Przed wprowadzeniem do użytku paliwa poddawane są w rafineriach rozległemu zapewnieniu jakości oraz badaniom specyfikacyjnym, aby zweryfikować, czy produkowane paliwo nie zawiedzie i nie spowoduje problemów z eksploatacją sprzętu po jego dystrybucji. Testy specyfikacyjne obejmują m.in. weryfikację temperatury zapłonu, temperatury krzepnięcia oraz stabilności przechowywania. Badania stabilności przechowywania są istotne, ponieważ pozwalają określić, czy paliwa mają tendencję do degradacji podczas magazynowania, co prowadzi do powstawania gum lub cząsteczek stałych. W przeszłości odnotowano przypadki, w których paliwa Diesla F-76 uległy degradacji podczas przechowywania, mimo że przeszły wszystkie testy specyfikacyjne1. Awarie te skutkowały wysokimi stężeniami materii cząsteczkowej w paliwach, co mogło być szkodliwe dla urządzeń takich jak pompy paliwowe. Rozległe badania przeprowadzone po tym odkryciu zasugerowały istnienie związku przyczynowego między niektórymi typami związków azotu a tworzeniem się cząsteczek stałych2,3,4,5. Jednak wiele technik stosowanych do pomiaru zawartości azotu ma charakter ściśle jakościowy, wymaga żmudnego przygotowania próbek i dostarcza niewielu informacji na temat tożsamości podejrzanych związków azotu. Metoda opisana w niniejszym opracowaniu to dwuwymiarowa chromatografia gazowa (GCxGC) sprzężona z detektorem chemiluminescencyjnym azotu (NCD), opracowana w celu charakteryzacji i ilościowego oznaczenia śladowych związków azotu w paliwach Diesla i paliwach lotniczych.
Chromatografia gazowa jest powszechnie stosowana w analizach produktów naftowych i istnieje ponad sześćdziesiąt opublikowanych metod ASTM dotyczących produktów naftowych powiązanych z tą techniką. Z chromatografią gazową łączy się szeroką gamę detektorów, takich jak spektrometria mas (MS, ASTM D27896, D57697), spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR, D59868), spektroskopia w próżniowym ultrafiolecie (VUV, D80719), detektor jonizacji płomieniowej (FID, D742310) oraz detektory chemiluminescencyjne (D55041, D780712, D4629-1713). Wszystkie te metody mogą dostarczyć istotnych informacji o składzie produktu paliwowym. Ponieważ paliwa stanowią złożone macierze próbek, chromatografia gazowa usprawnia analizę składu poprzez rozdzielanie związków w próbce na podstawie temperatury wrzenia, polarności oraz innych oddziaływań z kolumną.
Aby zwiększyć zdolność rozdzielczą, można wykorzystać metody dwuwymiarowej chromatografii gazowej (GCxGC), które pozwalają na sporządzanie map składu za pomocą sekwencyjnych kolumn o ortogonalnej chemii. Rozdzielanie związków odbywa się zarówno według polarności, jak i temperatury wrzenia, co stanowi kompleksowy sposób izolacji składników paliwa. Chociaż analiza związków zawierających azot jest możliwa za pomocą GCxGC-MS, śladowe stężenie tych związków w złożonej próbce utrudnia ich identyfikację14. W celu zastosowania technik GC-MS próbowano wykorzystać ekstrakcję ciecz-ciecz, jednak stwierdzono, że ekstrakcje są niepełne i pomijają istotne związki azotu15. Ponadto inni stosowali ekstrakcję do fazy stałej, aby wzmocnić sygnał azotu przy jednoczesnym ograniczeniu potencjalnych interferencji z matrycy próbki paliwa16. Uznano jednak, że technika ta prowadzi do nieodwracalnego zatrzymania pewnych form azotu, zwłaszcza związków azotowych o niskiej masie cząsteczkowej.
Detektor chemiluminescencji azotu (NCD) jest detektorem specyficznym dla azotu i był z sukcesem wykorzystywany do analiz paliw17,18,19. Wykorzystuje on reakcję spalania związków zawierających azot, tworzenie tlenku azotu (NO) oraz reakcję z ozonem (patrz Równania 1 i 2)20. Proces ten zachodzi w kwarcowej rurce reakcyjnej zawierającej katalizator platynowy, podgrzanej do 900 °C w obecności tlenu w postaci gazowej.
Fotony emitowane w tej reakcji są mierzone za pomocą lampy fotomnożnika. Detektor ten wykazuje liniową i ekimolarną odpowiedź na wszystkie związki zawierające azot, ponieważ wszystkie takie związki są przekształcane w NO. Jest on również odporny na efekty matrycowe, ponieważ inne związki w próbce są przekształcane w gatunki niewykazujące chemiluminescencji (CO2 i H2O) podczas etapu konwersji w reakcji (Równanie 1). W związku z tym jest to idealna metoda do pomiaru związków azotu w złożonej matrycy, takiej jak paliwa.

Równomiarna odpowiedź tego detektora jest istotna dla oznaczania ilościowego związków azotu w paliwach, ponieważ złożony charakter paliw nie pozwala na kalibrację każdego analizowanego związku azotu. Selektywność tego detektora ułatwia wykrywanie śladowych ilości związków azotu, nawet przy złożonym tle węglowodorowym.