六硝基茋(Hexanitrostilbene, HNS)是一种热安定性良好的耐热炸药和感度性能优良的钝感炸药, 在宇航飞行器、空间技术、石油深井射孔作业及作为TNT熔铸炸药的添加剂等方面均有广泛的应用^[1-3]。对HNS的研究始于1964年^[4], 半个世纪以来, 广大科研工作者对其合成工艺、晶体结构及形貌控制、热行为以及生产废水的处理方面都进行了大量的研究^[5-9], 但对于HNS质量分析方法的研究甚少, 分析其原因是HNS吸收光谱的非特性和在大多数溶剂中的相对不溶解性, 所以光谱法及一般的分析方法无法解决HNS的纯度测定问题。对HNS合成工艺分析可知, HNS产品中除主要成分HNS外, 可能存在少量的杂质HNBB。因此, 本研究旨在分析HNS产品中以上两者的含量。

曾有文献采用高效液相色谱法(HPLC)、液相色谱-质谱联用(LC-MS)和液相色谱-电喷雾离子肼质谱联用(LC-ESI-MS)方法分析HNS^[10-13], 但是文献陈旧、分离度低、流动相系统复杂。本研究提供了一种可靠的分析方法——反相高效液相色谱法(RP-HPLC)对HNS进行定量分析, 同时可以测定HNS粗品中可能存在的主要杂质HNBB的含量, 为HNS产品的质量控制提供依据。

P230型高效液相色谱仪系统(大连伊利特分析仪器有限公司), 包括P230高压恒流泵、LU230低压梯度混合器, UV230紫外-可见检测器, 配有Hypersil ODS2色谱柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm), 采用EC2000色谱数据处理系统工作站。超纯水仪(重庆阿修罗科技发展有限公司), 超声仪(郑州生元仪器有限公司), 分析天平(梅特勒—托利多仪器有限公司)。

乙腈(色谱纯, 美国TEDIA试剂公司), 超纯水(自制), 所有试剂均经0.22 μm微孔滤膜过滤并超声后使用。HNS、HNBB标准品(自制), 经熔点测定法、高效液相色谱法和红外光谱法检测均满足色谱分析的要求。

HNS标准溶液的配制:精确称取HNS标准品0.0050 g, 加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中, 得到100 mg·L^-1的HNS储备液, 震荡、超声使之溶解, 于4 ℃下避光保存备用。实验时, 将储备液用乙腈逐级稀释, 配制成5，10，20，50，100 mg·L^-1的系列标准溶液。

HNBB标准溶液的配制: 精确称取HNS标准品0.0025 g, 加入乙腈定容至50 mL棕色容量瓶中,得到50 mg·L^-1的HNBB储备液,震荡、超声使之溶解,于4 ℃下避光保存备用。实验时,将储备液用乙腈逐级稀释,配制成2，5，10，20，50 mg·L^-1的系列标准溶液。

色谱柱: Hypersil ODS2色谱柱(250 mm×4.6 mm, 5 μm); 流动相:采用二元流动相体系, A相为乙腈, B相为水, 两者体积比为56:44;流动相流速0.7 mL·min^-1; 检测波长226 nm; 柱温25 ℃; 进样量10 μL。

(1) 检测波长的确定

以乙腈作溶剂, 配制质量浓度约为5 mg·L^-1的HNS和HNBB的乙腈溶液。由于乙腈的截止波长为190 nm, 为防止溶剂对分析结果造成干扰, 扫描波长范围设置为200~500 nm。用紫外-可见分光光度计下分别对HNS和HNBB溶液进行扫描, 以确定两者的最大吸收波长, 其紫外扫描图如图 1所示。由图 1可以读出, HNS和HNBB的最大吸收波长分别为226, 227 nm。可见在226 nm波长处, 两者均有较强的紫外吸收响应, 基质干扰较少, 满足残留检测的要求。因此, 选择226 nm为检测波长。

图 1(Fig. 1)

图 1 HNS和HNBB的紫外光谱 Fig.1 UV spectra of hexanitrostilbene (HNS) and hexanitrobibenzyl (HNBB)

