Name: 多维气相色谱在燃料中的氮化合物表征 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-15T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 22 s
Description: 了解如何使用GCxGC-NCD技术对喷气燃料和柴油中的氮化合物进行详细表征。该方法可生成化合物类别级别的氮分布信息，为燃料行为与性能研究提供重要见解。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本工作的资助由美国国防后勤局能源部（DLA Energy）和海军航空系统司令部（NAVAIR）提供。
该研究是在一位作者在美国海军研究实验室获得NRC研究协会奖期间完成的。

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
<ol>
	<li>通过将 0.050 g 芴（校准标准品，纯度不低于 98%）放入样品瓶中，并用异丙醇定容至总质量为 10.000 g，配制 5,000 mg/kg（ppm）的芴溶液。立即盖紧瓶盖，防止异丙醇挥发。此溶液为校准储备液。</li>
	<li>取 1.194 mL 储备液，用异丙醇稀释至 5 mL，配制含氮量为 100 ppm 的芴溶液。该溶液标记为“100 ppm 氮芴溶液”，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，而非芴的浓度。</li>
	<li>通过逐级稀释，配制以下校准标准品： 
	20 ppm 氮芴溶液 
	10 ppm 氮芴溶液 
	5 ppm 氮芴溶液 
	1 ppm 氮芴溶液 
	0.5 ppm 氮芴溶液 
	0.025 ppm 氮芴溶液</li>
	<li>将 1 mL 校准标准品分别装入不同的气相色谱样品瓶中（共 6 个样品瓶）。</li>
	<li>用异丙醇分别配制 表 1 所列各标准化合物的 10 ppm 溶液。将每种标准溶液各取 1 mL 分别装入不同的气相色谱样品瓶中（共 10 个样品瓶）。 
	注意：表 1 所列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”。</li>
</ol>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>标准化合物</td>
			<td>洗脱时间分类组</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pyridine</td>
			<td>第1组 – 轻质含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trimethylamine</td>
			<td>第1组 – 轻质含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methylaniline</td>
			<td>第1组 – 轻质含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quinoline</td>
			<td>第2组 – 碱性含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diethylaniline</td>
			<td>第2组 – 碱性含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methylquinoline</td>
			<td>第2组 – 碱性含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Indole</td>
			<td>第2组 – 碱性含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dimethylindole</td>
			<td>第2组 – 碱性含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylcarbazole</td>
			<td>第3组 – 非碱性含氮化合物</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbazole</td>
			<td>第3组 – 非碱性含氮化合物</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：氮标准物质及其洗脱分类组别。
2. 样品制备
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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：当柴油或喷气燃料的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）时，不应进行稀释。若柴油或喷气燃料中某一特定氮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。</li>
</ol>
3. 仪器设置
<ol>
	<li>仪器配置
	<ol>
		<li>自动进样器：确保自动进样器的样品盘和进样针已安装，并配备无分流进样口以及清洗瓶。</li>
		<li>氮化学发光检测器：确保氮化学发光检测器已正确连接相应的气体管路（即氦气和氢气）。如有条件，可使用氢气发生器替代气瓶。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>色谱柱安装
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>将辅助色谱柱放入Zoex调制器的色谱柱支架中，并利用标记作为参考，在支架内形成一个1 m长的色谱柱环用于调制。</li>
		<li>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盛有甲醇的样品瓶中，检查连接是否成功。若观察到气泡，则表明连接成功。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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，检查是否出现新的泄漏，随后将炉箱冷却。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="氮化学发光检测气相色谱示意图；NO + O3 → NO2 + O2 + hν。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60883/60883fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：GCxGC-NCD仪器装置的示意图。 本图已重印自Deese等人的研究。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60883/60883fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="3">
	<li>方法参数
	<ol>
		<li>使用计算机软件，将仪器设置为表2中列出的参数。</li>
		<li>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。</li>
		<li>设置热喷射气流温度始终比炉温高100 °C。因此：将初始热喷射气流温度设为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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="3">仪器参数</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NCD</td>
			<td>氮气基座温度</td>
			<td>280 °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>氮气燃烧器温度</td>
			<td>900 °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>氢气流速</td>
			<td>4 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>助燃气流速（O₂）</td>
			<td>8 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>数据采集频率</td>
			<td>100 Hz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>进样口</td>
			<td>进样口温度</td>
			<td>300 °C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>进样衬管</td>
			<td>不分流</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>分流放空吹扫流量</td>
			<td>15 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>隔垫吹扫流量</td>
			<td>3 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>载气</td>
			<td>He</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>载气流速</td>
			<td>1.6 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>进样针规格</td>
			<td>10 µL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>进样体积</td>
			<td>1 µL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>调制器</td>
			<td>调制时间</td>
			<td>6000 ms</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>热脉冲持续时间</td>
			<td>375 ms</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>色谱柱</td>
			<td>流速</td>
			<td>1.6 mL/min</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>流速模式</td>
			<td>恒定流速</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2：仪器参数。
4. 仪器校准
<ol>
	<li>将装有已制备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。</li>
	<li>创建一个进样序列，起始时首先进样空白样品（异丙醇），随后按浓度由低到高的顺序依次进样已制备的咔唑标准品。</li>
	<li>确认液氮杜瓦瓶液位在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。</li>
	<li>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“斑点”。 
	注意：在GCImage软件中，色谱图中检测到的峰被称为“斑点”（blobs）。</li>
	<li>在电子表格程序中，以每个校准标准品的响应值（斑点体积）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应不低于0.99。</li>
</ol>
<img alt="使用咔唑绘制的校准曲线；峰体积与氮含量（ppm）的关系图；线性回归。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60883/60883fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：二维气相色谱-氮化学检测器（GCxGC-NCD）咔唑校准曲线示例。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60883/60883fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
5. 样品分析
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
6. 数据分析
<ol>
	<li>在 GCImage 软件中打开色谱图以进行数据分析，并执行背景校正</li>
	<li>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变化而调整。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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： 
	<img src="/files/ftp_upload/60883/60883eq2a.jpg" alt="氮进样计算公式图；IPA、喷气燃料、F-76、MGO 中的体积；化学分析。" data-altupdatedat="1788250015000"> 
	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</li>
	<li>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 氮，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。</li>
</ol>

