鄭洪巖,趙子龍,劉煜成,高曉慶,牛宇嵐,白宗慶

(1.太原工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與化工系,山西 太原 030008; 2.中北大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,山西 太原 030051;3.中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所 煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030001)

隨著煤炭和石油等不可再生資源消費(fèi)的不斷增加,新能源的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到關(guān)注。生物質(zhì)是唯一可再生碳質(zhì)資源,分布廣泛,儲(chǔ)量豐富?？啡⒖反己?-羥甲基糠醛都是重要的生物質(zhì)基平臺(tái)分子,均可通過(guò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到高附加值的呋喃類衍生物,用作石化產(chǎn)品的替代品或精細(xì)化學(xué)品[1]?？啡┖?-羥甲基糠醛是由木質(zhì)纖維素中的半纖維素、纖維素及其單糖等水解制得,糠醇可由糠醛加氫或5-羥甲基糠醛脫羰獲得[1]。Song等[2]用Hβ分子篩催化半纖維素及木糖制備糠醛,獲得高于85%的糠醛收率。Li等[3]在水-四氫呋喃溶劑中,采用炭化鈮催化纖維素直接轉(zhuǎn)化為5-羥甲基糠醛,收率達(dá)53.3%。Cui等[4]在γ-丁內(nèi)酯(含20%水)中,聯(lián)用Hβ分子篩和Cu/ZnO/Al2O3催化劑,氫氣氣氛下實(shí)現(xiàn)了木糖直接高效轉(zhuǎn)化為糠醇,且γ-丁內(nèi)酯溶劑具有性質(zhì)穩(wěn)定且廉價(jià)易得的特點(diǎn)。Wang等[5]選用γ-丁內(nèi)酯作溶劑,HY分子篩和Pd催化劑上實(shí)現(xiàn)了果糖直接轉(zhuǎn)化制糠醇,收率為41.6%。

色譜分析法可將幾十種甚至上百種性質(zhì)類似的化合物在同一根色譜柱上進(jìn)行分離測(cè)定,具有分離效率高、速度快的優(yōu)勢(shì)[6]。已有學(xué)者建立了5-羥甲基糠醛、糠醛和糠醇的色譜測(cè)定方法,涉及的檢測(cè)體系也較多。劉粲迪等[7]建立了同時(shí)測(cè)定茶葉中糠醛和5-羥甲基糠醛的氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法。劉衛(wèi)義等[8]將清蒸后的稻殼粉碎后,用60%的四無(wú)乙醇進(jìn)行超聲提取再用毛細(xì)管柱氣相色譜定量分析,建立了一種糠醛含量檢測(cè)方法。趙開(kāi)徑等[9]以糠醛經(jīng)催化加氫制備2-甲基呋喃的雜質(zhì)為研究對(duì)象,建立了同時(shí)測(cè)定7種雜質(zhì)含量的氣相色譜分析方法。朱洋等[10]將土壤中的5-羥甲基糠醛和糠醛用甲醇超聲波輔助萃取,過(guò)濾后用乙腈和水進(jìn)行梯度洗脫,建立了同時(shí)測(cè)定土壤中5-羥甲基糠醛和糠醛的方法。劉柳等[11]采用AgilentTC-C18色譜柱(250 mm×4.6 mm×5 μm)、Agilent1200seriesVWD紫外檢測(cè)器,測(cè)定赤砂糖水解產(chǎn)物中的5-羥甲基糠醛。司波等[12]采用Beconsil-C18色譜柱(250 mm×4.6 mm×5 μm),以純水與乙腈為流動(dòng)相,梯度洗脫,二極管陣列檢測(cè)器,流速1.0 mL·min-1、柱溫40 ℃條件下,提出一種測(cè)定白酒中5-羥甲基糠醛含量的高效液相色譜檢測(cè)方法。

然而已有研究體系與生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制備呋喃化合物體系組分差別較大,且未見(jiàn)同時(shí)測(cè)定糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的分析方法。為給木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化制備呋喃化合物的研究及工業(yè)化推廣提供有效、易操作的產(chǎn)物定量方法,本研究針對(duì)木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中的呋喃化合物,分別建立了氣相色譜內(nèi)標(biāo)法和液相色譜外標(biāo)法,并對(duì)相關(guān)檢測(cè)條件進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GC-950型氣相色譜儀,上海海欣色譜儀器有限公司;LC-20A型高效液相色譜儀,島津制作所?？啡?、糠醇、5-羥甲基糠醛、正丁醇、γ-丁內(nèi)酯和硫酸,均為分析純,阿拉丁試劑有限公司;超純水。

