燃料中氮化合物的多维气相色谱表征

摘要

本文介绍了一种利用二维气相色谱结合氮化学发光检测（GCxGC-NCD）的方法，用于全面表征柴油和航空燃料中不同类别的含氮化合物。

摘要

某些含氮化合物可能导致燃料在储存期间发生不稳定。因此，检测和表征这些化合物至关重要。在如燃料这类复杂基质中测定痕量化合物时，存在诸多挑战。背景干扰和基质效应可能限制常规分析仪器（如气相色谱-质谱联用仪，GC-MS）的应用。为了实现对燃料中痕量氮化合物的特异性与定量分析，理想的方案是使用氮元素专属性检测器。本方法采用氮化学发光检测器（NCD）来检测燃料中的含氮化合物。NCD利用一种针对氮元素的特异性反应，不受烃类背景的干扰。二维气相色谱（GCxGC）是一种强大的表征技术，其分离能力显著优于一维气相色谱方法。当GCxGC与NCD联用时，可在无背景干扰的情况下对燃料中存在的问题性含氮化合物进行广泛而深入的表征。本文所述方法详细介绍了在样品前处理极少的情况下测定燃料中不同类别含氮化合物的过程。总体而言，该GCxGC-NCD方法已被证明是增进理解燃料中含氮化合物化学组成及其对燃料稳定性影响的有力工具。该方法日内分析的相对标准偏差（% RSD）<5%，日间分析的% RSD <10%；方法的检出限（LOD）为1.7 ppm，定量限（LOQ）为5.5 ppm。

引言

在使用前，炼油厂需对燃料进行广泛的质量保证和规格检测，以确保所生产的燃料在投入使用后不会发生故障或导致设备问题。这些规格测试包括闪点验证、凝固点测定、储存稳定性测试等。储存稳定性测试尤为重要，因为它可判断燃料在储存期间是否容易发生降解，从而形成胶质或颗粒物。过去曾发生过F-76柴油燃料在储存期间失效的情况，尽管其通过了所有规格测试¹。这些失效事件导致燃料中颗粒物浓度显著升高，可能对燃油泵等设备造成损害。针对这一现象的深入研究发现，某些类型的含氮化合物与颗粒物的形成之间存在因果关系^2,3,4,5。然而，目前许多用于测定氮含量的技术仅能提供定性结果，且需要复杂的样品前处理，对可疑含氮化合物的具体种类信息提供有限。本文所述方法是一种二维气相色谱（GCxGC）与氮化学发光检测器（NCD）联用的技术，旨在对柴油和航空燃料中的痕量含氮化合物进行定性和定量分析。

气相色谱法在石油分析中被广泛应用，已有六十多种与该技术相关的ASTM石油分析方法发表。气相色谱可与多种检测器联用，例如质谱法（MS，ASTM D2789⁶、D5769⁷）、傅里叶变换红外光谱法（FTIR，D5986⁸）、真空紫外光谱法（VUV，D8071⁹）、火焰离子化检测器（FID，D7423¹⁰）以及化学发光检测器（D5504¹¹、D7807¹²、D4629-17¹³）。所有这些方法均可提供有关燃料产品的详细组成信息。由于燃料属于复杂的样品基质，气相色谱可通过化合物在沸点、极性以及与色谱柱相互作用等方面的差异，实现各组分的分离，从而增强组成分析能力。

为进一步提升分离能力，可采用二维气相色谱法（GCxGC），通过使用具有正交固定相化学性质的串联色谱柱，获得组分分布图。化合物可依据极性和沸点进行分离，这是一种全面分离燃料组分的有效方法。尽管可以使用GCxGC-MS分析含氮化合物，但复杂样品中含氮化合物的痕量浓度会阻碍其鉴定¹⁴。已有研究尝试采用液-液相萃取以结合GC-MS技术进行分析；然而，发现该萃取方法不完全，且会遗漏重要的含氮化合物¹⁵。此外，其他研究者曾采用固相萃取技术，以增强含氮信号并降低燃料样品基质干扰的可能性¹⁶。然而，该方法被发现会导致某些含氮物种不可逆地滞留，尤其是低分子量的含氮化合物。

