趙允穎, 陳 軍, 陳 芳, 曹端林, 王建龍

(1. 中北大學化工與環(huán)境學院, 山西 太原 030051; 2. 湖北東方化工有限公司, 湖北 襄陽 441404)

1 引 言

六硝基茋(Hexanitrostilbene,HNS)是一種熱安定性良好的耐熱炸藥和感度性能優(yōu)良的鈍感炸藥,在宇航飛行器、空間技術(shù)、石油深井射孔作業(yè)及作為TNT熔鑄炸藥的添加劑等方面均有廣泛的應用[1-3]。對HNS的研究始于1964年[4],半個世紀以來,廣大科研工作者對其合成工藝、晶體結(jié)構(gòu)及形貌控制、熱行為以及生產(chǎn)廢水的處理方面都進行了大量的研究[5-9],但對于HNS質(zhì)量分析方法的研究甚少,分析其原因是HNS吸收光譜的非特性和在大多數(shù)溶劑中的相對不溶解性,所以光譜法及一般的分析方法無法解決HNS的純度測定問題。對HNS合成工藝分析可知,HNS產(chǎn)品中除主要成分HNS外,可能存在少量的雜質(zhì)HNBB。因此,本研究旨在分析HNS產(chǎn)品中以上兩者的含量。

曾有文獻采用高效液相色譜法(HPLC)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)和液相色譜-電噴霧離子肼質(zhì)譜聯(lián)用(LC-ESI-MS)方法分析HNS[10-13],但是文獻陳舊、分離度低、流動相系統(tǒng)復雜。本研究提供了一種可靠的分析方法——反相高效液相色譜法(RP-HPLC)對HNS進行定量分析,同時可以測定HNS粗品中可能存在的主要雜質(zhì)HNBB的含量,為HNS產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

P230型高效液相色譜儀系統(tǒng)(大連伊利特分析儀器有限公司),包括P230高壓恒流泵、LU230低壓梯度混合器,UV230紫外-可見檢測器,配有Hypersil ODS2色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm),采用EC2000色譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作站。超純水儀(重慶阿修羅科技發(fā)展有限公司),超聲儀(鄭州生元儀器有限公司),分析天平(梅特勒—托利多儀器有限公司)。

乙腈(色譜純,美國TEDIA試劑公司),超純水(自制),所有試劑均經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾并超聲后使用。HNS、HNBB標準品(自制),經(jīng)熔點測定法、高效液相色譜法和紅外光譜法檢測均滿足色譜分析的要求。

2.2 標準溶液的配制

HNS標準溶液的配制: 精確稱取HNS標準品0.0050 g,加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中,得到100 mg·L-1的HNS儲備液,震蕩、超聲使之溶解,于4 ℃下避光保存?zhèn)溆?。實驗時,將儲備液用乙腈逐級稀釋,配制成5，10，20，50，100 mg·L-1的系列標準溶液。

HNBB標準溶液的配制: 精確稱取HNS標準品0.0025 g,加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中,得到50 mg·L-1的HNBB儲備液,震蕩、超聲使之溶解,于4 ℃下避光保存?zhèn)溆谩嶒灂r,將儲備液用乙腈逐級稀釋,配制成2，5，10，20，50 mg·L-1的系列標準溶液。

2.3 色譜條件

色譜柱: Hypersil ODS2色譜柱(250 mm×4.6 mm,5 μm); 流動相: 采用二元流動相體系,A相為乙腈,B相為水,兩者體積比為56∶44; 流動相流速0.7 mL·min-1; 檢測波長226 nm; 柱溫25 ℃; 進樣量10 μL。

3 結(jié)果與討論

3.1 色譜條件的建立

(1)檢測波長的確定

以乙腈作溶劑,配制質(zhì)量濃度約為5 mg·L-1的HNS和HNBB的乙腈溶液。由于乙腈的截止波長為190 nm,為防止溶劑對分析結(jié)果造成干擾,掃描波長范圍設(shè)置為200～500 nm。用紫外-可見分光光度計下分別對HNS和HNBB溶液進行掃描,以確定兩者的最大吸收波長,其紫外掃描圖如圖1所示。由圖1可以讀出,HNS和HNBB的最大吸收波長分別為226,227 nm。可見在226 nm波長處,兩者均有較強的紫外吸收響應,基質(zhì)干擾較少,滿足殘留檢測的要求。因此,選擇226 nm為檢測波長。

