气相色谱-串联质谱法测定船用燃料油中的9种含氮化合物

彭 莹，张子豪，刘莹峰，王 晶，谭志毅，徐晓霞，毛容妹，郑建国

(广东出入境检验检疫局，广东 广州 510623)

气相色谱-串联质谱法测定船用燃料油中的9种含氮化合物

彭 莹*，张子豪，刘莹峰，王 晶，谭志毅，徐晓霞，毛容妹，郑建国

(广东出入境检验检疫局，广东 广州 510623)

采用气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)法建立了船用燃料油中9种含氮化合物的测定方法。样品以SPE小柱净化去除饱和烃后，通过二氯甲烷-乙醇(5∶1)溶液洗脱。用DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)色谱柱分离，采用多反应监测(MRM)模式，外标法定量。结果表明，9 种含氮化合物的色谱分离效果良好，在浓度1～1 000 mg/kg范围内与峰面积均呈线性关系。方法的定量下限(S/N=10)为0.18～0.43 mg/kg，平均加标回收率为85.3%～121.6%，相对标准偏差(RSD，n=6)均不大于6.8%。结果表明该方法快速可靠、准确简便，适用于船用燃料油中9种含氮化合物的检测。

船用燃料油；含氮化合物；气相色谱-串联质谱

船用燃料油中高含量的氮元素会极大地影响油品的质量，使催化剂失活[1]，影响燃料油品的质量及气味[2]，促使胶质生成[3]，排放形成酸雨[4]，并且含有氮的多环芳烃有致癌作用[5]，所以对船用燃料油中氮含量的控制很有必要。船用燃料油中含氮量高，一方面会造成其氧化稳定性差，沉渣较多，从而易引起输油管路的堵塞、喷油嘴积炭、燃烧不充分等问题；另一方面，由于在燃烧过程中，会产生大量的氮氧化合物，从而造成对河道水质的污染。据报道，直至2010年，我国内河船舶气体排放的污染总量已超100万吨，为此国际海事组织根据控制发动机额定转速来限制船舶的氮氧化物排放量。因此，对船用燃料油中氮含量的检测具有重大意义。但由于油品基质复杂，对含氮化合物的检测影响较大，而且油品品种繁多，氮化合物含量较低等均对船用燃料油中含氮化合物的分析方法带来一定的困难。

燃料油中的含氮化合物可分为碱性含氮化合物和非碱性含氮化合物两类。目前已经分离鉴定出的碱性含氮化合物主要有吡啶及其同系物、喹啉和异喹啉及其同系物、苯胺及其同系物；非碱性含氮化合物主要有吡咯、吲哚和咔唑以及它们的同系物[6]。目前，我国对柴油中含氮化合物的化学测定方法有氧化分析法(化学发光定氮法、导热度定氮法、杜马定氮法、克氏定氮性和察香草酚比色定氮法)和还原分析法(微库仑定氮法和特莫伦定氮法)，以及测定碱性氮的非水滴定法[6]和测定总氮的化学发光法[7]；也有分析仪器测定方法，如测定中性氮化合物的红外吸收光谱法[8]、气相色谱法[9]，此类方法优点在于处理时不区分目标氮化合物种类并且在分析时能准确定性，但因燃料油组分非常复杂，导致红外分析法与气相色谱法定性受到干扰。根据目标化合物的特征离子进行定性定量能有效减少复杂基质带来的影响。近年来，也有采用气相色谱-质谱联用测定燃料油中组分含量的方法[9-10]，该法测定含氮化合物具有更高的灵敏度和选择性，定量下限低，多反应监测模式的抗基质干扰能力强等特点，因此本文建立了采用气相色谱-串联质谱同时测定船用燃料油中含氮化合物的检测方法，方法包含了油品中常见的9种含氮目标化合物，灵敏度高、准确可靠，可用于船用燃料油中含氮类化合物的分析检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent 7890B-7000C气相色谱-串联质谱仪(美国安捷伦公司)，Chemstation和MassHunter软件数据处理系统；DB-5MS毛细管柱30 m×0.25 mm(内径) ×0.25 μm(膜厚)色谱柱；SPE固相分离柱；可调移液器；10 μL微量注射器。

标准物质采用沃凯公司系列标准物质，甲基吡咯(N-Methylpyrrole，99.0%)、N-甲基苯胺(Monomethylaniline，99.0%)、异喹啉(Isoquinoline，99.0%)、咔唑(Carbazole，95.0%)，吡咯(Pyrrole，99.0%)、苯胺(Aniline，99.5%)、N,N′-二甲基苯胺(N,N-Dimethylaniline，99.0%)、喹啉(Quinoline，98.0%)；吲哚(Indole，99.0%)购自上海沪试公司。二氯甲烷、乙醇、正己烷均为HPLC级，购自Tedia公司。

