高效液相色谱法测定硝酸羟胺水溶液的含量

时间：2024-07-28

赵坦* 徐林楠毛亚南刘昶2 李俊王乃娟

(1. 北京航天试验技术研究所，北京 100074；2. 北京医学院附属中学，北京 100191 )

1 引言

硝酸羟胺(HAN)基液体推进剂作为一种新型的液体推进剂，具有能量高、易储存、后勤供应方便，绿色环保等优点，是肼类单组元推进剂的优良替代品种，是国内外航天推进技术发展的热点。HAN的固体形式是一种具有还原和氧化组分的高能盐，极其不稳定并且具有爆炸的可能。因此，对于推进剂应用，通常使用HAN的浓缩水溶液以增强稳定性。HAN水溶液在室温下具有非常低的蒸汽压，并且不存在呼吸危害，相对于肼类推进剂更安全[1]。HAN水溶液作为硝酸羟胺基液体单元推进剂的主要成分，直接影响推进剂的性能指标。为了保证HAN基液体推进剂产品质量，建立质量控制方法，必须开展HAN含量的测定方法研究。

HAN主成分分析一般采用酸碱滴定法、氧化还原法和电位滴定法等化学分析方法[2-4]。曹晔等[5]通过HAN与碘生成的亚硝酸发生重氮偶联反应，使用分光光度法分析HAN主要成分。化学滴定法的反应步骤较多，操作较繁琐，检测效率不高，且化学滴定法和分光光度法选择性不高，对HAN溶液中的杂质不能有效分析。相对而言，色谱法的选择性较好，降低基体对测定的干扰，且分析快速，操作简便。

在用色谱法测定HAN时，需要进行衍生化处理。醛酮类衍生剂可以和HAN生成醛肟或酮肟，肟的性质稳定，有利于测定。常用的衍生剂有甲醛[6]、水杨醛[7]和2-硝基苯甲醛等[8,9]。甲醛的毒性较大，当采用紫外检测器时，芳香族硝基化合物比水杨醛衍生物有更高的摩尔吸光度[10]，因此本方法选用2-硝基苯甲醛作为衍生试剂。因为盐酸羟胺和硝酸羟胺性质相似，且与2-硝基苯甲醛衍生后产物相同，本方法用盐酸羟胺配制标准溶液，外标法得出HAN含量。由于HAN具有强吸湿性，在空气中能迅速吸湿而潮解成液体[11]，所以目前实际使用的都是HAN的水溶液，气相色谱法分析水溶液步骤较复杂且HAN属于盐类不适合使用气相色谱法，因此使用液相色谱法测定较气相色谱法具有前处理程序简单，分析快速的优点。

2 实验部分

2.1 仪器与设备

Agilent 1260高效液相色谱仪(美国Agilent公司)；G1314B紫外检测器(美国Agilent公司)；Milli-Q超纯水机(美国Millipore公司)；VORTEX GENIΜS 3混匀器(德国IKA公司)。

2.2 试剂与材料

盐酸羟胺(99%，美国Sigma-Aldrich公司)；甲醇、乙腈均为色谱纯，购自美国Thermo Fisher Scientific公司；2-硝基苯甲醛(98%，美国Sigma-Aldrich公司)。

盐酸羟胺标准储备液的配制：称取0.1g 盐酸羟胺于100mL容量瓶中，纯水定容，得到1 mg/mL的标准储备溶液。

衍生剂的配制：称取0.5 g的2-硝基苯甲醛于棕色样品瓶中，加入50 mL容量瓶中，乙腈定容，2-硝基苯甲醛的浓度为10 mg/mL。

2.3 色谱条件

ZORBAX SB-C18色谱柱(100 mm×2.1 mm, 3.5 μm)；柱温：30℃；流速：0.2 mL/min；检测波长为254 nm；进样量：2 μL；流动相A为水，流动相B为乙腈。梯度洗脱程序见表1。

