亲水色谱‐质谱联用分析硝酸羟乙基肼含量

徐林楠，张学军，赵 坦，李 俊，方 涛

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

1 引言

硝酸羟乙基肼（HEHN）是一种在液体推进剂中具有重要应用前景的含能物质，目前已应用于部分硝酸羟铵（HAN）基推进剂中［1］。相比于肼类或其他HAN基单组元推进剂，含HEHN 的HAN 基推进剂具有毒性低、能量高、比冲大等优势，是未来液体单组元推进剂的重要候选品种［2］。

由于含HEHN 的液体推进剂尚处于发展阶段，目前尚无针对液体推进剂中HEHN 含量的分析方法。传统肼类液体推进剂中所含肼类化合物的含量分析主要利用气相色谱［3-4］、容量分析［5-6］等方法来实现，但随着硝酸肼（HN）、HAN、HEHN 等含能离子盐越来越多地应用于液体推进剂中，依赖于样品挥发性的气相色谱方法已不适用于各种含盐液体推进剂的分析。容量分析方法可应用于含盐液体推进剂的组分含量分析，但在同时含有多种肼类化合物或同时含有肼类和羟胺类化合物的液体推进剂中，容量分析所依赖的衍生化反应选择性有限，难以实现对多种肼类/羟胺类组分的分别分析。因此，分析液体推进剂中HEHN 的含量，需要借助于其他具有良好选择性和含盐样品适用性的分析方法。

液相色谱法具有分离机理多样、选择性好、适用范围宽、分析速度快等特点，可应用于多种类别的化合物分析中。肼类化合物具有较强的极性，在液相色谱中常用的反相色谱分离模式下难以获得理想的保留和分离效果，同时肼类化合物自身不具有紫外吸收，故现有利用液相色谱方法分析肼类化合物的研究工作中，多是通过衍生化反应，将其转化为具有紫外吸收的弱极性物质后再利用反相色谱进行分析［7-8］。然而，衍生化处理过程耗时耗力、方法重现性有限、反应不完全影响方法准确度等问题也限制了衍生化方法在肼类化合物分析中的应用。

相比之下，基于亲水相互作用色谱（HILIC）的液相色谱‑质谱联用法（LC‑MS）则为HEHN 的分析提供了一种理想的分析手段。亲水相互作用色谱利用其柱填料表面修饰极性基团与被分析物之间的相互作用对被分析物进行分离［9-10］，因而相比于反相色谱更适合于具有较强极性的肼类化合物的分析。同时，肼类化合物易于质子化的特点，使其能够在质谱上获得高检测灵敏度。基于上述特点，本研究对基于亲水相互作用‑质谱联用法的HEHN 含量分析方法进行了探讨，并利用所建立的方法对一液体推进剂中的HEHN 含量进行分析。

2 实验部分

2.1 试剂及材料

乙腈（HPLC 级）、甲酸铵（MS 级）购自Merck。水为 超 纯 水（电 阻 率≥18.2 MΩ·cm）。HEHN 溶 液（20%）、甲基肼（MMH）、偏二甲肼（UDMH）自制。含HEHN 的液体推进剂样品自制，其中HEHN 含量的配制值为12.9%。

2.2 样品制备

用于液相色谱分离条件优化的样品制备：称取少量HEHN 溶液、MMH 及UDMH，使用90%乙腈-0.1%甲 酸 溶 液 分 别 稀 释 至20、10 和10 μg·mL-1。各 取100 μL 稀释后的HEHN、MMH 和UDMH 溶液，混合后加入700 μL 90%乙腈-0.1%甲酸稀释，得HEHN、MMH 和UDMH 的 混 合 标 液。

用于质谱测试条件优化及方法学考察的样品制备：准确称取少量HEHN 溶液，使用90%乙腈-0.1%甲酸稀释至所需浓度后进行分析。

液体推进剂样品制备：准确称取少量含HEHN 的液体推进剂样品，使用90%乙腈-0.1%甲酸稀释至0.4 μg·mL-1后进行分析。

2.3 液相色谱‐质谱分析

样品分析使用Agilent 1260 高效液相色谱仪联用6120 质谱仪完成。色谱柱为Agilent Poroshell 120 HILIC‑Z，2.1 mm×150 mm，2.7 μm。流动相A：乙腈/水（V乙腈/V水=90/10），10 mM 甲酸铵，pH 3.4；流动相B：10 mM甲酸铵，pH 3.4。柱温30 ℃。流速0.2 mL·min-1。进样量2 μL。

质谱离子源为电喷雾离子源。干燥气流速8 L·min-1。雾化气压力20 psig。干燥气温度300 ℃。毛细管电压4000 V。质谱分析在正离子模式下进行，同时利用扫描模式和选择离子监测（SIM）模式进行分析。扫描模式下扫描范围20～150 Da；SIM 模式下，在对混合标液进行分析时，选择m/z=47、61、77 进行测定，在对HEHN 单标及液体推进剂样品进行分析时，选择m/z=77 进行测定。