1.2 标准工作溶液

分别量取以上含氮化合物的系列标准物质，用二氯甲烷-甲醇(5∶1)混合溶液配制成9种浓度为1 000 μg/mL的单标储备液。再用甲醇稀释成浓度为10 μg/mL和100 μg/mL的两种混合标准溶液。

移取以上浓度的含氮化合物混合溶液，以二氯甲烷-甲醇(5∶1)混合溶液为溶剂，配制含氮混合标准溶液浓度分别为0.05，0.1，0.25，1.0，5.0，10，50 μg/mL的标准工作溶液。

1.3 样品的处理与制备

取100 μL燃料油样品，加入到已活化的SPE固相萃取小柱中。待充分吸收后，向其中依次加入2 mL正戊烷和0.5 mL二氯甲烷-乙醇(5∶1)混合溶液进行淋洗，弃去淋洗液，当以上加入的0.5 mL二氯甲烷-乙醇(5∶1)混合溶液刚好进入净化小柱筛板时，更换接收瓶。向SPE固相萃取小柱中继续加入两次混合溶液洗脱，收集1 mL上述洗脱液，过滤并上机进行分析检测。

1.4 气相色谱-串联质谱条件

高纯氦气为载气，柱流速为1.0 mL/min，进样口温度为280 ℃，分流比为10∶1，色谱柱为DB-5MS石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，升温程序为：起始温度30 ℃(保持10 min)，以3 ℃/min升温至60 ℃(保持5 min)，以2 ℃/min升温至100 ℃(保持5 min)，再以3 ℃/min升温至200 ℃(保持1 min),最后再以10 ℃/min快速升温至260 ℃，后运行温度320 ℃(10 min)。

电子轰击离子源(EI)温度为 230 ℃，四极杆质量分析器温度为 150 ℃,传输线温度为300 ℃,电离能量为70 eV，碰撞能量为0～60 eV，驻留时间为20～50 ms，采用多反应监测负离子模式(MRM)，溶剂延迟4 min。定量分析时选择目标含氮化合物的特征离子建立定量方法。

2 结果与讨论

2.1 淋洗条件的选择

选用正戊烷作为淋洗溶剂，使燃料油中的饱和烃通过淋洗达到分离，若淋洗充分，可使燃料油中占比较多的饱和烃得到分离，有效减少基质对含氮目标物的干扰，提高分析灵敏度。本实验选择不同体积(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mL)的正戊烷淋洗液对某样品中的C18，C19，C20，C21，C22正构直链烷烃进行淋洗，每个体积平行试验3次。结果表明，使用2.0 mL及以上的正戊烷进行洗脱后，目标饱和烃的洗出率超过90%，考虑到含氮化合物在正戊烷中有一定的溶解度，所以实验选择正戊烷淋洗液体积为2.0 mL。

2.2 洗脱条件的选择

经过上述正戊烷淋洗净化样品后，需选用合适的洗脱溶剂对留在固相萃取柱上的含氮化合物进行洗脱。由于燃料油中含氮化合物分子均具有较大极性，并且氮杂环化合物中以SP2杂化的氮原子和近似SP2杂化的苯胺类化合物(实际为SP3杂化)均有未共用电子对，可与醇类形成氢键，易溶于醇，因此本文选择了不同种类(乙醇-二氯甲烷(1∶5)、乙醇-二氯甲烷(2∶3)、二氯甲烷、乙醇)和不同体积(0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mL)的洗脱液进行试验。对含有含氮化合物(甲基吡咯、N-甲基苯胺、喹啉和咔唑)的同一阳性燃料油样品进行回收率比较试验，每个条件平行试验2次。结果表明，对于同一种含氮化合物，在加入同一洗脱溶剂的前提下，溶剂量在2 mL或以上，回收率达到最大，洗脱效率最好。以极性较小的二氯甲烷作为洗脱溶剂时，洗脱效果一般，回收率在45%以上；极性相对较强的乙醇对甲基苯胺类的碱性含氮化合物有较高的回收率，但对甲基吡咯等非碱性含氮化合物的回收率较低；而采用乙醇-二氯甲烷(2∶3)和乙醇-二氯甲烷(1∶5)作为洗脱溶剂时，回收率均比使用单一溶剂时高，且对于甲基吡咯和咔唑这种非碱性含氮化合物，溶剂中极性小的二氯甲烷占比较多时，洗脱效果最好，目标化合物的回收率最高，故实验选择乙醇-二氯甲烷(1∶5)作为燃料油洗脱溶剂。

