親水色譜‐質(zhì)譜聯(lián)用分析硝酸羥乙基肼含量

徐林楠，張學軍，趙 坦，李 俊，方 濤

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

1 引言

硝酸羥乙基肼（HEHN）是一種在液體推進劑中具有重要應用前景的含能物質(zhì)，目前已應用于部分硝酸羥銨（HAN）基推進劑中［1］。相比于肼類或其他HAN基單組元推進劑，含HEHN 的HAN 基推進劑具有毒性低、能量高、比沖大等優(yōu)勢，是未來液體單組元推進劑的重要候選品種［2］。

由于含HEHN 的液體推進劑尚處于發(fā)展階段，目前尚無針對液體推進劑中HEHN 含量的分析方法。傳統(tǒng)肼類液體推進劑中所含肼類化合物的含量分析主要利用氣相色譜［3-4］、容量分析［5-6］等方法來實現(xiàn)，但隨著硝酸肼（HN）、HAN、HEHN 等含能離子鹽越來越多地應用于液體推進劑中，依賴于樣品揮發(fā)性的氣相色譜方法已不適用于各種含鹽液體推進劑的分析。容量分析方法可應用于含鹽液體推進劑的組分含量分析，但在同時含有多種肼類化合物或同時含有肼類和羥胺類化合物的液體推進劑中，容量分析所依賴的衍生化反應選擇性有限，難以實現(xiàn)對多種肼類/羥胺類組分的分別分析。因此，分析液體推進劑中HEHN 的含量，需要借助于其他具有良好選擇性和含鹽樣品適用性的分析方法。

液相色譜法具有分離機理多樣、選擇性好、適用范圍寬、分析速度快等特點，可應用于多種類別的化合物分析中。肼類化合物具有較強的極性，在液相色譜中常用的反相色譜分離模式下難以獲得理想的保留和分離效果，同時肼類化合物自身不具有紫外吸收，故現(xiàn)有利用液相色譜方法分析肼類化合物的研究工作中，多是通過衍生化反應，將其轉(zhuǎn)化為具有紫外吸收的弱極性物質(zhì)后再利用反相色譜進行分析［7-8］。然而，衍生化處理過程耗時耗力、方法重現(xiàn)性有限、反應不完全影響方法準確度等問題也限制了衍生化方法在肼類化合物分析中的應用。

相比之下，基于親水相互作用色譜（HILIC）的液相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用法（LC?MS）則為HEHN 的分析提供了一種理想的分析手段。親水相互作用色譜利用其柱填料表面修飾極性基團與被分析物之間的相互作用對被分析物進行分離［9-10］，因而相比于反相色譜更適合于具有較強極性的肼類化合物的分析。同時，肼類化合物易于質(zhì)子化的特點，使其能夠在質(zhì)譜上獲得高檢測靈敏度?；谏鲜鎏攸c，本研究對基于親水相互作用?質(zhì)譜聯(lián)用法的HEHN 含量分析方法進行了探討，并利用所建立的方法對一液體推進劑中的HEHN 含量進行分析。

2 實驗部分

2.1 試劑及材料

乙腈（HPLC 級）、甲酸銨（MS 級）購自Merck。水為 超 純 水（電 阻 率≥18.2 MΩ·cm）。HEHN 溶 液（20%）、甲基肼（MMH）、偏二甲肼（UDMH）自制。含HEHN 的液體推進劑樣品自制，其中HEHN 含量的配制值為12.9%。

2.2 樣品制備

用于液相色譜分離條件優(yōu)化的樣品制備：稱取少量HEHN 溶液、MMH 及UDMH，使用90%乙腈-0.1%甲 酸 溶 液 分 別 稀 釋 至20、10 和10 μg·mL-1。各 取100 μL 稀釋后的HEHN、MMH 和UDMH 溶液，混合后加入700 μL 90%乙腈-0.1%甲酸稀釋，得HEHN、MMH 和UDMH 的 混 合 標 液。

