超高效液相色譜法測定精對苯二甲酸中的微量雜質(zhì)

張育紅，郭一丹，王 川

(中國石化集團上海石油化工研究院，上海201208)

精對苯二甲酸(PTA)是一種大宗有機化工原料，主要用于生產(chǎn)聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)及后續(xù)產(chǎn)品如纖維、瓶片、薄膜以及工程塑料等［1］。對羧基苯甲醛(4-CBA)和對甲基苯甲酸(p-TOL)是PTA產(chǎn)品中的兩種主要雜質(zhì)，影響PET特性黏數(shù)及相對分子質(zhì)量等，SH/T 1612.1—2005規(guī)定［2］:4-CBA 含量應(yīng)小于等于 25 mg/kg，p-TOL含量應(yīng)小于等于150 mg/kg。快速、準(zhǔn)確測定PTA產(chǎn)品中4-CBA和 p-TOL的含量，對于PTA產(chǎn)品的質(zhì)量控制十分重要。

高效液相色譜法和毛細管電泳法為PTA產(chǎn)品中4-CBA 和 p-TOL 的常用分析方法［3－5］。超高效液相色譜(UPLC)是近10年來發(fā)展起來的一項液相色譜技術(shù)，由于采用了小顆粒填料(填料粒徑小于2 μm)、超高壓系統(tǒng)、低系統(tǒng)體積及快速檢測等技術(shù)，使分析速度、分離效率和檢測靈敏度顯著提高，從而實現(xiàn)了液相色譜性能的全面提升。目前，該技術(shù)在食品、環(huán)保、制藥等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［6］。作者基于UPLC技術(shù)，建立了PTA中兩種微量有機雜質(zhì)4-CBA和p-TOL的快速定量方法，并較好地應(yīng)用于PTA產(chǎn)品分析。

1 實驗

1.1 試樣與試劑

4-CBA，p-TOL:均為分析純，日本東京化成工業(yè)發(fā)展有限公司提供;PTA標(biāo)準(zhǔn)試樣:4-CBA含量為10.0 mg/kg，p-TOL 含量為127.1 mg/kg，日本三菱化學(xué)公司提供;氨水、磷酸:均為分析純，中國國藥公司提供;乙腈:HPLC級，美國Fisher Scientific公司提供;PTA、中純度對苯二甲酸生產(chǎn)實際試樣:中國石化儀征化纖股份有限公司及日本三菱化學(xué)公司提供。

1.2 儀器

Waters Acquity UPLC H-Class超高效液相色譜儀:配自動進樣器、四元泵、二極管陣列紫外檢測器及工作站，色譜柱 Acquity UPLC BEH C18(150 mm × 3.0 mm，1.7 μm，150 mm ×2.1 mm，1.7 μm，100 mm ×2.1 mm，1.7 μm)、色譜柱 BEH HSS C18(100 mm × 2.1 mm，1.8 μm)、色譜柱HSST3(100 mm ×2.1 mm，1.8 μm)、色譜柱 BEH AMIDE(100 mm × 2.1 mm，1.7 μm)、色譜柱BEH HILIC(100 mm × 2.1 mm，1.7 μm)，美國Waters公司制。Milli-Q型超純水系統(tǒng):美國密理博公司制。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

4-CBA和p-TOL標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制:準(zhǔn)確稱取0.025 g 4-CBA 和 0.200 g p-TOL于 25mL燒杯中，加入適量水，滴入數(shù)滴稀氨水(體積分?jǐn)?shù)12.5%)，攪拌使其完全溶解，再用磷酸溶液(體積分?jǐn)?shù)17%)調(diào)節(jié)pH值至6～7，移至50 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，溶液中4-CBA和p-TOL濃度為500 μg/mL 和4 000 μg/mL。再用水稀釋50倍，得到 10 μg/mL 的 4-CBA 和 80 μg/mL 的p-TOL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，臨用前過濾。

PTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制:在25 mL燒杯中，準(zhǔn)確稱取0.500 g PTA標(biāo)準(zhǔn)試樣，加入3 mL體積分?jǐn)?shù)為12.5%的稀氨水，再加入水至約10 mL，使其完全溶解，移至250 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，配制的PTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，臨用前過濾。