图1 9种常见含氮化合物的多反应监测色谱图Fig.1 MRM chromatogram of 9 nitrogen-containing compounds1：N-methylpyrrole，2：pyrrole，3：aniline，4：monomethylaniline，5：N,N-dimethylaniline，6：quinoline，7：isoquinoline，8：indole，9：carbazole

2.3 色谱柱的选择

分别考察了Agilent INNOWAX(30 m×0.32 mm×0.25 μm),Agilent DB-17MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm) 和Agilent DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm) 3种不同极性的色谱柱，标准样品浓度为10 ng/mL。结果表明，采用INNOWAX色谱柱时，吡咯和甲基吡咯，以及喹啉和异喹啉的分离效果理想，但高温段物质的保留时间长，特别是吲哚和咔唑的出峰时间较长，并且INNOWAX色谱柱的最高使用温度较低，导致吹出残留在色谱柱中的高沸点燃料油物质的分析时间太长；DB-17MS色谱柱的分析时间相对较短，但苯胺类化合物的分析效果不太理想，甲基苯胺与二甲基苯胺的色谱峰完全重叠；采用较为普遍的中等极性DB-5MS色谱柱时，分析时间短，分离效果最好，在25 min内9种含氮化合物可有效地分离，因此，本实验采用DB-5MS色谱柱对含氮化合物混合标准溶液进行分离(见图1)。

2.4 质谱条件的优化

将9种含氮化合物的标准溶液逐个在EI全扫描模式下以相同的电离能量进行一级质谱扫描，结果表明9种含氮化合物中甲基苯胺和二甲基苯胺的最强质量峰为分子离子的同位素峰，甲基苯胺为m/z106，二甲基苯胺为m/z120，其余7种含氮化合物的最强质量峰均为与自身分子量相当的分子离子峰M。以5～80 eV的碰撞能量进行化合物的子离子模式扫描，得到子离子信息和子离子响应大小对应的碰撞能量值。9种含氮化合物中除了甲基苯胺与二甲基苯胺生成了没有开环的苯环子离子C6H6(m/z77)外，其它均通过芳环开环产生子离子，其中吡咯类化合物的子离子均含有片段C3H3(m/z39)，1-甲基吡咯的最强质量峰为C3H3N(m/z52)，吡咯的最强质量峰为C2H3N(m/z41)；苯胺的最强质量峰为C4H4N(m/z66)，而甲基苯胺与二甲基苯胺还产生定性的子离子C4H3(m/z51)；喹啉类化合物均产生最强质量峰子离子C8H6(m/z102)和定性的子离子C6H4(m/z76)和C4H2(m/z50)；吲哚与咔唑均产生子离子C6H3N(m/z89)，其次吲哚还产生子离子C5H3(m/z63)，咔唑产生定量子离子C11H7(m/z139)。最后选取干扰较少且响应最强的碎片离子作为定量、定性离子。优化后的参数见表1。

表1 9种含氮化合物优化后的定量、定性离子对及碰撞能量及线性回归方程与相关系数Table 1 Optimized parameters of quantitative ion,qualitative ions ,collision energies and regression equations,correlation coefficients(r) and limits of quantitation(LOQ) for 9 nitrogen-containing compounds

2.5 线性范围与定量下限

以各物质的浓度(X,mg/kg)为横坐标，峰面积(Y)为纵坐标绘制标准曲线，9种含氮化合物在1～1 000 mg/kg范围内线性良好，相关系数(r)为0.996 2～0.999 3。以10倍信噪比(S/N=10)作为定量下限，计算得9种含氮化合物的方法定量下限为0.18～0.43 mg/kg，结果见表1。

2.6 回收率与精密度

配制浓度为5 000 mg/L的含氮化合物混合标准溶液。移取3份1 mL已知不含氮化合物的燃料柴油样品，将其作为空白基质。然后分别向其中定量添加不同体积(10，20，100 μL)的5 000 mg/L含氮化合物混合标准溶液，取其中100 μL经前处理分离后，其最终添加质量分别为50，100，500 μg。每个添加水平平行测试6次，结果表明，9种含氮化合物基质加标液的回收率为85.3%～121.6%，相对标准偏差(RSD)不大于6.8%(见表2)。方法的精密度和准确度能够满足定量分析要求。

表2 9种含氮化合物的回收率与相对标准偏差Table 2 Recoveries and RSDs of 9 nitrogen-containing compounds