氮化学发光检测器（NCD）是一种针对氮元素的特异性检测器，已成功应用于燃料分析^17,18,19。该检测器利用含氮化合物的燃烧反应生成一氧化氮（NO），再与臭氧发生反应（见反应式1和2）²⁰。该过程在石英反应管中进行，反应管内含有铂催化剂，在氧气存在条件下加热至900 °C。

该反应所发射的光子由光电倍增管进行测量。由于所有含氮化合物在检测过程中均被转化为一氧化氮（NO），该检测器对所有含氮化合物具有线性且等摩尔的响应。此外，在反应的转化步骤中（反应方程式1），样品中的其他化合物被转化为非化学发光物质（如CO₂和H₂O），因此该方法不易受基质效应干扰。因此，该方法是测定复杂基质（如燃料）中氮化合物的理想选择。

该检测器的等摩尔响应对于燃料中氮化合物的定量至关重要，因为燃料成分复杂，无法对每种氮分析物进行校准。该检测器的选择性有助于在复杂的烃类背景中检测痕量氮化合物。

方案

警告：使用所有化合物前，请查阅相关的安全数据表（SDS），并遵循适当的安全操作规范。操作时应佩戴个人防护装备，如手套、护目镜、实验服、长裤和封闭式鞋子。所有操作均应在通风橱内进行。

1. 标准品的制备

1. 通过将0.050 g咔唑（校准标准品，纯度不低于98%）加入样品瓶中，并用异丙醇定容至总质量为10.000 g，配制5,000 mg/kg（ppm）的咔唑溶液。立即盖紧瓶盖，防止异丙醇挥发。此溶液为校准储备液。
2. 取1.194 mL储备液，用异丙醇稀释至5 mL，配制含氮量为100 ppm的咔唑溶液。该溶液标记为“100 ppm氮咔唑”，用于制备校准标准品。
   注意：校准标准品的浓度表示标准品中的氮浓度，而非咔唑本身的浓度。
3. 通过逐级稀释，配制以下校准标准品：
   20 ppm氮咔唑
   10 ppm氮咔唑
   5 ppm氮咔唑
   1 ppm氮咔唑
   0.5 ppm氮咔唑
   0.025 ppm氮咔唑
4. 将1 mL各校准标准品分别移入不同的气相色谱（GC）样品瓶中（共6个样品瓶）。
5. 用异丙醇分别配制表1中所列每种标准化合物的10 ppm单独溶液。将每种标准溶液各1 mL分别移入不同的GC样品瓶中（共10个样品瓶）。
   注意：表1中列出的标准化合物将用于将未知氮化合物分类为“轻质氮化合物”、“碱性氮化合物”或“非碱性氮化合物”。

标准化合物	洗脱时间分类组
Pyridine	第1组 – 轻质含氮化合物
Trimethylamine	第1组 – 轻质含氮化合物
Methylaniline	第1组 – 轻质含氮化合物
Quinoline	第2组 – 碱性含氮化合物
Diethylaniline	第2组 – 碱性含氮化合物
Methylquinoline	第2组 – 碱性含氮化合物
Indole	第2组 – 碱性含氮化合物
Dimethylindole	第2组 – 碱性含氮化合物
Ethylcarbazole	第3组 – 非碱性含氮化合物
Carbazole	第3组 – 非碱性含氮化合物

表1：氮标准物质及其洗脱分类组别。

2. 样品制备

1. 对于柴油燃料：在气相色谱小瓶中加入 250 µL 燃料样品和 750 µL 异丙醇。
2. 对于喷气燃料：在气相色谱小瓶中加入 750 µL 燃料样品和 250 µL 异丙醇。
   注意：如果柴油或喷气燃料中总氮浓度在按上述指示稀释后低于校准曲线范围（0.025 ppm 氮），则不要稀释。如果柴油或喷气燃料中某一特定氮化物组分的氮浓度高于校准曲线范围（20 ppm 氮），则需进一步稀释样品。