1.2 色譜分析方法

1) 樣品預(yù)處理。將3個(gè)不同條件下獲得的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液在高速離心機(jī)中離心5 min,取上層清液,使用有機(jī)系微孔濾膜過(guò)濾兩次,得到不含固體雜質(zhì)的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液,分別標(biāo)記為1#、2#和3#樣品。

2) 氣相色譜條件。HP-InnoWax(30 m×0.32 mm×0.5 μm)毛細(xì)管色譜柱,火焰離子化檢測(cè)器(flame ionization detector,FID)。進(jìn)樣口溫度和檢測(cè)器溫度均為250 ℃,載氣為N2,流速1 mL·min-1,手動(dòng)進(jìn)樣,每次進(jìn)樣量0.5 μL,分流比100∶1,初始柱溫為150 ℃,程序升溫分析。

3) 高效液相色譜條件。ShodexSH-1821(300 mm×8 mm×6 μm)色譜柱,示差折光檢測(cè)器。檢測(cè)器池溫度為50 ℃,流動(dòng)相為pH=2的稀硫酸,自動(dòng)進(jìn)樣,每次進(jìn)樣量0.5 μL。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置

分別稱取糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛標(biāo)準(zhǔn)品于容量瓶中,用γ-丁內(nèi)酯溶劑定容為質(zhì)量濃度15.0 mg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。用γ-丁內(nèi)酯逐級(jí)稀釋至質(zhì)量濃度為12.5、10.0、7.5和5.0 mg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣相色譜法分析呋喃化合物

2.1.1 氣相色譜條件的選擇

糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛均為極性化合物,故選取強(qiáng)極性的HP-InnoWax毛細(xì)管色譜柱作為分析柱。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛在HP-InnoWax色譜柱上可以實(shí)現(xiàn)很好的分離。由于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有氣相色譜儀只能采用手動(dòng)進(jìn)樣,為減小進(jìn)樣誤差對(duì)分析結(jié)果的影響,采用氣相色譜內(nèi)標(biāo)法。木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液樣品中沒(méi)有正丁醇,正丁醇能夠完全溶于其中且不與其他組分發(fā)生反應(yīng),同時(shí)與樣品中各組分的色譜峰也能完全分離,因此本工作選用正丁醇做內(nèi)標(biāo)物。

程序升溫可以改善樣品的分離度,根據(jù)呋喃類化合物的性質(zhì),將升溫程序設(shè)定為起始溫度為150 ℃,保持2 min,以10 ℃·min-1速率升溫至210 ℃,保持20 min。此分析條件下,內(nèi)標(biāo)物正丁醇、糠醛、糠醇、溶劑γ-丁內(nèi)酯和5-羥甲基糠醛均可實(shí)現(xiàn)很好地分離(圖1(a))。5-羥甲基糠醛出峰較晚,保留時(shí)間30.7 min。為縮短分析時(shí)間,設(shè)置了不同終溫進(jìn)行考察,發(fā)現(xiàn)將分析終溫提高至220 ℃(圖1(b))、230 ℃(圖1 (c))時(shí),5-羥甲基糠醛的保留時(shí)間分別縮短為19.5和17.5 min,且各組分分離度良好。柱溫的選擇不僅影響各組分的分離度,也會(huì)影響各組分在色譜柱內(nèi)的保留時(shí)間。柱溫升高,流動(dòng)相與固定相之間的傳質(zhì)速率增加,導(dǎo)致出峰加快,保留時(shí)間變小,同時(shí)也會(huì)使各組分的分配吸收變小,分離度減小。柱溫的選擇需要兼顧保留時(shí)間和分離效能,同時(shí)過(guò)高的柱溫會(huì)影響色譜柱固定相的壽命,因此后續(xù)研究中氣相色譜分析終溫設(shè)為230 ℃。

圖1 終溫對(duì)樣品分離的影響

2.1.2 氣相色譜線性方程和線性相關(guān)性

在不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液中滴加適量?jī)?nèi)標(biāo)物正丁醇,進(jìn)行氣相色譜分析,以各呋喃化合物與內(nèi)標(biāo)物濃度之比為橫坐標(biāo),各呋喃化合物與內(nèi)標(biāo)物的峰面積之比為縱坐標(biāo)作散點(diǎn)圖,線性擬合后得到線性方程(表1)。由表1可見(jiàn),糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.999,表明各個(gè)組分在配制濃度范圍內(nèi)的線性關(guān)系良好[13]。