图2 某船用燃料柴油样的多反应监测色谱图Fig.2 MRM chromatogram of marine fuel oil sample1.pyrrole，2.aniline，3.quinoline，4.isoquinoline，5.carbazole

2.7 实际样品的测试

分别对某批船用柴油样品进行测试，结果表明，甲基吡咯、吲哚、甲基苯胺等均未检出，检出苯胺和吡咯、咔唑、喹啉等杂环有机化合物，其中苯胺含量为8.7 mg/kg，吡咯、喹啉、异喹啉和咔唑含量分别为4.7，8.9，6.9，10.5 mg/kg。某船用燃料油样品的色谱图见图2。

3 结 论

本文运用SPE小柱净化分离饱和烃与芳香烃，气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)进行测定，建立了船用燃料油中9种含氮化合物的分析方法。该方法具有操作简便、灵敏度高、精密度及准确性好的特点，能够满足燃料油含氮化合物的测定要求。

[1] McKay J F,Cogswell T E,Weber J H.Fuel,1975,54:50-61.

[2] McKay J F,Weber J H,Latham D R.Anal.Chem.,1976,58:891-898.

[3] Qi J,Li L,Zhan F T,Xu Y Q,Su Y X.J.Chin.Univ.Petrol.:Ed.Nat.Sci.(齐江,李林,战风涛,徐永强,苏贻勋.石油大学学报：自然科学版),1997,21(5):72-75.

[4] Han X,Wei W Y,Piao J C,Yang C F,Feng T.LubricatingOil(韩旭,魏文羽,朴吉成,杨传富,冯涛.润滑油),2015,30(6):9-14.

[5] Tomkins B A,Ho C H.Anal.Chem.,1982,54:91-96.

[6] Guo W L,Li P,Zhang Q K,Zhao S L,Fang B H,Ji W J.Anal.Instrum.(郭文玲,李萍,张起凯,赵杉林,方百贺,纪维钧.分析仪器),2006,4:55-58.

[7] Jia C Y.J.LiaoyangPetrochem.College(贾长英.辽阳石油化工高等专科学校学报),2000,16(1):17-21.

[8] Jingmen Refinery Research Institute.PetroleumProcessingandPetrochemicals(荆门炼油研究所.石油炼制与化工),1979,9:27-29.

[9] Yang Y T.Chin.J.Chromatogr.(杨永坛.色谱),2008,26(4):478-483.

[10] Shi Q,Liao Q L,Liang Y M.J.Chin.MassSpectrom.Soc.(史权,廖启玲,梁咏梅.质谱学报),1999,20(2):1-10.[11] SH/T 0606-2005.Standard Test Method for Hydrocarbon Types in Middle Distillates by Mass Spectrometry(中间馏分烃类组成测定法(质谱法).中华人民共和国石油化工行业标准).

Determination of 9 Nitrogen-containing Compounds in Marine Fuel Oil by Gas Chromatography-Tandem Mass Spectrometry

PENG Ying*,ZHANG Zi-hao,LIU Ying-feng,WANG Jing,TAN Zhi-yi,XU Xiao-xia,MAO Rong-mei,ZHENG Jian-guo

(Guangdong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Guangzhou 510623,China)

A gas chromatography-tandem mass spectrometric method was developed for the determination of 9 nitrogen-containing compounds in marine fuel oil.The sample was purified with SPE cartridge to remove the saturated hydrocarbon,and then eluted with a mixed solution composing of dichloromethane and ethanol(5∶1).The target ingredients were separated on a DB-5MS column(30 m×0.25 mm×0.25 μm),detected in multiple-reaction monitoring mode(MRM),and quantified by the external standard method.The method indicated a perfect performance in chromatographic separation.The linear ranges of 9 nitrogen-containing compounds were between 1 mg/kg and 1 000 mg/kg,and the limits of quantitation were between 0.18 mg/kg and 0.43 mg/kg.The recoveries ranged from 85.3% to 121.6%,with relative standard deviations(RSDs,n=6) less than 6.8%.This method was rapid,accurate,precise and convenient to operate,and it was appropriate for the determination of 9 nitrogen-containing compounds in marine fuel oil.

marine fuel oil；nitrogen-containing compounds；gas chromatography-tandem mass spectrometry

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.04.021

2016-11-04；

2016-12-15

国家重点研发计划项目(2016YFF0203705)；广东检验检疫局科研项目(2016GDK35)

O657.63

A

1004-4957(2017)04-0560-05

*通讯作者：彭 莹，硕士，助理工程师，研究方向：分析化学，Tel：020-38290523，E-mail:pengying0320@126.com