陳 玲，趙穎彬，馮志強，張 勇，蔣麗春

（1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999； 2.中物院含能材料測試評價中心，四川 綿陽 621999）

0 引 言

2，6-二氨基-3，5-二硝基-1-氧吡嗪（ANPZO）是美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室（LLNL）1994 年報道的一種高能低感耐熱單質(zhì)炸藥［1-5］，能量比三氨基三硝基苯（TATB）高25%，爆熱約為奧克托今（HMX）的85%，爆速達8560 m·s-1，熱安定性與TATB 接近（差示掃描量熱放熱峰值354 ℃），有望代替TATB 用于戰(zhàn)略武器及其它特殊用途的武器，如作為傳爆藥或主裝藥用于戰(zhàn)略武器和有抗過載能力要求的鉆地武器。

國際相關(guān)學者對ANPZO 炸藥有極大的興趣。1997 年，Pagorig P E 等［6-8］報 道 了ANPZO 的 合 成 方法，總收率36%，但存在硝化溫度過高、易冒料，工藝難以放大等缺點。為了克服這些缺點，Tran T D 等［9］改進了合成工藝，相應的配方研制與定型工作在2003年就已納入美國能源部重點研究計劃。德國和英國也相繼開展了該化合物的合成與應用研究。但目前國外對ANPZO 的研究工作主要集中在改進合成途徑、降低成本、工藝放大以及進一步評價其性能并進行配方驗證等［6-12］。

我國于2004 年首次合成了鈍感含能材料ANPZO［13-14］，是以2，6-二氯吡嗪為原料，經(jīng)過取代、硝化、氨化、氧化4 步反應合成，經(jīng)元素分析、紅外光譜、質(zhì)譜、核磁共振對合成產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)表征，確認為目標產(chǎn)物，總產(chǎn)率大于36%。隨后，國內(nèi)科研工作者對ANPZO 進行了大量的研究，如不同形貌晶體制備［15-16］，放大制備［17-18］，幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化、自然鍵軌道分析、振動光譜分析以及成鍵軌道分析［19-20］，性能表征［21-24］等，但是未見ANPZO 含量分析方法的文獻報道，這不利于ANPZO 的質(zhì)量控制，也影響到ANPZO在鈍感傳爆藥、超高溫石油射孔彈等領(lǐng)域的應用研究，因此建立ANPZO 定量分析方法非常必要。

本研究通過流動相、洗脫程序、檢測波長等較系統(tǒng)的實驗條件研究建立了ANPZO 含量分析方法，同時可以測定ANPZO 中可能存在的主要雜質(zhì)ANPZ 的含量，為ANPZO 單質(zhì)炸藥的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

甲醇（MeOH，色譜純），三氟乙酸（TFA，色譜純），二甲基甲酰胺（DMF，分析純），一級水（純水機制備），2，6-二甲氧基吡嗪（DMP，自制）、2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪（DMDNP，自制）、2，6-二氨基-3，5-二硝基吡嗪（ANPZ，自制），ANPZO 參比樣（批號ANPZO（B）-20001，ANPZO（B）-20004，ANPZO（B）-20005，ANPZO（B）-30000，純度≥99.5%），ANPZO 試樣（化工材料研究所、575 廠或805 廠提供）。

0.1%三氟乙酸溶液（0.1%TFA）：取1 mL 三氟乙酸，用一級水定容至1000 mL，用0.45 μm 有機相濾膜過濾，超聲脫氣10 min 后密封保存。

高效液相色譜儀，包括G1311C 四元梯度泵，G1316A 恒溫柱溫箱，G1315D 二極管陣列檢測器，G1329B 自動進樣器，B.04.05 版化學工作站；分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司，分辨力0.01 mg）；THERMO 7148 型超純水機；超聲波預處理器（德國Elmasonic 公司）；0.45 μm 過濾膜（有機相）；50 mL 單標線容量瓶（A 級）。

