination of furfural and furoic acid in oil samples with different aging times

2.4 老化过程中糠酸及糠醛的跟踪测定

采用本方法和“1.4.3”方法分别测定同一样品不同老化时间的糠酸和糠醛的含量，结果如图4所示。

由图4可见，随着老化时间的增加，油中糠醛的含量不断增加，老化42 d后出现下降的趋势；而糠酸的含量则持续增加，但在老化42 d后增速加快。造成这种现象的原因是，在老化初期绝缘纸降解生成糠醛的速率远大于糠醛自身氧化降解的速率，从而使得油中糠醛的含量逐渐增大；但随着老化的继续，绝缘纸已处于劣化状态，其降解生成糠醛的速率大大降低，糠醛自身降解的速率超过生成糠醛的速率，故出现油中糠醛的含量下降，而糠酸的含量快速增长。纵观整个老化过程，糠酸与老化时间呈现单调增长特征，故其对油纸绝缘老化的表达优于糠醛，因此，糠酸作为新老化特征量的研究值得期待。

3 结 论

本文建立了变压器油中糠酸的反相液液微萃取联合高效液相色谱的测定方法。以水为萃取剂，反相液液微萃取分离富集变压器油中的糠酸，取水萃取相直接进行糠酸的HPLC测定。该方法不仅操作简单，准确可靠，且环境友好。将所建立的方法成功用于变压器油纸绝缘老化样品中糠酸的定性定量分析，为糠酸作为变压器油纸绝缘体系新老化特征量的研究提供了科学数据。

[1] Liao R J,Liu J F,Yang L J,Ma Z Q,Gao F,Zhang Y Y.Trans.ChinaElectrotech.Soc.(廖瑞金,刘捷丰,杨丽君,马志钦,高飞,张镱议.电工技术学报)，2015，(6):247-254.

[2] DL/T984-2005.Guide for the Diagnosis of Insulation Aging in Oil-Immersed Power Transformer.Electric Power Industry Standards of the People’s Republic of China(油浸式变压器绝缘老化判断导则.中华人民共和国电力行业标准).

[3] IEC 61198-1993 Mineral Insulating Oils—Methods for the Determination of 2-Furfural and Related Compounds.

[4] Jalbert J,Gilbert R,Denos Y，Gervais P.IEEETrans.PowerDelivery,2012,27(2):514-520.

[5] Jalbert J,Duchesne S,Rodriguez-Celis E,Tétreault P,Collin P.J.Chromatogr.A,2012,1256:240-245.

[6] Li H Y,He M,Huang L,Jiang S B,Lin H,Ni X F.HighVolt.Eng.(李海燕,何梦,黄林,姜胜宝,林浩,倪学锋.高电压技术),2015，(6):1959-1964.

[7] Hao J,Liao R J,Yang L J,Liang S W,Tang C.HighVolt.Eng.(郝建，廖瑞金，杨丽君，梁帅伟，唐超.高电压技术),2010,36(9):2160-2166.

[8] Rezaee M,Assadi Y,Hosseini M-R M,Aghaee E,Ahmadi F,Berijani S.J.Chromatogr.A,2006,1116(1):1-9.[9] Cao J P,Xie Q L,Zhou J M,Yi Z H.J.Instrum.Anal.(曹江平,解启龙,周继梅,易宗慧.分析测试学报),2015，34(5):616-624.

[10] Cortada C,dos Reis L C,Vidal L,Llorca J,Canals A.Talanta,2014,120:191-197.

[11] D’Orazio G，Asensio-Ramos M,Hernández-Borges J,Fanali S,Rodríguez-Delgado M.J.Chromatogr.A,2014,1344:109-121.

[12] Hashemi P,Serenjeh N F,Ghiasvand A R.J.Anal.Sci.,2011,27(9):943-947.

[13] Godoy-Caballero M P,Acedo-Valenzuela M I,Galeano-Díaz T.J.Chromatogr.A,2013,1313:291-301.

[14] Hao P P，Ni J R,Sun W L,Huang W.J.Chin.MassSpectrom.Soc.(郝鹏鹏，倪晋仁，孙卫玲，黄文.质谱学报),2005,26(4):222-227.

[15] Gao F C,Cui C R,Wei Y,Wu L M.J.FoodSafetyQuality(高夫超,崔长日,魏月,吴黎明.食品安全质量检测学报),2014，(11):3603-3609.

[16] Hashemi P,Raeisi F,Ghiasvand A R,Rahimi A.Talanta,2010,80(5):1926-1931.

[17] Liu S H,Xie Q L,Chen J,Sun J Z,He H,Zhang X K.J.Chromatogr.A,2013,1295:16-23.

Determination of Furoic Acid in Transformer Oil by Using Reversed Phase Liquid-Liquid Microextraction Coupled with High Performance Liquid Chromatography

LI Hai-yan*,ZHANG Wei-jie,HE Meng,HE Ze-yu

(College of Chemistry and Material Science,South-Central University for Nationalities,Wuhan 430074,China)

With water as an extractant,a method was established for the determination of furoic acid in transformer oil by reversed phase liquid-liquid microextraction(RLLME) coupled with high performance liquid chromatography(HPLC).The effects of some important parameters,such as pH value and amount of extractant,amount of the diluent(n-hexane),extraction time and centrifugal rotational speed were investigated.The optimum experimental conditions were as follows:extraction solvent:neutral ultrapure water;amount of extractant:150 μL;ratio of dilution:Voil∶Vn-hexane=3∶1;extraction time:5 min;centrifugal rotational speed:5 500 r/min.The quantitative analysis of furoic acid in the transformer oil sample was performed by HPLC.The calibration curve was linear in the range of 0.05-5.00 mg·L-1with a correlation coefficient(r)of 0.999 9 and a detection limit of 9.6 μg·L-1.The relative standard deviation(RSD,n=6) was 1.4%and the enrichment factor of furoic acid was 13.6.The recoveries of furoic acid in aging transformer oil sample ranged from 99.7%to 105.1%.The qualitative analysis of furoic acid in aging transformer oil was further carried out by using HPLC-MS.This study has established a simple and effective method for the detection of furoic acid in transformer oil and provided useful data for the research on the aging characteristic parameters of transformer oil-paper insulation.

reversed phase liquid-liquid microextraction;high performance liquid chromatography(HPLC);furoic acid;transformer oil

2015-08-20；

2015-09-21

湖北省自然科学基金项目(2013CFB456)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.03.009

O657.72；O611.63

A

1004-4957(2016)03-0311-06

*通讯作者：李海燕，硕士，教授，研究方向：有机污染物降解技术及其降解产物的分析，Tel:027-67842752，E-mail：echohyli@163.com