用于質(zhì)譜測試條件優(yōu)化及方法學考察的樣品制備：準確稱取少量HEHN 溶液，使用90%乙腈-0.1%甲酸稀釋至所需濃度后進行分析。

液體推進劑樣品制備：準確稱取少量含HEHN 的液體推進劑樣品，使用90%乙腈-0.1%甲酸稀釋至0.4 μg·mL-1后進行分析。

2.3 液相色譜‐質(zhì)譜分析

樣品分析使用Agilent 1260 高效液相色譜儀聯(lián)用6120 質(zhì)譜儀完成。色譜柱為Agilent Poroshell 120 HILIC?Z，2.1 mm×150 mm，2.7 μm。流動相A：乙腈/水（V乙腈/V水=90/10），10 mM 甲酸銨，pH 3.4；流動相B：10 mM甲酸銨，pH 3.4。柱溫30 ℃。流速0.2 mL·min-1。進樣量2 μL。

質(zhì)譜離子源為電噴霧離子源。干燥氣流速8 L·min-1。霧化氣壓力20 psig。干燥氣溫度300 ℃。毛細管電壓4000 V。質(zhì)譜分析在正離子模式下進行，同時利用掃描模式和選擇離子監(jiān)測（SIM）模式進行分析。掃描模式下掃描范圍20～150 Da；SIM 模式下，在對混合標液進行分析時，選擇m/z=47、61、77 進行測定，在對HEHN 單標及液體推進劑樣品進行分析時，選擇m/z=77 進行測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 分析條件優(yōu)化

考慮到羥乙基肼及肼類液體燃料中常見的肼類化合物均為弱堿性極性化合物，且可在弱酸性體系下發(fā)生質(zhì)子化而以陽離子的形式存在，本研究選用適合于離子化合物分析的兩性離子型親水相互作用色譜柱Agilent Poroshell 120 HILIC?Z 進行分離分析。使用親水相互作用色譜進行樣品分離時，流動相的組成，特別是有機相與水相的比例，會對色譜分離結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。為保證所開發(fā)的分析方法能夠適用于同時含多種肼類化合物樣品中HEHN 的分析，采用HEHN、MMH 和UDMH 的混合溶液樣品用于分離條件的優(yōu)化。優(yōu)化時選用的流動相A 為乙腈含量90%的含鹽流動相，流動相B 為水相流動相。流動相A 中添加少量水以保證其中的緩沖鹽完全溶解，同時又可通過與水相流動相B 以一定比例搭配使用提供寬變動范圍的洗脫能力。分別測試了流動相A 與流動相B 的比例（VA/VB）為 70/30、75/25、80/20、85/15、90/10 時HEHN 與MMH、UDMH 的分離效果，分離譜圖及保留時間隨流動相比例的變化關系分別如圖1a 和圖1b 所示，可見當流動相A 的比例小于75% 時，HEHN 與MMH 并未實現(xiàn)很好的分離。隨著流動相A 比例的繼續(xù)提高，流動相中水的含量逐漸減少，流動相的極性降低導致其洗脫強度減弱，三種物質(zhì)的保留時間均顯著增長。當流動相A 的比例提高至80%及以上時，可見三種物質(zhì)均實現(xiàn)了基線分離。

對于不同流動相組成下的HEHN 檢測靈敏度也進行了分析，其結(jié)果如圖1c 所示。當流動相中乙腈比例逐漸提高，也即流動相A 的比例逐漸提高時，攜帶被分析組分進入質(zhì)譜離子源的流動相更易發(fā)生氣化，從而提高了被分析物的離子化效率；但與此同時，保留時間的延長也引起色譜峰展寬，導致單位時間進入質(zhì)譜的被分析物含量下降。兩種因素共同作用下，被分析物的峰面積呈現(xiàn)出隨流動相A 比例升高而先上升后下降的趨勢，且在流動相A 的比例為80%時峰高最大。綜合考慮上述結(jié)果，為了在保證分離效果的前提下獲得更短的分析時間和更高的檢測靈敏度，選擇流動相A 與流動相B 的比例（VA/VB）為80/20。