1.2 試液的制備

1.2.1 標準溶液的配制

選取編號為ANPZO（B）-30000 的參比樣，分別稱取5.00，10.00，15.00，20.00，25.00，30.00 mg（精確至0.01 mg）于50 mL 容量瓶中，加入二甲基甲酰胺溶劑至容量瓶最高標線以下約2 cm 處。采用超聲波振蕩器輔助溶解不少于30 min，冷卻至室溫后定容，得到不同質(zhì)量濃度的系列標準溶液。用0.45 μm 有機相濾膜過濾出至少5 mL 試液備用。

1.2.2 試樣溶液的配制

稱取20.00 mg ANPZO 試樣（精確至0.01 mg）于50 mL 容量瓶中，加入二甲基甲酰胺溶劑至容量瓶最高標線以下約2 cm 處。采用超聲波振蕩器輔助溶解不少于30 min，冷卻至室溫后定容。用0.45 μm 有機相濾膜過濾出至少5 mL 試液備用。

1.3 色譜條件優(yōu)化

1.3.1 色譜條件

C18色 譜 柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱 溫30 ℃；進樣體積5 μL；流速1.0 mL·min-1；檢測波長425 nm；流動相為MeOH-0.1%TFA，采用梯度洗脫，洗脫程序?qū)⒈?。

表1 ANPZO 含量分析的梯度洗脫程序Table 1 Gradient elution parameter used for ANPZO content analysis

1.3.2 流動相系統(tǒng)考察

依次考察下列流動相洗脫對ANPZO 試樣溶液的分離效果。（1）甲醇-水；（2）甲醇-0.1%三氟乙酸溶液；（3）甲 醇-0.5% 三 氟 乙 酸 溶 液；（4）乙 腈-水；（5）乙腈-0.1% 三 氟 乙 酸 溶 液；（6）乙 腈-0.5% 三 氟 乙 酸溶液。

1.3.3 洗脫程序選擇

在其他色譜條件不變的情況下，考察等度洗脫程序（甲醇與0.1%三氟乙酸溶液的體積比為5：95）與梯度洗脫程序（表1）對ANPZO 試樣溶液中ANPZO 與雜質(zhì)分離效果的影響。

1.3.4 檢測波長確定

對ANPZO 試樣溶液進行全波長掃描，根據(jù)全波段紫外吸收光譜圖結(jié)合吸光度值選擇最佳檢測波長。

1.3.5 定量方法確定

采用1.3.1 推薦的液相色譜條件進樣測試1.2.1 配置的不同質(zhì)量濃度的標準溶液，記錄色譜圖以及目標峰的峰面積。以標準溶液的質(zhì)量濃度與目標峰峰面積作圖，得到標準工作曲線（多點校正）。同時，選取0.4 mg·mL-1的標準溶液，以通過零點的方式確定一條質(zhì)量濃度與目標峰峰面積的線性工作曲線（單點校正）。將編號為ANPZO（B）-20001、ANPZO（B）-20004、ANPZO（B）-20005 的ANPZO 參比樣當成未知試樣，按照1.2.2 的方法分別配置6 份試樣溶液，用0.45 μm有機相濾膜過濾后采用1.3.1 推薦的液相色譜條件進樣測試，記錄目標峰的峰面積。分別以多點校正工作曲線和單點校正工作曲線計算未知試樣中ANPZO 含量，考察單點校正和多點校正對定量分析準確性的影響。

1.4 方法學考察

1.4.1 線性

根據(jù)試樣溶液濃度將標準曲線的范圍設置為0.1～0.6 mg·mL-1。將1.2.1 配置的系列標準溶液按照1.3.1 推薦的液相色譜分離條件進樣測試，記錄色譜圖和目標峰的峰面積，以質(zhì)量濃度為橫坐標，目標峰峰面積為縱坐標繪制曲線圖，得出回歸方程，考察方法的線性。

1.4.2 檢測限和定量限

將0.4 mg·mL-1的ANPZO 標準溶液逐步稀釋，用0.45 μm 有機相濾膜過濾后進樣測試，分別用3 倍和10 倍信號（S）與噪音（N）比表征ANPZO 的檢測限和定量限。

1.4.3 精密度試驗

選 取0.4 mg·mL-1的ANPZO 標 準 溶 液，采 用1.3.1 推薦的液相色譜條件重復進樣18 次，記錄色譜圖和目標峰的峰面積，計算ANPZO 含量。按照公式（1）計算相對標準偏差（RSD），以RSD 評估分析結(jié)果的精密度。