PTA加標(biāo)溶液的配制:準(zhǔn)確稱取5份0.500 g PTA試樣，置于25 mL燒杯中，加入3 mL體積分?jǐn)?shù)為12.5%的稀氨水溶液，再加入水至約10 mL，使其完全溶解，移至250 mL的容量瓶中。然后準(zhǔn)確移取一定體積的4-CBA和p-TOL標(biāo)準(zhǔn)溶液至容量瓶中，用水稀釋至刻度，得到系列PTA加標(biāo)溶液 1#，2#，3#，4#，5#，其中 4-CBA 加標(biāo)濃度依次為0，10.0，20.0，30.0，40.0 mg/kg，p-TOL 加標(biāo)濃度分別為 0，80.0，160.0，240.0，320.0 mg/kg，臨用前過濾。PTA實際試樣溶液的配制方法同PTA標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.4 色譜分析方法

采用梯度洗脫程序進行反相液相色譜分析(見表1)。流動相:A為乙腈，B為水，C為水和磷酸的混合溶液(磷酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%)。流速 0.7 mL/min，柱溫 40℃，進樣量 3.0 μL;4-CBA和p-TOL的紫外檢測波長分別為254 nm和240 nm。

表1 UPLC流動相梯度洗脫程序Tab.1 UPLC gradient elution program

1.5 PTA試樣的分析

按1.4節(jié)色譜分析方法對PTA標(biāo)準(zhǔn)溶液進行分析，記錄4-CBA和p-TOL的峰面積。在相同條件下分析PTA實際試樣，以外標(biāo)法計算PTA試樣中4-CBA和p-TOL的含量。

2 結(jié)果和討論

2.1 色譜條件的優(yōu)化

2.1.1 色譜柱

通常采用離子交換色譜法或反相色譜法分析PTA。考慮到離子交換柱使用壽命偏短，緩沖鹽體系容易引起色譜系統(tǒng)的堵塞和高壓泵的磨損，本實驗僅對反相色譜法進行研究。在反相色譜柱上，由于4-CBA雜質(zhì)峰在PTA拖尾峰上流出，如何實現(xiàn)4-CBA雜質(zhì)峰與PTA主峰的有效分離是本研究的一個難點。首先通過對PTA標(biāo)樣的分析，考察了 PTA及其雜質(zhì)組分在以下規(guī)格的UPLC色譜柱上的分離情況，色譜柱為:BEH C18，BEH HSS C18，HSS T3，BEH AMIDE，BEH HILIC。其中前2種色譜柱為三官能團C18鍵合柱，性能接近，而后兩種色譜柱含極性官能團，更適合于極性組分的分離。實驗結(jié)果表明，PTA試樣中4-CBA和p-TOL在BEH C18柱上的整體分離效果明顯好于其他類型的色譜柱，尤其是4-CBA組分與PTA主峰的分離較好。

與內(nèi)徑為2.1 mm的BEH C18色譜柱相比，內(nèi)徑為3 mm的BEH C18色譜柱柱容量大，允許更大的進樣量(3.0 μL)，更有利于微量組分4-CBA的靈敏檢測，因此后續(xù)實驗工作均在 BEH C18柱(150 mm ×3.0 mm，1.7 μm)上進行，PTA 試樣的典型液相色譜見圖1。

圖1 PTA試樣的液相色譜Fig.1 Liquid phase chromatogram of PTA sample

圖1中色譜峰1，2為PTA峰，是由于PTA為二元酸，在水溶液中容易電離，形成酸根離子。采用C18色譜柱分離PTA時，在流動相中存在對苯二甲酸的電離平衡。由于對苯二甲酸酸根離子和對苯二甲酸分子與C18固定相之間相互作用的差異，因此在色譜圖上出現(xiàn)兩個色譜峰，推測其中保留時間(Rt)為1.0 min的峰為對苯二甲酸酸根離子，Rt為2.6 min的色譜峰為對苯二甲酸分子。

2.1.2 流動相

反相液相色譜通常以水和乙腈(或甲醇)為流動相。考慮到乙腈的黏度比甲醇低，不易引起色譜柱壓過高，因而選擇水和乙腈為流動相。

PTA，4-CBA，p-TOL均為容易離子化的有機物，在C18色譜柱上的保留行為與溶液pH值密切相關(guān)。在流動相中加入適當(dāng)比例的酸，有助于強化這類化合物在C18色譜柱上的保留，進而提高分離度和檢測靈敏度。結(jié)果表明，在由水和乙腈組成的流動相中加入三氟乙酸或磷酸溶液后，4-CBA與PTA的分離度明顯提高。考慮到磷酸揮發(fā)性小，無紫外吸收，最終選擇在流動相中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的磷酸。