表1 氣相色譜線性方程和線性相關(guān)系數(shù)

2.1.3 方法檢出限

由于儀器分析過(guò)程都會(huì)有背景噪音,測(cè)量檢出限常用的方法是利用已知低濃度的分析物樣品與空白樣品的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較,確定能夠可靠檢出的最小濃度。取標(biāo)準(zhǔn)溶液,配制適當(dāng)濃度的工作溶液,分別進(jìn)行氣相色譜分析。按照信噪比(S/N)為3時(shí)所對(duì)應(yīng)的溶液濃度,作為方法的檢出限[14]。經(jīng)檢測(cè)分析,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的檢出限分別為0.2、0.2和0.6 μg·mL-1。

2.1.4 回收率與精密度

以同一個(gè)木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液樣品作為基質(zhì),分別加入3個(gè)不同水平(5.0、10.0、15.0 mg·mL-1)的混合標(biāo)樣。每個(gè)添加量在相同條件下重復(fù)測(cè)定5次,計(jì)算平均值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的回收率在95.6%～102.0%,各化合物的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation,RSD)不超過(guò)1.70%,說(shuō)明平行測(cè)定5次的結(jié)果誤差較小[9],所建分析方法的準(zhǔn)確度高,能夠滿足測(cè)定需求。

表2 氣相色譜分析呋喃化合物的回收率

分別取1#～3#木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液樣品,加入內(nèi)標(biāo)物,在選定的色譜條件下進(jìn)行測(cè)定,對(duì)同一樣品溶液連續(xù)進(jìn)樣5次,得到糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的平均濃度,并計(jì)算其精密度。由表3可知,RSD不大于1.30%,明顯優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“實(shí)驗(yàn)室氣相色譜儀”( GB/T 30431—2020)中規(guī)定儀器的定量重復(fù)性應(yīng)不大于3%的要求,表明該方法精密度良好[9]。

表3 氣相色譜分析呋喃化合物的精密度

2.2 高效液相色譜法分析呋喃化合物

2.2.1 高效液相色譜條件的選擇

選用ShodexSH-1821色譜柱對(duì)木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中的糠醛、5-羥甲基糠醛和糠醇進(jìn)行分析?？疾炝酥鶞睾土鲃?dòng)相流速對(duì)呋喃類化合物分析效果的影響。流速為0.6 mL/min時(shí),分別在50、55和60 ℃柱溫下測(cè)試,各組分都能很好的分離(圖2)。隨著柱溫的升高,各組分保留時(shí)間縮短,糠醛保留時(shí)間由50 ℃下的43.7 min縮短為60 ℃下的39.0 min,這是因?yàn)橹鶞厣呒铀倭舜郎y(cè)組分與色譜柱固定相的傳質(zhì)和分離速度,使得組分更快地流出色譜柱。因此后續(xù)工作的柱溫選用分析時(shí)間最短的60 ℃,并在此條件下分別考察了流動(dòng)相流速為0.6、0.8和1.0 mL·min-1時(shí)的產(chǎn)物分離度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在3個(gè)流速下,混合樣品中各物質(zhì)分離度良好,隨著流速提高,分析時(shí)間縮短,糠醛的保留時(shí)間由0.6 mL·min-1時(shí)的39.0 min降低到1.0 mL·min-1時(shí)的23.5 min,顯著提高了分離效率(圖3)。綜合考慮各組分分離效果和提高分析效率,后續(xù)分析選用流速1.0 mL·min-1。

圖2 柱溫對(duì)樣品分離的影響

圖3 流速對(duì)樣品分離的影響

2.2.2 高效液相色譜線性方程和線性相關(guān)性

對(duì)配制的不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液按照上述優(yōu)化條件進(jìn)行液相色譜分析,以各物質(zhì)的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),峰面積為縱坐標(biāo)作散點(diǎn)圖,線性擬合后得到線性方程。從表4結(jié)果可見(jiàn),糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.999,說(shuō)明各個(gè)組分在配制濃度范圍內(nèi)的線性關(guān)系良好[11-12]。

表4 液相色譜線性方程和相關(guān)系數(shù)