<ol><li>Garner, M. W., Morris, R. E. Laboratory Studies of Good Hope and Other Diesel Fuel Samples. ARTECH Corp. Report No. J8050.93-FR. , (1982).</li>
<li>Morris, R. E. Fleet Fuel Stability Analyses and Evaluations. ARTECH Corp. Report No. DTNSRDC-SME-CR-01083. , (1983).</li>
<li>Analysis of F-76 Fuels from the Western Pacific Region Sampled in 2014. Naval Research Laboratory Letter Report 6180/0012A. , (2015).</li>
<li>Westbrook, S. R. Analysis of F-76 Fuel, Sludge, and Particulate Contamination. Southwest Research Institute Letter Report. Project No. 08.15954.14.001. , (2015).</li>
<li>Morris, R. E., Loegel, T. N., Cramer, J. A., Leska Myers, K. M., A, I. Examination of Diesel Fuels and Insoluble Gums in Retain Samples from the West Coast-Hawaii Region. Naval Research Laboratory Memorandum Report. No. NRL/MR/6180-15-9647. , (2015).</li>
<li>ASTM D2789 – 95, Standard Test Method for Hydrocarbon Types in Low Olefinic Gasoline by Mass Spectometry. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>ASTM D5769 – 15, Standard Test Method for Determination of Benzene, Toluene, and Total Aromatics in Finished Gasolines by Gas Chromatography/Mass Spectometry. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>ASTM D5986 – 96, Standard Test Method for Determination of Benzene, Toluene, and Total Aromatics in Finished Gasolines by Gas Chromatography/Mass Spectometry. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>ASTM D8071 – 19, Standard Test Method for Dermination of Hydrocarbon Group Types and Select Hydrocarbon and Oxygenate Compounds in Automotive Spark-Ignition Engine Fuel Using Gas Chromatography with Vacuum Ultraviolet Absorption Spectroscopy Detection. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>ASTM D7423 – 17, Standard Test Method for Determination of Oxygenates in C2, C3, C4, and C5 Hydrocarbon Matrices by Gas Chromatography and Flame Ionization Detection. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>ASTM5504 – 12, Standard Test Method for Determination of Sulfur Compounds in Natural Gas and Gaseous Fuels by Gas Chromatography and Chemiluminescence. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>ASTM D7807 – 12, Standard Test Method for Determination of Boiling Point Range Distribution of Hydrocarbon and Sulfur Components of Petroleum Distillates by Gas Chromatography and Chemiluminescence Detection. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>ASTM D4629-17, Standard Test Method for Trace Nitrogen in Liquid Hydrocarbons by Syringe/Inlet Oxidative Combustion and Chemiluminescence Detection. , ASTM International. West Conshohocken, PA. www.astm.org (2019).</li>
<li>Maciel, G. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+Nitrogen+Compounds+in+Diesel+Fuel+Samples+by+Comprehensive+Two-Dimensional+Gas+Chromatography+Coupled+with+Quadrupole+Mass+Spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Separation+Science%22%5BJournal%5D)">Quantification of Nitrogen Compounds in Diesel Fuel Samples by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography Coupled with Quadrupole Mass Spectrometry.</a> Journal of Separation Science. 38 (23), 4071-4077 (2015).</li>
<li>Deese, R. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+Organic+Nitrogen+Compounds+and+Their+Impact+on+the+Stability+of+Marginally+Stable+Diesel+Fuels%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Fuels%22%5BJournal%5D)">Characterization of Organic Nitrogen Compounds and Their Impact on the Stability of Marginally Stable Diesel Fuels.</a> Energy & Fuels. 33 (7), 6659-6669 (2019).</li>