式中，n為測量次數(shù)；xi為測定值；x?為平均值。

1.4.4 重復性試驗

按1.2.2 試樣溶液配制步驟平行稱取ANPZO 試樣8 份配置成試樣溶液，分別命名為ANPZO-①～ANPZO-⑧，采用1.3.1 推薦的液相色譜條件進行分離，記錄色譜圖以及目標峰的峰面積，計算ANPZO含量。

1.5 方法應用

以單點校正峰面積定量測定多批不同合成路線、不同精制階段的ANPZO 試樣中ANPZO 含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 液相色譜條件的建立

2.1.1 流動相的選擇

流動相組成與配比是影響分離效果的一個重要因素［25-26］。水是極性最強的溶劑，向其中加入不同濃度的有機溶劑，可以得到不同強度的流動相。甲醇（MeOH）和乙腈（ACN）是反相液相色譜常用的有機溶劑，二者的極性和溶劑強度相差不大，但運用于反相液相色譜還是有一些差異。為選用合適的二元流動相體系，對MeOH 和ACN 進行了比較，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 ANPZO 在MeOH 與水混合流動相以及ACN 與水混合流動相條件下的色譜分離圖Fig.1 Chromatogram of ANPZO obtained by using methanol/water mixture and acetonitrile/water mixture as mobile phases

由圖1 可知，不論是使用MeOH 與水做流動相還是ACN 與水做流動相，ANPZO 都出現(xiàn)嚴重的拖尾現(xiàn)象，色譜峰對稱因子僅0.693。理論分析認為這是因為ANPZO 顯弱堿性，在堿性環(huán)境下，C18色譜柱的填料硅膠表面的硅羥基會通過陽離子交換電離出未鍵合的硅醇基團，引起色譜峰拖尾。

根據(jù)ANPZO 顯弱堿性的特點，在水中加入一定濃度的TFA，使流動相顯酸性，抑制色譜柱填料表面的硅羥基活性，減小拖尾，改善峰形。為了考察TFA 對ANPZO 分離效果的影響，比較了0.1%TFA、0.5%TFA以及不含TFA 的流動相條件下ANPZO 的色譜分離圖，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同濃度的TFA 流動相條件下ANPZO 的色譜分離圖Fig.2 Chromatogram of ANPZO obtained by using mobile phases with different TFA concentration

由圖2 可以看出，不論是使用MeOH 做流動相還是ACN 做流動相，在水中加入一定量的TFA，ANPZO拖尾現(xiàn)象都可以得到緩解，色譜峰峰形改善，對稱性提升至0.895 以上。同時，0.1%TFA 與0.5%TFA 對ANPZO 色譜峰峰對稱性的改善效果基本沒有差別?？紤]到高濃度的酸會降低色譜柱柱效和壽命，最終將TFA 的濃度確定為0.1%。

根據(jù)ANPZO 的合成工藝［27］推導其可能存在的雜質(zhì)有2，6-二甲氧基吡嗪（DMP）、2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪（DMDNP）、2，6-二氨基-3，5-二硝基吡嗪（ANPZ）。將ANPZO、ANPZ、DMP、DMDNP 制成混合溶液，在選定色譜條件下，進樣5 μL。分別用MeOH 和0.1% TFA、ACN 和0.1%TFA 做流動相進行分離條件試驗，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同流動相下ANPZO 與副產(chǎn)物色譜分離圖Fig.3 Chromatogram of ANPZO and by-products obtained by using different mobile phases

比較ANPZO 與雜質(zhì)的分離效果，發(fā)現(xiàn)MeOH 做流動相時，ANPZO 與3 種雜質(zhì)以及雜質(zhì)與雜質(zhì)之間的分離度均大于1.5，而采用ACN 做流動相時，ANPZO雖然與3 種雜質(zhì)分離開了，但是DMDNP 與DMP 未能完全分離開，因此，采用MeOH 做流動相比ACN 做流動相分離效果更好。