3. 仪器设置

1. 仪器配置
   1. 自动进样器：确保自动进样器的样品盘和进样塔已安装，并配备无分流进样口以及清洗瓶。
   2. 氮化学发光检测器：确保氮化学发光检测器已正确安装相应的气体管路（即氦气和氢气）。如有条件，可使用氢气发生器替代气瓶。
   3. 双环热调制器：确保双环热调制器已正确安装并校准，使色谱柱环在调制过程中位于冷喷流和热喷流之间中心位置。
2. 色谱柱安装
   1. 确保仪器处于维护模式（即所有燃烧器和气体流路均已关闭）。
   2. 将30 m的主色谱柱插入气相色谱仪炉箱，并连接至无分流进样口。
   3. 测量并截取2.75 m的辅助色谱柱。使用修正液笔在辅助色谱柱上标记0.375 m和1.375 m的位置。
   4. 将辅助色谱柱放入Zoex调制器的色谱柱支架中，并利用标记作为引导，在支架内形成一个1 m长的色谱柱环用于调制。
   5. 使用微型接头将辅助色谱柱较短的一端连接至主色谱柱。通过开启气体流路，并将色谱柱的开放端插入甲醇试剂瓶中观察气泡，以检查连接是否成功。若有气泡产生，则表明连接成功。
   6. 将色谱柱支架放入调制器中，并根据需要调整色谱柱环的位置，使其与冷喷流和热喷流准确对齐，如图1所示。
   7. 将色谱柱的另一端插入NCD燃烧器中，然后开启所有燃烧器和气体流路，确保无泄漏。
   8. 将炉箱温度升至其最高温度上限，至少保持2小时，以完成色谱柱的老化。老化完成后，检查是否存在新的泄漏，随后将炉箱冷却。

图1：GCxGC-NCD仪器装置的示意图。 本图经Deese等重新发表。请点击此处查看此图的放大版本。

3. 方法参数
   1. 使用计算机软件，将仪器设置为表2中列出的参数。
   2. 将初始炉温设为60 °C，以5 °C/min的升温速率升至160 °C，然后将升温速率改为4 °C/min，继续升温至300 °C。每个样品的总运行时间为55分钟。
   3. 设置热喷射温度始终比炉温高100 °C。因此：将初始热喷射温度设为160 °C，以5 °C/min的升温速率升至260 °C，然后将升温速率改为4 °C/min，继续升温至400 °C。
   4. 设置连接到气相色谱仪的辅助液氮杜瓦瓶在运行期间保持20%至30%的充填量。

仪器参数
NCD	氮气基座温度	280 °C
	氮气燃烧器温度	900 °C
	氢气流速	4 mL/min
	助燃气流速（O₂）	8 mL/min
	数据采集频率	100 Hz
进样口	进样口温度	300 °C
	进样衬管	不分流模式
	分流放空吹扫流速	15 mL/min
	隔垫吹扫流速	3 mL/min
	载气	He
	载气流速	1.6 mL/min
	进样针规格	10 µL
	进样体积	1 µL
调制器	调制时间	6000 ms
	热脉冲持续时间	375 ms
色谱柱	流速	1.6 mL/min
	流速模式	恒定流速

表2：仪器参数。

4. 仪器校准

1. 将装有已配制咔唑标准品的气相色谱样品瓶放入进样器，并在气相色谱软件中载入预先配置好的方法。
2. 创建一个进样序列，首先注入空白样（异丙醇），随后按浓度递增顺序依次进样已配制的咔唑标准品。
3. 确认液氮杜瓦瓶液位处于20%-30%之间，并检查所有仪器参数均处于“就绪”状态，然后启动序列运行。
4. 完成校准标准品组的分析后，使用 GCImage 软件加载每个色谱图，进行背景校正，并识别每个咔唑峰（或称“blob”）。
   注：在 GCImage 软件中，色谱图中识别出的峰被称为“blob”。
5. 在电子表格程序中，以每个校准标准品的响应值（blob 体积）对氮浓度（ppm）作图，绘制校准曲线（见图 2）。该曲线的趋势线相关系数 R² 应 ≥ 0.99。

图 2：二维气相色谱-氮化学检测器（GCxGC-NCD）咔唑校准曲线示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

5. 样品分析

1. 将气相色谱样品瓶放入自动进样器样品盘中，并加载先前配置好的方法。
2. 创建一个序列，在序列开头放置一个空白样品（异丙醇），之后每5个样品插入一个空白样品，以减少燃料在色谱柱中的积聚。
3. 确认调制器杜瓦瓶中有足够的液氮，并且所有仪器参数均处于“就绪”状态，然后启动序列。