2.2.3 方法檢出限

與氣相色譜法相同,液相色譜法測(cè)量檢出限常用的方法也是利用已知低濃度的分析物樣品與空白樣品的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行比較。取標(biāo)準(zhǔn)溶液,配制適當(dāng)濃度的工作溶液,分別進(jìn)行高效液相色譜分析,結(jié)果顯示,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛在液相色譜上的檢出限分別為2.0、5.0和3.0 μg·mL-1。

2.2.4 回收率與精密度

與氣相色譜儀測(cè)定回收率方法相同,將2.1.4所用的同一組樣品,在選定的液相色譜條件下進(jìn)行測(cè)定,重復(fù)測(cè)定5次,計(jì)算平均值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn),糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的液相色譜法回收率在97.5%～101.9%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于0.71%,糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均滿足實(shí)驗(yàn)的要求[15]。

表5 高效液相色譜分析呋喃化合物的回收率

取1#～3#木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液樣品,在選定的液相色譜條件下進(jìn)行測(cè)定,并計(jì)算糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的精密度。由表6可知,RSD不大于0.66%,優(yōu)于高效液相色譜儀的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 26792—2019)中規(guī)定定量測(cè)量重復(fù)性應(yīng)不大于3.0%的要求,表明選定條件下,液相色譜測(cè)定糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的精密度良好。

表6 高效液相色譜分析呋喃化合物的精密度

2.3 兩種分析方法的比較

從上述兩種分析方法的結(jié)果看,在一定濃度范圍內(nèi)兩種方法的測(cè)定結(jié)果均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。從兩種方法的樣品檢出限結(jié)果可知,氣相色譜法能夠檢測(cè)到的呋喃化合物最小濃度更低,說(shuō)明氣相色譜法對(duì)呋喃化合物的檢測(cè)更靈敏,更適合于木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化呋喃產(chǎn)物濃度較低的情況。這是由于氣相色譜的FID檢測(cè)器比液相色譜的示差折光檢測(cè)器具有更好的靈敏度。對(duì)比表3和表6兩種方法測(cè)定的1#～3#樣品中糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛平均濃度,可見(jiàn)3個(gè)木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液樣品分別采用氣相色譜內(nèi)標(biāo)法和高效液相色譜外標(biāo)法分析得到的各組分含量基本一致,且兩種方法精密度都優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)木質(zhì)纖維素水解液中的糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的精確定量分析。另外,從進(jìn)樣方式角度,氣相色譜內(nèi)標(biāo)法采用的是待測(cè)組分峰面積與內(nèi)標(biāo)物峰面積的比值來(lái)計(jì)算待測(cè)組分含量,可以有效規(guī)避每次手動(dòng)進(jìn)樣量不同帶來(lái)的誤差,對(duì)于無(wú)法配備自動(dòng)進(jìn)樣器的氣相色譜分析方法更有利。

3 結(jié)論

分別建立了氣相色譜內(nèi)標(biāo)法和高效液相色譜外標(biāo)法,測(cè)定木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化液中糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的含量。氣相色譜法以正丁醇為內(nèi)標(biāo)物,在選用的質(zhì)量濃度范圍內(nèi),糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.999;糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的檢出限分別為0.2、0.2和0.6 μg·mL-1;相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.10%～1.70%;加標(biāo)回收率95.6%～102.0%,精密度與準(zhǔn)確度較高。高效液相色譜分析方法采用外標(biāo)法對(duì)糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的含量進(jìn)行測(cè)定,在考察的質(zhì)量濃度范圍內(nèi),糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛線性方程的相關(guān)系數(shù)均大于0.999;糠醛、糠醇和5-羥甲基糠醛的檢出限分別為2.0、5.0和3.0 μg·mL-1;相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.14%～0.71%;加標(biāo)回收率97.5%～101.9%,滿足實(shí)際樣品測(cè)定需求。通過(guò)對(duì)實(shí)際樣品的檢測(cè)分析,兩種方法檢測(cè)結(jié)果基本一致。氣相色譜內(nèi)標(biāo)法可以有效規(guī)避手動(dòng)進(jìn)樣帶來(lái)的誤差,對(duì)于不具備自動(dòng)進(jìn)樣配置色譜儀的實(shí)驗(yàn)室,可提供切實(shí)可行的產(chǎn)品分析思路,有助于項(xiàng)目的快速開(kāi)展。研究結(jié)果可為開(kāi)展生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分析測(cè)定提供借鑒,研究人員可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際具備的儀器設(shè)備條件,靈活選用分析方法。