2.1.2 洗脫程序的確定

進行高效液相色譜分析時，常用2 種洗脫方式：等度洗脫和梯度洗脫。試驗優(yōu)化了MeOH-0.1%TFA 等度洗脫和梯度洗脫程序：等度洗脫程序為VMeOH/V0.1%TFA=5%/95%；梯度洗脫程序為0～2 min，5%MeOH；2～7 min，MeOH 由5% 增 加 至100%；7～11 min，100%MeOH?？疾炝瞬煌疵摮绦蛳翧NPZO 的色譜分離情況，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 等度洗脫和梯度洗脫比較圖Fig.4 Chromatogram of ANPZO obtained by using isocratic elution and gradient elution

由圖4 可知，在優(yōu)化的等度洗脫程序和梯度洗脫程序下，ANPZO 與雜質(zhì)都能在最短時間內(nèi)實現(xiàn)有效分離，且分離度好。但在等度洗脫程序下，ANPZO 的保留時間約10.52 min，而在梯度洗脫程序下，ANPZO 的保留時間僅為6.79 min，保留時間縮短1.5 倍左右，可有效提升分析檢測效率。同時，梯度洗脫程序下ANPZO 的峰形更尖銳，更有利于準確定量。

2.1.3 檢測波長的確定

在合成ANPZO 的過程中，其雜質(zhì)2，6-二甲氧基吡 嗪（DMP）、2，6-二 甲 氧 基-3，5-二 硝 基 吡 嗪（DMDNP）已基本去除，副產(chǎn)物主要為未轉(zhuǎn)化完全的ANPZ。因此，將 ANPZO 和ANPZ 在190～600 nm 進行紫外掃描，獲得二者的紫外吸收光譜圖如圖5 所示。

圖5 ANPZO、ANPZ 紫外掃描圖Fig.5 Ultraviolet spectra of ANPZO and ANPZ

由 圖5 可 知，ANPZO 在310 nm 和395 nm 有 較大吸收，ANPZ 在250，310，410 nm 有較大吸收。當吸光度在0.2～0.8 時，濃度測量的相對標準偏差都不大，考慮到樣品溶液的配制濃度和比較適宜的吸光度范圍，同時為了避免溶劑和雜質(zhì)的干擾，且符合液相色譜檢測的靈敏度和穩(wěn)定性要求，將波長選在二者有較大吸收且波形平穩(wěn)的425 nm。

2.1.4 定量方法的確定

歸一化法、外標定量法、內(nèi)標定量法是常用的定量方法［28］。由于歸一化法準確定量的前提是所有組分都流出并被成功檢測到，而該條件非常難以實現(xiàn)，因此，一般情況下不選用該方法。外標法和內(nèi)標法均是通過校準曲線實現(xiàn)定量計算的。其中內(nèi)標法測定結(jié)果較為準確，在一定程度上消除了操作條件的變化帶來的誤差，但是操作較麻煩，且內(nèi)標物尋找困難。外標法雖然嚴格要求與標準物操作條件一致，但是操作簡單方便，應對大批量樣品時有快速、高效的優(yōu)點，且樣品與標準物操作條件一致較容易實現(xiàn)，所以試驗選用外標法進行ANPZO 定量。

根據(jù)標準溶液數(shù)量的不同，外標法可以分為單點校正法和多點校正法。多點校正法通常是采用系列含量不同的標準溶液確定一條濃度值與響應值線性關(guān)系的工作曲線，根據(jù)試樣溶液在工作曲線上的響應值求得其濃度值。而單點校正法是采用與試樣溶液相近濃度的一個標準溶液，以通過零點的方式確定一條濃度值與響應值線性關(guān)系的工作曲線，然后根據(jù)試樣溶液在工作曲線上的響應值求得其濃度值。由于實際情況中標準曲線的截距通常不為零，采用單點校正法與多點校正法所得的分析結(jié)果可能存在一定的差異。