<li>Lissitsyna, K., Huertas, S., Quintero, L. C., Polo, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+Simple+Method+for+Quanitation+of+Nitrogen+Compounds+in+Middle+Distillates+using+Solid+Phase+Extraction+and+Comprehensive+Two-Dimensional+Gas+Chromatography%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">Novel Simple Method for Quanitation of Nitrogen Compounds in Middle Distillates using Solid Phase Extraction and Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography.</a> Fuel. 104, 752-757 (2013).</li>
<li>Machado, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comprehensive+two-dimensional+gas+chromatography+for+the+analysis+of+nitrogen-containing+compounds+in+fossil+fuels%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Talanta%22%5BJournal%5D)">Comprehensive two-dimensional gas chromatography for the analysis of nitrogen-containing compounds in fossil fuels: A review.</a> Talanta. 198, 263-276 (2019).</li>
<li>Adam, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+Benchmark+for+Basic+and+Neutral+Nitrogen+Compounds+Speciation+in+Middle+Distillates+using+Comprehensive+Two-Dimensional+Gas+Chromatography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chromatography+A%22%5BJournal%5D)">New Benchmark for Basic and Neutral Nitrogen Compounds Speciation in Middle Distillates using Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography.</a> Journal of Chromatography A. 1148, 55-65 (2007).</li>
<li>Wang, F. C. Y., Robbins, W. K., Greaney, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Speciation+of+Nitrogen-Containing+Compounds+in+Diesel+Fuel+by+Comprehensive+Two-Dimensional+Gas+Chromatography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Separation+Science%22%5BJournal%5D)">Speciation of Nitrogen-Containing Compounds in Diesel Fuel by Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography.</a> Journal of Separation Science. 27, 468-472 (2004).</li>
<li>Yan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sulfur+and+Nitrogen+Chemiluminescence+Detection+in+Gas+Chromatographic+Analaysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chromatography+A%22%5BJournal%5D)">Sulfur and Nitrogen Chemiluminescence Detection in Gas Chromatographic Analaysis.</a> Journal of Chromatography A. 976 (1), 3-10 (2002).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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失效或导致设备问题。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。针对这一现象开展的深入研究表明，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）联用氮化学发光检测器（NCD）的分析方法，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表征。
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。
为进一步提高分离能力，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，从而全面分离燃料中的各组分。尽管可以使用GCxGC-MS分析含氮化合物，但复杂样品中氮化合物的痕量浓度限制了其鉴定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以增强氮信号，同时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）是一种氮元素专属性检测器，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（见公式1和2）20。该过程在石英反应管中进行，反应管内含铂催化剂，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（反应式1），样品中的其他化合物被转化为非化学发光物质（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。
<img src="/files/ftp_upload/60883/60883eq1a.jpg" alt="化学反应方程式；R-N+O₂→NO+CO₂+H₂O 和 NO+O₃→NO₂+O₂+hν；示意图。" data-altupdatedat="1788250015000">
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。