圖1 不同流動相比例下的分離譜圖（a）、三種被分析物的保留時間（b）及HEHN 峰高（c）Fig.1 The chromatograms（a），rentention time of three ana?lytes（b）and peak height of HEHN（c）under different ratio of mobile phase

相比于流動相中乙腈的比例，流動相pH 對分離效果的影響相對并不顯著。不同流動相pH 下三種被分析物的保留時間及HEHN 的理論塔板數(shù)如圖2 所示?？梢娙N化合物的保留時間在所試驗的pH 范圍內(nèi)變化變化幅度很小。當流動相pH 為3.4 時，HEHN具有相對最高的柱效。故使用pH 3.4 作為流動相的pH 條件。

圖2 不同流動相pH 下的三種被分析物的保留時間（a）及HEHN 的理論塔板數(shù)（b）Fig.2 Retention time of three analytes（a）and theoretical plate number of HEHN（b）under different mobile phase pH

三種被分析物保留時間及HEHN 理論塔板數(shù)隨流動相中甲酸銨緩沖鹽濃度的變化關系如圖3 所示。由圖3a 可以看出，在1～20 mM 的甲酸銨濃度測試范圍內(nèi)，三種化合物的保留時間在5 mM 處最大，之后隨鹽濃度的升高而緩慢下降。相比于流動相中乙腈的比例，緩沖鹽濃度對保留時間的影響十分有限。對于親水相互作用色譜，添加一定濃度的緩沖鹽有助于改善峰形和柱效。由圖3b 可以看出，在緩沖鹽濃度為10 mM 時硝酸羥乙基肼的柱效最高，故使用10 mM甲酸銨作為流動相中添加的緩沖鹽。

圖3 不同流動相甲酸銨濃度下的三種被分析物的保留時間（a）及HEHN 的理論塔板數(shù)（b）Fig.3 Retention time of three analytes（a）and theoretical plate number of HEHN（b）under different concentration of ammonium formate in mobile phase

依據(jù)上述優(yōu)化實驗結(jié)果確定了最終的流動相條件，即流動相A：乙腈/水（V乙腈/V水=90/10），10 mM 甲酸銨，pH 3.4；流動相B：10 mM 甲酸銨，pH 3.4；流動相A 與流動相B 的比例（VA/VB）為80/20。該條件下的三組分的分離性能參數(shù)如表1 所示。

表1 三組分分離性能參數(shù)Table 1 Separation performance parameters of three compo?nents

對于質(zhì)譜分析，試驗了不同源后碰撞能對HEHN分析靈敏度的影響，分別測定了源后碰撞能為50、75、100、125、150 和200 eV 下羥乙基肼陽離子的質(zhì)譜響應強度，結(jié)果如圖4a 所示。當源后碰撞能小于75 eV時，流動相中銨根離子與乙腈的加合峰（m/z=59）在質(zhì)譜上有很高的響應，對羥乙基肼陽離子的質(zhì)譜響應產(chǎn)生抑制，如圖4b 所示。提高源后碰撞能至100 eV，由于羥乙基肼陽離子中的化學鍵相比于銨根離子與乙腈之間的非共價相互作用更為穩(wěn)定，因而可在保證羥乙基肼陽離子結(jié)構(gòu)完整的基礎上，通過碰撞碎裂過程破壞銨根離子與乙腈之間的非共價相互作用，大幅消除其加合峰并減少該加合峰對羥乙基肼陽離子的信號抑制。而當源后碰撞能高于125 eV 時，羥乙基肼陽離子發(fā)生碰撞碎裂并形成碎片離子，雖能通過碎片離子組成提供化合物定性信息，但顯著降低了用于定量分析的羥乙基肼陽離子的響應強度。因此，選擇100 eV 作為羥乙基肼分析時的源后碰撞能。

圖4 SIM 模式下m/z=77 信號峰面積隨源后碰撞能的變化關系圖（a）及掃描模式下源后碰撞能為75 eV 時的質(zhì)譜圖（b）Fig.4 Relationship between peak area of m/z=77（SIM）and post?source collision energy（a）and mass spectrum in scan mode with post?source collision energy of 75 eV（b）