表1 高效液相色谱梯度洗脱条件

2.4 衍生步骤

取0.2g硝酸羟胺水溶液样品于100mL容量瓶中，纯水定容。取稀释后的样品0.1mL于样品瓶中，加入300 μL衍生剂，然后加入600 μL乙腈至1ml，涡旋，在70℃水浴反应40 min，放至室温后，进行液相色谱分析。

3 结果与讨论

3.1 色谱条件的优化

根据待测物的性质，一般选择C18色谱柱进行分离。本研究选用ZORBAX SB-C18柱，峰形与分离度均良好。HAN和盐酸羟胺与2-硝基苯甲醛反应的衍生产物均为2-硝基苯甲醛肟，考察衍生产物和衍生试剂的分离条件。流动相分别选取乙腈-水和甲醇-水，比较其对化合物分离和响应强度的影响。通过比较色谱图发现，以乙腈-水作为流动相时，化合物分离度更好。而且在酸性条件下甲醇与衍生剂2-硝基苯甲醛可能发生醇醛缩合反应，生成缩醛化合物[12]，影响HAN的定量分析。因此，经优化后，采用ZORBAX SB-C18色谱柱，以乙腈-水进行梯度洗脱(梯度洗脱条件见表1)，生成的2-硝基苯甲醛肟保留时间为3.346 min，衍生产物和衍生试剂可实现良好分离。2-硝基苯甲醛、盐酸羟胺标准溶液和硝酸羟胺样品衍生化后的色谱图见图1。

图1 2-硝基苯甲醛和衍生物色谱图 (a).1000μg/mL 2-硝基苯甲醛标准溶液；(b).200μg/mL 盐酸羟胺标准溶液衍生化后；(c). 衍生化后HAN样品

3.2 衍生化反应条件的优化

3.2.1反应温度的选择

温度对衍生化反应有重要的影响，考察不同温度下衍生物的峰面积变化。分别在4个样品瓶中加入100 μL的稀释后HAN样品，加入300 μL的10 mg/mL的2-硝基苯甲醛溶液，然后加入600 μL乙腈至1ml，旋后水浴。考察相同时间内温度30℃，50℃，60℃，70℃和80℃时，对衍生化反应的影响。衍成物的峰面积如图2所示，从图2可以看出随着温度的升高，衍生物的峰面积逐渐增大，但当温度从70℃升至80℃时，衍生产物峰面积变化不大，衍生反应已趋于完全。因此衍生化反应选择为70 ℃为最佳温度。

图2 反应温度对衍生化反应的影响

3.2.2反应时间的选择

考察反应时间对衍生化反应的影响，设定衍生化时间为20 min、30 min、40 min和50 min，分别在70℃进行水浴后，上机检测。衍生物的峰面积如图3所示，结果显示，随着衍生化反应时间的增加，衍生物的峰面积逐渐变大，20min～40min衍生物峰面积增加较快，超过40min后峰面积无显著变化，衍生反应已达到反应平衡且反应完全，为了节约实验时间，提高分析效率，选择40min作为最佳衍生化反应时间。

图3 反应时间对衍生化反应的影响

3.3 线性范围和检出限

分别取20μL、40μL、 80μL、 120μL和160μL的盐酸羟胺标准溶液于样品瓶中，加入300 μL衍生剂，然后加入乙腈至1ml，涡旋，在70℃水浴反应40 min，放至室温后，进行液相色谱分析。以衍生产物的峰面积为纵坐标，盐酸羟胺浓度为横坐标，绘制标准曲线如图4所示。按照衍生产物在检测器上产生3倍S/N时的质量浓度，该方法HAN检出限为24.74 ng/mL。

图4 盐酸羟胺浓度与衍生产物峰面积的线性关系

3.4 回收率和精密度

在空白样品中分别加入50、100和150μL的盐酸羟胺标准溶液，按2.4部分进行衍生化后进行HPLC测定，每个加标样品平行测定6次，计算3种浓度的加标回收率和精密度，结果见表2。加标回收率为99.14%～101.03%，相对标准偏差为0.7%～2.6%。由此可知实验建立的分析方法准确性高；方法所用仪器精密度高，数据准确可靠。

表2 加标回收率和相对标准偏差(n=6)