圖1 HNS和HNBB的紫外光譜

Fig.1 UV spectra of hexanitrostilbene (HNS) and hexanitrobibenzyl (HNBB)

(2)流動相的選擇

對于反相高效液相色譜法,常用的有機溶劑為甲醇和乙腈。由于樣品溶劑為乙腈,選用乙腈作為流動相的有機相可以有效避免溶劑對分析造成干擾[14]。實驗分別對不同比例的流動相進行考察,使乙腈體積分數(shù)分別為30%，40%，50%，60%和70%(以下均使用體積分數(shù))。不同流動相比例下HNS樣品的高效液相色譜圖如表2所示。由圖2可見,當乙腈<50%時( 圖2a),在60 min測定時間內(nèi)不出峰,無法洗脫; 當乙腈≥60%時(圖2b,2c),HNS和HNBB的兩峰相連,無法分離。隨后對流動相比例進行微調(diào),使乙腈分別為52%，54%，56%和58%，結(jié)果表明,隨乙腈體積分數(shù)增大,流動相體系極性減小,洗脫能力增強,因此各組分保留時間縮短。其中以乙腈為56%時(圖2d),峰形及峰展良好,可實現(xiàn)基線分離,多次試驗分離度均大于3,且分析時間在20 min以內(nèi),滿足分析要求。由于HNS極性強于HNBB,根據(jù)“相似相溶”原理,HNS更易存在于溶劑中, HNBB則更易吸附在固定相上。因此,HNS、 HNBB依次出峰,均可排除基質(zhì)對目標峰的干擾作用。

a. acetonitrile∶water=40∶60

b. acetonitrile∶water=60∶40

c. acetonitrile∶water=70∶30

d. acetonitrile∶water=56∶44

圖2 不同流動相比例下HNS樣品的高效液相色譜圖

Fig.2 High performance liquid chromatography (HPLC) chromatogram of HNS under different proportions of mobile phase

(3)流動相流速的確定

實驗考察了流動相流速分別為1.0，0.8，0.6, 0.4 mL·min-1時的分離效果,1.0, 0.4 mL·min-1流速下的色譜圖如圖3所示(其他流速下的色譜圖與此類似)。結(jié)果表明,隨著流動相流速的減小,分離度及靈敏度提高,但各組分保留時間延長,色譜峰變寬,峰形變差。而對于以上各流速,均可以達到基線分離,滿足分析要求。由結(jié)果可知,0.6 mL·min-1為較適宜流動相流速。隨后進一步考察流動相流速為0.5, 0.7 mL·min-1時的分離效果。綜合考慮分離度、峰形、峰展和保留時間等因素,選擇0.7 mL·min-1為最佳流動相流速。

a. 0.4 mL·min-1

b. 1.0 mL·min-1

圖3 不同流動相流速下HNS樣品的高效液相色譜圖

Fig.3 HPLC chromatogram of HNS under different flow rates of mobile phase

(4)柱溫及進樣量的確定

有研究表明,柱溫對色譜分析的分離度和柱效有一定的影響,并且精確控制柱溫有利于保留時間的再現(xiàn)[15]。實驗考察了柱溫分別為20，25，30，40，50 ℃時的分離效果,25 ℃柱溫下的色譜圖如圖4所示(其他柱溫下的色譜圖與此類似)。結(jié)果表明,隨著柱溫的升高,各種組分保留時間縮短,但分離度降低,并且柱溫過高會降低色譜柱的使用壽命。綜合以上因素,同時為了方便操作,選擇25 ℃為最佳柱溫。

圖4 25 ℃柱溫下HNS樣品的高效液相色譜圖

Fig.4 HPLC chromatogram of HNS at 25 ℃ column temperatures

實驗還對不同進樣量對分離效果的影響進行了考察,使進樣量分別為20，15，10，5 μL。結(jié)果表明,當進樣量為10 μL,既可以滿足分離要求,又可以達到較高的靈敏度。