3 结果与讨论

3.1 分析条件优化

考虑到羟乙基肼及肼类液体燃料中常见的肼类化合物均为弱碱性极性化合物，且可在弱酸性体系下发生质子化而以阳离子的形式存在，本研究选用适合于离子化合物分析的两性离子型亲水相互作用色谱柱Agilent Poroshell 120 HILIC‑Z 进行分离分析。使用亲水相互作用色谱进行样品分离时，流动相的组成，特别是有机相与水相的比例，会对色谱分离结果产生显著影响。为保证所开发的分析方法能够适用于同时含多种肼类化合物样品中HEHN 的分析，采用HEHN、MMH 和UDMH 的混合溶液样品用于分离条件的优化。优化时选用的流动相A 为乙腈含量90%的含盐流动相，流动相B 为水相流动相。流动相A 中添加少量水以保证其中的缓冲盐完全溶解，同时又可通过与水相流动相B 以一定比例搭配使用提供宽变动范围的洗脱能力。分别测试了流动相A 与流动相B 的比例（VA/VB）为 70/30、75/25、80/20、85/15、90/10 时HEHN 与MMH、UDMH 的分离效果，分离谱图及保留时间随流动相比例的变化关系分别如图1a 和图1b 所示，可见当流动相A 的比例小于75% 时，HEHN 与MMH 并未实现很好的分离。随着流动相A 比例的继续提高，流动相中水的含量逐渐减少，流动相的极性降低导致其洗脱强度减弱，三种物质的保留时间均显著增长。当流动相A 的比例提高至80%及以上时，可见三种物质均实现了基线分离。

对于不同流动相组成下的HEHN 检测灵敏度也进行了分析，其结果如图1c 所示。当流动相中乙腈比例逐渐提高，也即流动相A 的比例逐渐提高时，携带被分析组分进入质谱离子源的流动相更易发生气化，从而提高了被分析物的离子化效率；但与此同时，保留时间的延长也引起色谱峰展宽，导致单位时间进入质谱的被分析物含量下降。两种因素共同作用下，被分析物的峰面积呈现出随流动相A 比例升高而先上升后下降的趋势，且在流动相A 的比例为80%时峰高最大。综合考虑上述结果，为了在保证分离效果的前提下获得更短的分析时间和更高的检测灵敏度，选择流动相A 与流动相B 的比例（VA/VB）为80/20。

图1 不同流动相比例下的分离谱图（a）、三种被分析物的保留时间（b）及HEHN 峰高（c）Fig.1 The chromatograms（a），rentention time of three ana‑lytes（b）and peak height of HEHN（c）under different ratio of mobile phase

相比于流动相中乙腈的比例，流动相pH 对分离效果的影响相对并不显著。不同流动相pH 下三种被分析物的保留时间及HEHN 的理论塔板数如图2 所示。可见三种化合物的保留时间在所试验的pH 范围内变化变化幅度很小。当流动相pH 为3.4 时，HEHN具有相对最高的柱效。故使用pH 3.4 作为流动相的pH 条件。

图2 不同流动相pH 下的三种被分析物的保留时间（a）及HEHN 的理论塔板数（b）Fig.2 Retention time of three analytes（a）and theoretical plate number of HEHN（b）under different mobile phase pH

三种被分析物保留时间及HEHN 理论塔板数随流动相中甲酸铵缓冲盐浓度的变化关系如图3 所示。由图3a 可以看出，在1～20 mM 的甲酸铵浓度测试范围内，三种化合物的保留时间在5 mM 处最大，之后随盐浓度的升高而缓慢下降。相比于流动相中乙腈的比例，缓冲盐浓度对保留时间的影响十分有限。对于亲水相互作用色谱，添加一定浓度的缓冲盐有助于改善峰形和柱效。由图3b 可以看出，在缓冲盐浓度为10 mM 时硝酸羟乙基肼的柱效最高，故使用10 mM甲酸铵作为流动相中添加的缓冲盐。

图3 不同流动相甲酸铵浓度下的三种被分析物的保留时间（a）及HEHN 的理论塔板数（b）Fig.3 Retention time of three analytes（a）and theoretical plate number of HEHN（b）under different concentration of ammonium formate in mobile phase

依据上述优化实验结果确定了最终的流动相条件，即流动相A：乙腈/水（V乙腈/V水=90/10），10 mM 甲酸铵，pH 3.4；流动相B：10 mM 甲酸铵，pH 3.4；流动相A 与流动相B 的比例（VA/VB）为80/20。该条件下的三组分的分离性能参数如表1 所示。