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

燃料中氮化合物的多维气相色谱表征

Nitrogen Compound Characterization in Fuels by Multidimensional Gas Chromatography

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）&#60;5%，日间分析的% RSD &#60;10%；方法的检出限（LOD）为1.7 ppm，定量限（LOQ）为5.5 ppm。

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条件的不同而略有差异。为了获得准确的校准曲线，进而实现对样品中氮化合物的良好定量，校准峰不应过载，且不得含有任何氮类污染物。图中显示了含0.025 ppm氮的咔唑校准标准品在主柱和次级柱上的色谱图 图3没有拖尾现象，标准响应位于噪声范围之外。
<img alt="色谱分析结果；两个图表显示了峰保留时间和信号强度。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60883/60883fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 3"> 
图3：0.025 ppm N咔唑校准标准品在主柱（左）和副柱（右）上的代表性色谱图...

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。

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，检测并表征这些化合物具有重要意义。

这是一种用于详细表征喷气燃料和柴油燃料中氮化物种类的方法。该方法可使用户获得燃料中氮元素分布的化合物类别水平信息，从而更深入地了解燃料的行为和性能。该方法采用成本低廉且市售可得的仪器，仅需一种标准品即可实现定量分析，并且样品前处理步骤简单。必须将二级气相色谱柱在调制器内盘绕。如果未完全对齐，则色谱结果将无法使用，因此请耐心调整至对齐。在开始实验之前，按照指示进行校准标准品的操作，并将每种标准品各取一毫升分别加入到单独的气相色谱小瓶中。安装色谱柱时，首先将一根30米长的主色谱柱放入气相色谱仪的加热炉中，并将色谱柱连接至不分流进样口。截取2.75米长的次级色谱柱，使用修正液笔在距离色谱柱一端0.375米和1.375米处做标记。将次级色谱柱放入Zoex调制器的色谱柱支架中，并以标记为参考，在支架内形成一个长度为一米的环路。使用微型接头将二级色谱柱的较短一端与主色谱柱连接。为检查连接是否成功，开启气体流动，将色谱柱的开口端插入装有甲醇的小瓶中。若观察到气泡产生，则表明连接成功。将色谱柱支架放入调制器中，并根据需要调整环路，使其与冷喷嘴和热喷嘴正确对齐。然后将色谱柱的另一端插入氮气化学发光检测器的燃烧器中，打开所有燃烧器和气体流量，确保无泄漏。在计算机软件中，按照表格所示设置仪器参数。将初始炉温设置为 60 摄氏度，以每分钟 5 摄氏度的升温速率升至 160 摄氏度。当炉温达到目标温度后，将升温速率调整为每分钟 4 摄氏度，直至炉温达到 300 摄氏度，每个样品的总运行时间为 55 分钟。热喷射气流的温度应始终比炉温高 100 摄氏度。然后，在运行过程中，将连接至气相色谱仪的辅助液氮杜瓦瓶的液位保持在20%至30%之间。为校准气相色谱仪，将装有已配制咔唑标准品的气相色谱样品瓶放入仪器中，并将先前配置好的方法载入气相色谱软件。创建一个进样序列，在分析开始时首先进样空白样品，随后按浓度递增顺序依次进样已配制的咔唑标准品。完成校准标准品系列分析后，使用气相色谱图像软件加载每个色谱图，校正背景，并检测每个咔唑峰或斑点。在电子表格程序中，以每个校准标准品的氮浓度为横坐标，斑点体积响应为纵坐标，绘制校准曲线。该曲线的趋势线决定系数（R²）应大于或等于 0.99。为分析样品，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。创建一个序列，在序列开头以及每五个样品后各插入一个空白样，以限制燃料在色谱柱中的积聚。然后确认杜瓦瓶中有足够的液氮供应至调制器，并在开始运行序列前检查仪器所有参数是否均处于就绪状态。为了分析样品数据，在气相色谱图像分析软件中打开目标色谱图，并进行背景校正。进行斑点检测时，将滤波参数设置为最小面积25、最小体积0、最小峰高25。使用气相色谱图像模板功能，根据已知标准品的洗脱时间，创建或加载模板至相应的含氮化合物类别组中。当所有化合物分组完成后，将斑点集表格导出至电子表格程序，并利用总和、每类化合物组内所有斑点和峰的体积以及校准方程，计算每组中氮化合物以百万分之一为单位的浓度。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。该峰无拖尾现象，标准响应信号明显高于噪声水平。此处展示了采用二维气相色谱-氮化学发光检测法获得的色谱图，其中包含咔唑标准品以及相应的色斑表。如图所示，检测到两个色斑不在咔唑的洗脱时间范围内，因此未被纳入色斑表中。在这些图中，还展示了利用该方法对柴油样品和航空煤油样品测得的典型色谱图。通常情况下，喷气燃料中的氮化合物种类较少且浓度低于柴油燃料，这一点在比较两张色谱图时可明显观察到。然而，在此失败的样品检测中，由于调制时间与色谱柱 oven 温度不匹配，导致了色谱峰的折叠现象。在此失败的样品检测中，化合物在色谱柱上滞留时间过长，造成斑点出现拖尾效应，从而破坏了所有化合物的分离效果。可以利用标准品来确定每种氮化合物类别的相关基团，例如本图所示。类似地，也可采用气相色谱-气相色谱联用硫化学发光检测方法，以获得关于燃料中杂原子含量的更详细信息。该方法使燃料化学研究人员能够在典型总氮含量测定的基础上，进一步探究特定氮化合物对燃料稳定性及性能的影响。燃料样品和溶剂均属易燃物，且仪器在使用过程中会变得非常热。务必穿戴个人防护装备，且在仪器未冷却前切勿触碰。