在檢測波長226 nm、流動相乙腈∶水=56∶44、流動相流速0.7 mL·min-1、柱溫25 ℃和進樣量10 μL的色譜條件下,對標準混合溶液進行檢測,結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出,HNS和HNBB能夠良好地檢出和分離。

圖5 標準混合溶液的高效液相色譜圖

Fig.5 HPLC chromatogram of the mixture of HNS and HNBB standards

3.2 方法學考察

(1)線性范圍、檢出限和定量限

在2.3節(jié)的色譜條件下,將配制好的每個濃度水平的HNS和HNBB標準品溶液平行進樣3次,為避免干擾,從低濃度到高濃度依次進樣。以3次進樣得到的峰面積(mV)的平均值為縱坐標,各標準品的質(zhì)量濃度(mg·L-1)為橫坐標進行線性回歸,建立標準曲線。將5 mg·L-1的HNS標準溶液和2 mg·L-1的HNBB標準溶液逐步稀釋,分別進行分析,直至響應值為儀器基線噪聲的三倍,即信噪比S/N=3確定為檢出限,以十倍信噪比(S/N=10)確定定量限。HNS和HNBB的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍以及檢出限、定量限見表1。表1結(jié)果表明,在選定的濃度范圍內(nèi),所有目標物的質(zhì)量濃度與峰面積的線性關(guān)系良好,線性相關(guān)系數(shù)均大于0.999,說明該方法具有良好的線性相關(guān)性; 檢出限與定量限較低,說明該方法靈敏度較高,滿足分析要求。

表1 HNS和HNBB的線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限和定量限

Table 1 Regression equation,linear range,correlation coefficient(r),detection limit(LOD) and quantification limit(LOQ) for HNS and HNBB

compoundregressionequationrlinearrange／mg·Ｌ－1ＬＯＤ／mg·Ｌ－1ＬＯＱ／mg·Ｌ－1ＨＮＳy＝87．01085x－408．019610．999745～1000．602．00ＨＮＢＢy＝79．72865x＋8．623540．999662～500．311．02

(2)準確度和精密度

在2.3節(jié)的色譜條件下進行加標回收試驗,添加水平分別為樣品中含量的80%、100%和120%,每個添加水平進樣3次,用外標法計算平均回收率及精密度。HNS、HNBB的加標回收率和相對標準偏差(RSD)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可見,HNS、HNBB的回收率為99.60%～100.39%,因此,該方法的回收率較好; RSD均不高于2.07%,因此,該方法的精密度良好。

表2 HNS、HNBB的加標回收率和相對標準偏差

Table 2 Spiked recovery and relative standard deviation(RSD) for HNS and HNBB

compoundconcentration／mg·Ｌ－1backgroundaddeddetectedspikedrecovery／％ＲＳＤ／％ＨＮＳ403271．9799．911．724079．7999．741．914888．34100．392．07ＨＮＢＢ403272．10100．141．854079．8499．601．634887．8299．801．90

Note: RSD is relative standard deviation.

(3)穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

取一份樣品溶液,一天內(nèi)每間隔3 h進樣一次,重復3次,測定日內(nèi)精密度; 連續(xù)3天,每天進樣一次,測定日間精密度。結(jié)果表明,日內(nèi)及日間精密度范圍為0.54%～1.02%,該方法的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性良好。

4 結(jié) 論

探索了流動相、流速、檢測波長和柱溫對HNS的分析效果的影響,建立了一種HNS的反相高效液相色譜分析方法,優(yōu)化后的色譜條件為: 以乙腈和水為流動相,比例為56∶44,流速為0.7 mL·min-1,采用紫外-可見檢測器,檢測波長226 nm,柱溫25 ℃,進樣量10 μL。實驗結(jié)果表明,該法分離度可達3以上,HNS和HNBB能夠良好地分離和分析。

通過對方法線性關(guān)系、檢出限、定量限、回收率和精密度的考察,表明該方法簡單、有效,可在20 min內(nèi)完成HNS的快速分析,同時具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性,為HNS產(chǎn)品提供了簡便實用的定性及定量分析手段。

參考文獻:

[1] Balwant Singh, Malhotra R K. Hexanitrostilbene and its properties[J].TerminalBallisticsResearchLaboratory,1983, 33(2): 165-176.