為提高分析效率和雜質(zhì)在BEH C18柱上的分離效果，探索了梯度洗脫模式，經(jīng)優(yōu)化的色譜洗脫條件見表1，色譜圖見圖1，可見4-CBA和p-TOL雜質(zhì)組分與PTA試樣基體實現(xiàn)了較好分離，分析時間在7 min以內(nèi)，為傳統(tǒng)液相色譜方法分析時間的1/3左右。

2.1.3 檢測波長的選擇

按1.4節(jié)色譜條件分析PTA標(biāo)準(zhǔn)溶液，發(fā)現(xiàn)4-CBA，p-TOL雜質(zhì)峰對應(yīng)的紫外光譜圖的紫外最大吸收波長分別在253.6 nm和238.2 nm處，因此確定以254 nm和240 nm分別作為4-CBA和p-TOL的檢測波長。

2.2 方法線性和加標(biāo)回收率及精密度試驗

對PTA加標(biāo)溶液1#～5#按1.4節(jié)方法進行5次重復(fù)測定，計算峰面積平均值。以4-CBA(或p-TOL)加標(biāo)濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得到4-CBA及p-TOL的線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)(r)分別見式(1)和式(2):

結(jié)果表明，4-CBA 質(zhì)量濃度為 1.5～41.5 mg/kg，p-TOL 質(zhì)量濃度為 62.0 ～382.0 mg/kg時，各自的濃度與峰面積均呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。從表2可以看出，4-CBA和 p-TOL的加標(biāo)回收率在95.6% ～99.5%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.1% ～1.9%，表明方法的準(zhǔn)確性和重復(fù)性良好。

表2 4-CBA和p-TOL的加標(biāo)回收率和精密度測定結(jié)果Tab.2 Precisions and recoveries of standard addition of 4-CBA and p-TOL

2.3 PTA試樣的分析結(jié)果

按1.4節(jié)色譜條件分析PTA生產(chǎn)實際試樣的雜質(zhì)含量，平行測定3次，取其平均值，見表3。

表3 PTA試樣的雜質(zhì)含量Tab.3 Impurity content of PTA sample

本方法也可應(yīng)用于中純度對苯二甲酸中的4-CBA和p-TOL含量的測定。采用此方法分析中純度對苯二甲酸試樣時，標(biāo)樣中4-CBA和p-TOL的含量應(yīng)與實際試樣中的接近。

3 結(jié)論

a.采用UPLC法建立了PTA中微量雜質(zhì)4-CBA和p-TOL的定量方法。4-CBA和p-TOL的峰面積與濃度的線性關(guān)系良好，r2分別為0.996和0.998，加標(biāo)回收率為 95.6% ～ 99.5%，RSD為0.1% ～1.9%，分析時間為傳統(tǒng)液相色譜方法的1/3左右。

b.與現(xiàn)有高效液相色譜方法相比，UPLC分析PTA具有高效、重復(fù)性好、溶劑消耗少等優(yōu)點。該方法可用于PTA產(chǎn)品及中純度對苯二甲酸的快速檢測。

［1］ 李永亮，孫小濤.中國PTA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.中國石油和化工經(jīng)濟分析，2013(8):46－49.

［2］ 全國化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會石油化學(xué)分技術(shù)委員會.SH/T 1612.1—2005工業(yè)用精二甲酸 (PTA)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［3］ 全國化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會石油化學(xué)分技術(shù)委員會.GB/T 30921.1—2014［S］，工業(yè)用精二甲酸 (PTA)試驗方法第1部分:對羧基苯甲醛(4-CBA)和對甲基苯甲酸(p-TOL)含量的測定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［4］ 孫雅茹.反相液相色譜法測定PTA中的4-CBA和PT酸含量［J］.石油化工.2003，32(9):805 －807.

［5］ 張愛平，侯晉，王豪，等.高效液相色譜法測定精對苯二甲酸中主要有機雜質(zhì)［J］.分析科學(xué)學(xué)報，2008，24(5):603 －605.

［6］ 甘賓賓，蔡卓，蔣世瓊，等.超高效液相色譜在現(xiàn)代分析檢驗中的應(yīng)用進展［J］.中國衛(wèi)生檢驗雜志，2008，18(5):955－957.