(2) 流动相的选择

对于反相高效液相色谱法, 常用的有机溶剂为甲醇和乙腈。由于样品溶剂为乙腈, 选用乙腈作为流动相的有机相可以有效避免溶剂对分析造成干扰^[14]。实验分别对不同比例的流动相进行考察, 使乙腈体积分数分别为30%，40%，50%，60%和70%(以下均使用体积分数)。不同流动相比例下HNS样品的高效液相色谱图如表 2所示。由图 2可见, 当乙腈＜50%时(图 2a), 在60 min测定时间内不出峰, 无法洗脱; 当乙腈≥60%时(图 2b, 2c), HNS和HNBB的两峰相连, 无法分离。随后对流动相比例进行微调, 使乙腈分别为52%，54%，56%和58%，结果表明, 随乙腈体积分数增大, 流动相体系极性减小, 洗脱能力增强, 因此各组分保留时间缩短。其中以乙腈为56%时(图 2d), 峰形及峰展良好, 可实现基线分离, 多次试验分离度均大于3, 且分析时间在20 min以内, 满足分析要求。由于HNS极性强于HNBB, 根据“相似相溶”原理, HNS更易存在于溶剂中, HNBB则更易吸附在固定相上。因此, HNS、HNBB依次出峰, 均可排除基质对目标峰的干扰作用。

表 2(Tab. 2)

表 2 HNS、HNBB的加标回收率和相对标准偏差 Tab. 2 Spiked recovery and relative standard deviation(RSD) for HNS and HNBB compound concentration/mg·L-1 spiked recovery/ % RSD /% background added detected HNS 40 32 71.97 99.91 1.72 40 79.79 99.74 1.91 48 88.34 100.39 2.07 HNBB 40 32 72.10 100.14 1.85 40 79.84 99.60 1.63 48 87.82 99.80 1.90 Note:RSD is relative standard deviation．

表 2 HNS、HNBB的加标回收率和相对标准偏差 Tab.2 Spiked recovery and relative standard deviation(RSD) for HNS and HNBB

图 2(Fig. 2)

图 2 不同流动相比例下HNS样品的高效液相色谱图 Fig.2 High performance liquid chromatography (HPLC) chromatogram of HNS under different proportions of mobile phase

(3) 流动相流速的确定

实验考察了流动相流速分别为1.0，0.8，0.6, 0.4 mL·min^-1时的分离效果, 1.0, 0.4 mL·min^-1流速下的色谱图如图 3所示(其他流速下的色谱图与此类似)。结果表明, 随着流动相流速的减小, 分离度及灵敏度提高, 但各组分保留时间延长, 色谱峰变宽, 峰形变差。而对于以上各流速, 均可以达到基线分离, 满足分析要求。由结果可知, 0.6 mL·min^-1为较适宜流动相流速。随后进一步考察流动相流速为0.5, 0.7 mL·min^-1时的分离效果。综合考虑分离度、峰形、峰展和保留时间等因素, 选择0.7 mL·min^-1为最佳流动相流速。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同流动相流速下HNS样品的高效液相色谱图 Fig.3 HPLC chromatogram of HNS under different flow rates of mobile phase

(4) 柱温及进样量的确定

有研究表明, 柱温对色谱分析的分离度和柱效有一定的影响, 并且精确控制柱温有利于保留时间的再现^[15]。实验考察了柱温分别为20，25，30，40，50 ℃时的分离效果, 25 ℃柱温下的色谱图如图 4所示(其他柱温下的色谱图与此类似)。结果表明, 随着柱温的升高, 各种组分保留时间缩短, 但分离度降低, 并且柱温过高会降低色谱柱的使用寿命。综合以上因素, 同时为了方便操作, 选择25 ℃为最佳柱温。

图 4(Fig. 4)

图 4 25 ℃柱温下HNS样品的高效液相色谱图 Fig.4 HPLC chromatogram of HNS at 25 ℃ column temperatures