3.2 線性范圍和檢出限

配制濃度分別為0.01、0.02、0.035、0.05、0.075、0.1 μg·mL-1的HEHN 溶液，測定其在SIM 下峰面積與濃度的對應關系，并以濃度倒數(shù)作為權(quán)重因子，做加權(quán)線性回歸分析。所得線性回歸方程為y=291170x+287，相關系數(shù)R2=0.9991，表明所建立的方法在該濃度范圍內(nèi)具有良好的線性響應關系（見圖5）。

圖5 HEHN 峰面積與濃度的加權(quán)線性回歸分析圖Fig.5 Weighted linear regression analysis between peak area and concentration of HEHN

測定低濃度下羥乙基肼陽離子的信噪比，以三倍信噪比下HEHN 的濃度確定其檢出限為1.2 ng·mL-1（進樣量2 μL），表明該方法對HEHN 有很高的檢測靈敏度。

3.3 準確度與精密度

配 制 濃 度 分 別 為0.0250 和0.0900 μg·mL-1的HEHN 溶液，每個樣品平行測定6 次，依據(jù)所確定的線性回歸方程計算其測定濃度和回收率，結(jié)果如表2 所示。兩個濃度下的方法回收率分別為98.1% 和97.7%，表明該方法具有較好的分析準確性；測定結(jié)果的相對標準偏差均不超過1.6%，表明方法具有良好的重復性。

表2 HEHN 溶液樣品濃度測定結(jié)果Table 2 Results of measurement of HEHN concentration

3.4 實際樣品分析

對某液體推進劑樣品中的硝酸羥乙基肼含量進行分析，測定稀釋后樣品溶液（0.400 μg·mL-1）中硝酸羥乙基肼的濃度為（0.0499±0.0012）μg·mL-1（平行測定4 次，結(jié)果如表3 所示），換算得到所分析的液體推進劑樣品中硝酸羥乙基肼的含量為（12.5±0.3）%，與該推進劑中硝酸羥乙基肼的配制含量12.9%相符。

表3 推進劑稀釋樣品的HEHN 濃度測定結(jié)果Table 3 Results of measurement of HEHN concentration in diluted propellant sample μg/mL?1

4 結(jié)論

對基于親水相互作用色譜?質(zhì)譜聯(lián)用的硝酸羥乙基肼分析方法進行了研究，依據(jù)混合組分中硝酸羥乙基肼的分離效果、分析時間和檢測靈敏度，確定了流動相組成；兼顧消除流動相鹽分造成的離子抑制及避免被分析物因碰撞碎裂而導致分析靈敏度下降，優(yōu)化了質(zhì)譜測定條件。在此基礎上，建立了針對于硝酸羥乙基肼的液相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用分析方法。所建立的方法具有良好的準確度和精密度，對兩份硝酸羥乙基肼溶液測定的回收率分別為98.1%和97.7%，相對標準偏差≤1.6%；方法在0.01～0.1 μg·mL-1的樣品濃度范圍表現(xiàn)出良好的線性響應關系，相關系數(shù)R2=0.9991；方法具有很高的檢測靈敏度，對硝酸羥乙基肼的檢出限可低至1.2 ng·mL-1。

該方法適用于含硝酸羥乙基肼的液體推進劑中硝酸羥乙基肼的含量分析。相比于現(xiàn)有肼類化合物分析方法，該方法選擇性好，能夠通過色譜的分離能力和質(zhì)譜的定性能力對不同肼類化合物進行準確區(qū)分；適用的樣品種類廣，可適用于含鹽、含多種肼類化合物或同時含肼類和羥胺類化合物的液體推進劑的分析；樣品前處理過程簡單，無需對其進行萃取、衍生化等復雜的樣品前處理操作；分析速度快，單次分析所需時間不超過7 min。同時，該方法可通過適當?shù)臏y試條件優(yōu)化應用于其他肼類化合物分析中，為液體推進劑中肼類化合物的分析提供了新的手段。