單點（中間）校正和多點校正獲得的3 個批次的ANPZO 參比樣純度結(jié)果見表2。由表2 可知，單點校正與多點校正獲得的ANPZO 純度平均值以及標準偏差基本一致，表明多點校正結(jié)果與單點校正結(jié)果具有一致性。同時，采用單點校正法獲得的3 個批次的ANPZO 參比樣純度平均值與該參比樣的標稱值（99.5%±0.3%）基本一致。這表明采用單點校正法進行ANPZO 純度測試是準確可行的。因此，在實際工作中，為了提高工作效率，縮短分析測定時間，采用單點校正法來進行ANPZO 純度定量分析。

表2 單點校正與多點校正結(jié)果Table 2 The results of single-point calibration and multi-point calibration

2.2 方法學考察

2.2.1 線性范圍

采用1.3.1 推薦的液相色譜分離條件測試不同質(zhì)量濃度的標準溶液，每個樣品重復進樣測試2 次，記錄色譜圖和目標峰的峰面積。以目標峰2 次峰面積（mAu.s）的平均值為縱坐標，標準溶液的質(zhì)量濃度（mg·mL-1）為橫坐標繪制標準曲線，如圖6 所示。

圖6 ANPZO 標準品的校正曲線Fig.6 Calibration curve of ANPZO standard solution

由圖6 可知，在0.1～0.6 mg·mL-1的范圍內(nèi)，ANPZO 的峰面積與質(zhì)量濃度的線性回歸方程為S=3998.6×C+63.124，相關(guān)系數(shù)R2為0.9996，因此在圖6對應的濃度范圍內(nèi)，該方法具有比較好的線性關(guān)系。

2.2.2 檢測限和定量限

按3 倍信噪比（S/N）計算出檢出限為20 ng·g-1，按10 倍信噪比（S/N）計算出定量限為67 ng·g-1。

2.2.3 精密度試驗

將0.4 mg·mL-1的ANPZO 標準溶液在1.3.1 推薦的液相色譜條件重復進樣18 次，記錄ANPZO 色譜峰峰面積，計算ANPZO 含量和相對標準偏差，結(jié)果見表3。

表3 精密度試驗結(jié)果Table 3 Results of precision

由表3 可知，ANPZO 峰面積的相對標準偏差RSD為0.26%，表明建立的ANPZO 純度分析方法精密度較好。

2.2.4 重復性考察

采用外標法對8 份ANPZO 平行樣的色譜峰峰面積進行定量，得到ANPZO 的純度，計算其重復性相對標準偏差，結(jié)果見表4。由表4 可知，8 份ANPZO 平行樣的純度測定值相對標準偏差RSD 為0.30%，說明該方法的重復性較好。

表4 方法重復性實驗結(jié)果Table 4 The results of repeatability

2.3 方法應用

采用優(yōu)化的液相色譜分離和定量條件測試多批次不同合成路線、不同精制階段的ANPZO 試驗，計算試樣中的ANPZO 含量，結(jié)果列于表5。從表5 中可以看出，不同合成路線及精制階段的ANPZO 試樣中ANPZO 含量均不同，表明該方法對于合成工作者及時調(diào)整合成路線、優(yōu)化精制條件有一定的指導意義。

表5 不同ANPZO 產(chǎn)品含量測定結(jié)果Table 5 The results of different batches of ANPZO %

3 結(jié) 論

（1）建立了基于梯度洗脫的液相色譜ANPZO 含量測試技術(shù)。采用SB-C18色譜柱，以甲醇和含0.1%三氟乙酸的水為流動相，在425 nm 檢測波長，1.0 mL·min-1的流速下，ANPZO 及反應中間體ANPZ 分離良好，分析時間僅7.0 min。

（2）方法的線性良好，在0.1～0.6 mg·mL-1的范圍內(nèi)，ANPZO 的峰面積與質(zhì)量濃度的線性回歸方程為S=3998.6×C+63.124，相關(guān)系數(shù)R2為0.9996。

（3）按3 倍信噪比（S/N）計算出檢出限為20 ng·g-1，按10 倍信噪比（S/N）計算出定量限為67 ng·g-1。

（4）采用外標法單點校正峰面積對ANPZO 純度定量，重復性測試結(jié)果的相對標準偏差為0.30%。可以用于不同路線、不同條件合成的ANPZO 樣品純度測試，實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制和質(zhì)量把關(guān)。