nitrogen-compound-characterization-fuels-multidimensional-gas

Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

多维气相色谱在燃料中的氮化合物表征

采用程序升温脱附系统联用带有电子捕获检测器的气相色谱仪，对吸附在填充吸附剂的热脱附管上的TNT和RDX痕量爆炸物蒸气进行分析。该仪器分析方法结合直接液体沉积法，以降低样品变异性，并校正仪器漂移和样品损失。...

程序化升温脱附气相色谱-电子捕获检测器定量检测痕量爆炸物蒸气

本文介绍了一种用于分析液态原油样品中溶解硫化氢的多维气相色谱方法。该方法采用Deans开关对轻质含硫气体进行中心切割，使其在第二根色谱柱上实现分离，并通过硫化学发光检测器进行检测。...

使用多维气相色谱、Dean 切换技术及硫选择性检测法测定原油及原油顶空气体中的 H2S

本文描述了一种采用二维气相色谱-飞行时间质谱法对藻类水热液化所生成生物原油中水相组分进行表征的方法。该方案也可用于分析快速热解、催化快速热解、催化脱氧及加氢处理所得液态产物中水相组分的化学组成。...

利用飞行时间质谱联用二维气相色谱对藻类水热液化水相组分进行定性表征

已开发出一种将全二维气相色谱与氮化学发光检测相结合的方法，并将其应用于复杂烃基质中含氮化合物的在线分析。...

复杂烃基质中含氮化合物的在线分析

先前的研究表明，大气氮氧化物的氮同位素组成可能用于区分环境中不同来源的影响。本文报道了一种自动化、可移动、基于野外的高效率收集大气NOx的方法，可用于每小时时间分辨率下的氮同位素分析。...

用于NOx氮同位素分析的自动化高分辨率移动采集系统

通过定量物种分布数据的比较，研究了新型生物燃料、燃料组分或航空燃料的氧化燃烧化学。这些数据可用于动力学模型的验证，并支持燃料评估策略。本文描述了常压高温流动反应器，并展示了其功能。...

燃料燃烧化学：利用耦合分子束质谱仪的大气压高温流动反应器获取定量物种数据

本方案描述了一种高通量方法，结合互补的分析技术和组学技术，最终实现对不同生态系统中天然有机质和微生物蛋白质组的全面配对表征。该方法可进行可靠的比较，有助于识别对描述温室气体产生及预测环境变化响应具有重要意义的代谢途径和转化过程。...

用于表征复杂天然有机质混合物的单通量互补高分辨率分析技术

本文介绍了一种利用简并四波混频结合上转换探测技术，在中红外区域实现高灵敏度、空间分辨气体光谱分析的实验方案。...

基于上转换探测的红外简并四波混频定量气体传感

非靶向代谢组学可提供代谢谱的假设生成式快照。本方案将演示从细胞、血清或组织中提取和分析代谢物的方法。通过液-液相萃取、微流速超高效液相色谱/高分辨质谱法（UPLC-HRMS）结合差异分析软件，对多种代谢物进行检测。...

使用超高效液相色谱-高分辨质谱法（UPLC-HRMS）对生物来源样本进行非靶向代谢组学分析

妊娠会导致母体组织中脂肪酸组成发生显著变化。可通过气相色谱法获取脂质谱，从而对妊娠期间饲喂不同高脂和低脂饮食的大鼠个体脂质类别中的脂肪酸进行鉴定和定量分析。...

利用气相色谱法分析大鼠肝组织在妊娠期间脂肪酸组成的变化

了解如何使用GCxGC-NCD技术对喷气燃料和柴油中的氮化合物进行详细表征。该方法可生成化合物类别级别的氮分布信息，为燃料行为与性能研究提供重要见解。

燃料中氮化合物的多维气相色谱表征

探索更多视频