实验还对不同进样量对分离效果的影响进行了考察, 使进样量分别为20，15，10，5 μL。结果表明, 当进样量为10 μL, 既可以满足分离要求, 又可以达到较高的灵敏度。

在检测波长226 nm、流动相乙腈:水=56:44、流动相流速0.7 mL·min^-1、柱温25 ℃和进样量10 μL的色谱条件下, 对标准混合溶液进行检测, 结果如图 5所示。从图 5中可以看出, HNS和HNBB能够良好地检出和分离。

图 5(Fig. 5)

图 5 标准混合溶液的高效液相色谱图 Fig.5 HPLC chromatogram of the mixture of HNS and HNBB standards

(1) 线性范围、检出限和定量限

在2.3节的色谱条件下, 将配制好的每个浓度水平的HNS和HNBB标准品溶液平行进样3次, 为避免干扰, 从低浓度到高浓度依次进样。以3次进样得到的峰面积(mV)的平均值为纵坐标, 各标准品的质量浓度(mg·L^-1)为横坐标进行线性回归, 建立标准曲线。将5 mg·L^-1的HNS标准溶液和2 mg·L^-1的HNBB标准溶液逐步稀释, 分别进行分析, 直至响应值为仪器基线噪声的三倍, 即信噪比S/N=3确定为检出限, 以十倍信噪比(S/N=10)确定定量限。HNS和HNBB的线性回归方程、相关系数、线性范围以及检出限、定量限见表 1。表 1结果表明, 在选定的浓度范围内, 所有目标物的质量浓度与峰面积的线性关系良好, 线性相关系数均大于0.999, 说明该方法具有良好的线性相关性; 检出限与定量限较低, 说明该方法灵敏度较高, 满足分析要求。

表 1(Tab. 1)

表 1 HNS和HNBB的线性回归方程、相关系数、线性范围、检出限和定量限 Tab. 1 Regression equation, linear range, correlation coefficient(r), detection limit(LOD) and quantification limit(LOQ) for HNS and HNBB compound regression equation r linear range /mg·L-1 LOD /mg·L-1 LOQ /mg·L-1 HNS y=87.01085x-408.01961 0.99974 5~100 0.60 2.00 HNBB y=79.72865x+8.62354 0.99966 2~50 0.31 1.02

表 1 HNS和HNBB的线性回归方程、相关系数、线性范围、检出限和定量限 Tab.1 Regression equation, linear range, correlation coefficient(r), detection limit(LOD) and quantification limit(LOQ) for HNS and HNBB

(2) 准确度和精密度

在2.3节的色谱条件下进行加标回收试验, 添加水平分别为样品中含量的80%、100%和120%, 每个添加水平进样3次, 用外标法计算平均回收率及精密度。HNS、HNBB的加标回收率和相对标准偏差(RSD)数据如表 2所示。由表 2可见, HNS、HNBB的回收率为99.60%~100.39%, 因此, 该方法的回收率较好; RSD均不高于2.07%, 因此, 该方法的精密度良好。

(3) 稳定性和重现性

取一份样品溶液, 一天内每间隔3 h进样一次, 重复3次, 测定日内精密度; 连续3天, 每天进样一次, 测定日间精密度。结果表明, 日内及日间精密度范围为0.54%~1.02%, 该方法的稳定性和重现性良好。

探索了流动相、流速、检测波长和柱温对HNS的分析效果的影响, 建立了一种HNS的反相高效液相色谱分析方法, 优化后的色谱条件为:以乙腈和水为流动相, 比例为56:44, 流速为0.7 mL·min^-1, 采用紫外-可见检测器, 检测波长226 nm, 柱温25 ℃, 进样量10 μL。实验结果表明, 该法分离度可达3以上, HNS和HNBB能够良好地分离和分析。

通过对方法线性关系、检出限、定量限、回收率和精密度的考察, 表明该方法简单、有效, 可在20 min内完成HNS的快速分析, 同时具有良好的稳定性和重现性, 为HNS产品提供了简便实用的定性及定量分析手段。