表1 三组分分离性能参数Table 1 Separation performance parameters of three compo‑nents

对于质谱分析，试验了不同源后碰撞能对HEHN分析灵敏度的影响，分别测定了源后碰撞能为50、75、100、125、150 和200 eV 下羟乙基肼阳离子的质谱响应强度，结果如图4a 所示。当源后碰撞能小于75 eV时，流动相中铵根离子与乙腈的加合峰（m/z=59）在质谱上有很高的响应，对羟乙基肼阳离子的质谱响应产生抑制，如图4b 所示。提高源后碰撞能至100 eV，由于羟乙基肼阳离子中的化学键相比于铵根离子与乙腈之间的非共价相互作用更为稳定，因而可在保证羟乙基肼阳离子结构完整的基础上，通过碰撞碎裂过程破坏铵根离子与乙腈之间的非共价相互作用，大幅消除其加合峰并减少该加合峰对羟乙基肼阳离子的信号抑制。而当源后碰撞能高于125 eV 时，羟乙基肼阳离子发生碰撞碎裂并形成碎片离子，虽能通过碎片离子组成提供化合物定性信息，但显著降低了用于定量分析的羟乙基肼阳离子的响应强度。因此，选择100 eV 作为羟乙基肼分析时的源后碰撞能。

图4 SIM 模式下m/z=77 信号峰面积随源后碰撞能的变化关系图（a）及扫描模式下源后碰撞能为75 eV 时的质谱图（b）Fig.4 Relationship between peak area of m/z=77（SIM）and post‑source collision energy（a）and mass spectrum in scan mode with post‑source collision energy of 75 eV（b）

3.2 线性范围和检出限

配制浓度分别为0.01、0.02、0.035、0.05、0.075、0.1 μg·mL-1的HEHN 溶液，测定其在SIM 下峰面积与浓度的对应关系，并以浓度倒数作为权重因子，做加权线性回归分析。所得线性回归方程为y=291170x+287，相关系数R2=0.9991，表明所建立的方法在该浓度范围内具有良好的线性响应关系（见图5）。

图5 HEHN 峰面积与浓度的加权线性回归分析图Fig.5 Weighted linear regression analysis between peak area and concentration of HEHN

测定低浓度下羟乙基肼阳离子的信噪比，以三倍信噪比下HEHN 的浓度确定其检出限为1.2 ng·mL-1（进样量2 μL），表明该方法对HEHN 有很高的检测灵敏度。

3.3 准确度与精密度

配 制 浓 度 分 别 为0.0250 和0.0900 μg·mL-1的HEHN 溶液，每个样品平行测定6 次，依据所确定的线性回归方程计算其测定浓度和回收率，结果如表2 所示。两个浓度下的方法回收率分别为98.1% 和97.7%，表明该方法具有较好的分析准确性；测定结果的相对标准偏差均不超过1.6%，表明方法具有良好的重复性。

表2 HEHN 溶液样品浓度测定结果Table 2 Results of measurement of HEHN concentration

3.4 实际样品分析

对某液体推进剂样品中的硝酸羟乙基肼含量进行分析，测定稀释后样品溶液（0.400 μg·mL-1）中硝酸羟乙基肼的浓度为（0.0499±0.0012）μg·mL-1（平行测定4 次，结果如表3 所示），换算得到所分析的液体推进剂样品中硝酸羟乙基肼的含量为（12.5±0.3）%，与该推进剂中硝酸羟乙基肼的配制含量12.9%相符。

表3 推进剂稀释样品的HEHN 浓度测定结果Table 3 Results of measurement of HEHN concentration in diluted propellant sample μg/mL‑1

4 结论

对基于亲水相互作用色谱‑质谱联用的硝酸羟乙基肼分析方法进行了研究，依据混合组分中硝酸羟乙基肼的分离效果、分析时间和检测灵敏度，确定了流动相组成；兼顾消除流动相盐分造成的离子抑制及避免被分析物因碰撞碎裂而导致分析灵敏度下降，优化了质谱测定条件。在此基础上，建立了针对于硝酸羟乙基肼的液相色谱‑质谱联用分析方法。所建立的方法具有良好的准确度和精密度，对两份硝酸羟乙基肼溶液测定的回收率分别为98.1%和97.7%，相对标准偏差≤1.6%；方法在0.01～0.1 μg·mL-1的样品浓度范围表现出良好的线性响应关系，相关系数R2=0.9991；方法具有很高的检测灵敏度，对硝酸羟乙基肼的检出限可低至1.2 ng·mL-1。

该方法适用于含硝酸羟乙基肼的液体推进剂中硝酸羟乙基肼的含量分析。相比于现有肼类化合物分析方法，该方法选择性好，能够通过色谱的分离能力和质谱的定性能力对不同肼类化合物进行准确区分；适用的样品种类广，可适用于含盐、含多种肼类化合物或同时含肼类和羟胺类化合物的液体推进剂的分析；样品前处理过程简单，无需对其进行萃取、衍生化等复杂的样品前处理操作；分析速度快，单次分析所需时间不超过7 min。同时，该方法可通过适当的测试条件优化应用于其他肼类化合物分析中，为液体推进剂中肼类化合物的分析提供了新的手段。