[2] 惠君明. 六硝基茋炸藥及其應用[J]. 爆破器材, 1990, 4(2): 9-12.

HUI Jun-ming. Hexanitrostilbene(HNS) and its application[J].DemolitionEquipmentsandMaterials, 1990, 4(2): 9-12.

[3] 雷波, 史春紅. 六硝基茋純化工藝研究[J]. 火工品,2007,4(4): 13-16.

LEI Bo, SHI Chun-hong. Study on the purification process of HNS[J].Initiators&Pyrotechnics, 2007, 4(4): 13-16.

[4] Shipp K G. The Hexanitrostilbene: US3505413[P]. 1964-5-5.

[5] Shipp K G. Hexanitrostilbene[J].JOrgChem, 1964, 29(9): 2620-2623.

[6] 陸明, 呂春緒, 惠君明. 提高六硝基茋得率的研究[J]. 含能材料, 1998, 6(2): 78-81.

LU Ming, Lü Chun-xu, HUI Jun-ming. A study on yield increase in hexanitro-stilbene (HNS) synthesis[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),1998, 6(2): 78-81.

[7] 周建華,池鈺,王新鋒,等. 超細六硝基茋的熱分解性能[J]. 火炸藥學報, 2006, 29(6): 38-40.

ZHOU Jian-hua, CHI Yu, WANG Xin-feng, et al. Thermal decomposition property of superfine hexanitrostilbene (HNS-Ⅳ)[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants,2006, 29(6): 38-40.

[8] 尚雁,葉志虎,王友兵,等. HNS-Ⅳ的制備及粒徑、形貌控制[J]. 含能材料,2011,19(3): 299-304.

SHANG Yan, YE Zhi-hu, WANG You-bing, et al. Preparation particle size and crystal control of HNS-Ⅳ[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),2011,19(3): 299-304.

[9] LIU Guo-hua, YE Zheng-fang, LI Hao-yang, et al. Biological treatment of hexanitrostilbene (HNS) produced wastewater using an anaerobic-aerobic immobilized microbial system[J].ChemicalEngineeringJournal, 2012, 213: 118-124.

[10] 李佩芳,徐艷. 高效液相色譜法分析六硝基茋(HNS)[J]. 色譜,1993,11(3): 180-182.

LI Pei-fang, XU Yan. Analysis of HNS (2,2′,4,4′,6,6′-hexanitrostilbene) by high performance liquid chromatography[J].ChineseJournalofChromatography,1993,11(3): 180-182.

[11] Schaffer C L. Assay of HNS by liquid chromatography with the use of an internal standard[R]. MHSMP-81-07, 1981.

[12] Garofolo F, Longo A, Migliozzi V, et al. Quantitative analysis of thermostable explosive compounds by combined liquid chromatography/tandem mass spectrometry[J].RipidCommunicationinMassSpectrometry, 1996,10(10): 1273-1277.

[13] 付曉芳, 張勇, 施沈華, 等. 六硝基茋炸藥的LC-ESI-MS分析[C]∥第十五次全國色譜學術(shù)報告會文集(下冊). 2005: 541-542.

FU Xiao-fang,ZHANG Yong,SHI Shen-hua,et al. Analysis of hexanitrostilbene by LC-ESI-MS[C]∥. The 15thnational chromatographic academic report collection (Volume Ⅱ) . 2005: 541-542.

[14] 孫毓慶, 胡育筑. 液相色譜溶劑系統(tǒng)的選擇與優(yōu)化[M]. 第一版. 北京: 化學工業(yè)出版社,2008: 147-170.

SUN Yu-qing, HU Yu-zhu. Selection and optimization of high performance liquid chromatography solvent system [M]. Beijing: Chemical Industry Press,2008: 147-170.

[15] 于世林. 高效液相色譜方法及應用[M]. 第二版. 北京: 化學工業(yè)出版社,2005: 31.

YU Shi-lin. High performance liquid chromatography methods and applications [M]. 2ndedition. Beijing: Chemical industry press,2005: 31.