6. 数据分析

1. 在 GCImage 软件中打开色谱图以进行数据分析，并执行背景校正
2. 使用以下滤波参数检测斑点：
   最小面积 = 25
   最小体积 = 0
   最小峰高 = 25
   注意：这些参数可能根据仪器响应或样品基质的不同而调整。
3. 使用 GCImage 模板功能创建或加载模板，根据已知标准品的洗脱时间对氮化合物类别进行分组（见表 1）。
   注意：模板使用的进一步说明见代表性结果部分及图 8。
4. 化合物分组完成后，将“斑点集表格”导出至电子表格程序。对每个化合物类别组内的所有斑点/峰的体积求和，并结合第 4.4 节确定的校准方程，计算各组中氮化合物的浓度（单位为 ppm）。
5. 如需要，可使用以下密度计算方法，校正样品与标准品进样体积差异对定量结果的影响：
   
   注意：*样品基质与标准基质中注入的氮（ng N）之间的百分比差异
6. 如需要，将每个化合物类别中的氮含量加和，以获得样品的总氮含量。若测定的总氮含量超过 150 ppm，或某一化合物类别超出校准范围，则需进一步稀释样品后重新分析。将这些结果与依据 ASTM D4629¹³ 测定的总氮含量进行比较，以验证定量准确性。

结果

含氮化合物咔唑在本方法中用作校准标准品。咔唑在主色谱柱上的洗脱时间约为33分钟，在次级色谱柱上的洗脱时间为2秒。这些洗脱时间会因色谱柱的确切长度和仪器的不同而略有差异。为了获得合适的校准曲线，并进而对样品中的含氮化合物进行良好的定量分析，校准峰不应过载，且不应含有任何氮类污染物。图3展示了含0.025 ppm氮的咔唑校准标准品在主柱和次级色谱柱上的色谱图。色谱峰无拖尾现象，标准响应信号明显高于噪声水平。

图 3：0.025 ppm N 吲哚（carbazole）校准标准品在主柱（...

讨论

该方法旨在无需进行繁琐的样品前处理（如液液萃取）即可详细测定柴油和航空燃料中的氮含量。该方法通过将二维气相色谱系统（GCxGC）与氮特异性检测器（氮化学发光检测器，NCD）联用实现。相较于传统的一维气相色谱，GCxGC可实现化合物的显著分离。NCD可在无背景干扰的情况下实现痕量氮化合物的检测。过去使用的其他氮特异性检测器（如氮磷检测器，NPD）会受到燃料中烃类基质的干扰，而本方法几乎不受基质干扰。

该二维气相色谱（GCxGC）方法采用反相（由极性到非极性）色谱柱系统，使化合物在第一维中按极性分离，在第二维中按沸点分离。第二维的分离由热调制器控制，通过低温聚焦重新浓缩化合物，进而实现进一步分离。调制器内的辅助色谱柱必须准确定位，以实现最佳分离效果。如果色谱柱环路未对准冷热喷射气流的中心位置，峰形将不理想或无法正确洗脱。此外，该系统使用氦气作为载气。尽管氢气也可用作载气，但它可能产生活性位点，与含氮化合物发生相互作用。为彻底消除这一可能性，强烈推荐使用氦气。

由于这些燃料中含氮化合物的痕量特性，难以通过质谱法获得其表征结果。利用该...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
10 µL 注射器	Agilent		黄金系列
180 µm x 0.18 µm 二级色谱柱	Restek	Rxi-1MS	非极性固定相色谱柱，交联二甲基聚硅氧烷
250 µm x 0.25 µm 一级色谱柱	Restek	Rxi-17SilMS	中等极性固定相色谱柱
自动进样器样品盘和进样塔	Agilent	7963A
咔唑	Sigma	C5132	98%
二乙基苯胺	Aldrich	185898	≥ 99%
二甲基吲哚	Aldrich	D166006	97%
双环路热调制器	Zoex Corporation	ZX-1
乙基咔唑	Aldrich	E16600	97%
气相色谱仪	Agilent	7890B
气相色谱小瓶	Restek	21142
GCImage 软件，版本 2.6	Zoex Corporation
吲哚	Aldrich	13408	≥ 99%
异丙醇	Fisher Scientific	A461-500	纯度 99.9%
甲基苯胺	Aldrich	236233	≥ 99%
甲基喹啉	Aldrich	382493	99%
氮化学发光检测器	Agilent	8255
吡啶	Sigma-Aldrich	270970	无水，99.8%
喹啉	Aldrich	241571	98%
三甲胺	Sigma-Aldrich	243205	无水，≥ 99%