基于BSTFA衍生/GC-MS與DLLME/HPLC的老化變壓器油中短碳鏈羧酸的分析

李海燕，華 佳，王逸凡，楊 珍,2，李吟霜

(中南民族大學 化學與材料科學學院 分析化學國家民委重點實驗室，湖北 武漢 430074)

電力變壓器是電網安全運行的重要設備，其絕緣故障主要由變壓器的絕緣系統老化所致。開展運行變壓器絕緣系統老化狀態的評估，并及時采取應對措施，可避免電網突發事故給國家和企業造成巨大損失。在變壓器絕緣系統中，因絕緣紙無法更換，故常以絕緣紙的老化特征量評估運行變壓器絕緣系統的老化狀態。糠醛為絕緣紙的降解產物，在變壓器油中具有積累效應，且可在線檢測，因此我國現行的電力行業標準和美國的IEC標準均將變壓器油中糠醛含量作為老化特征量來評估變壓器絕緣紙的老化狀況[1]。但應用中發現，在變壓器絕緣紙老化后期變壓器油中的糠醛含量反而下降，這與絕緣紙持續老化的狀態嚴重不符。絕緣紙老化后期，糠醛被氧化生成糠酸等物質的反應速度大于絕緣紙降解生成糠醛的速度是導致變壓器油中糠醛含量不增反降的最主要原因[2-3]。為尋找新的可在線監測的紙絕緣老化特征量，國內外學者對變壓器絕緣紙老化降解并溶于變壓器油中的特征產物開展了大量研究，其中變壓器油酸值的變化和絕緣紙降解溶于變壓器油中的特征產物甲醇和乙醇作為新的潛在老化特征量備受關注[4-7]。根據甲醇和乙醇的分子結構，在變壓器絕緣老化過程中，變壓器油中甲醇和乙醇均可能被繼續氧化生成甲酸和乙酸。絕緣紙老化降解產生的羧酸具有碳鏈短、極性大和酸性強的特點，是影響變壓器油中酸值變化的主要因素[8-10]。根據相似相溶原理，極性較強的短鏈羧酸更傾向于吸附在主成分為纖維素的絕緣紙上，并可催化纖維素分子化學鍵的斷裂，從而降解生成更多的羧酸。絕緣紙老化后期，變壓器油中酸值的增速加快現象反映了絕緣紙的老化劣化加速[11-12]。開展老化變壓器油中短鏈羧酸的成分研究，建立變壓器油中甲酸、乙酸和糠酸含量的測定方法，有助于從反應機理上探討變壓器油中酸值變化與絕緣紙老化狀態之間的關系，并可為新的潛在老化特征量的建立以及現有老化特征量糠醛的正確使用提供技術積累。

目前，國內外對短碳鏈羧酸類物質的分析報道較多，常用方法是將羧酸衍生化后再進行氣相色譜-質譜(GC-MS)測定[13]。N,O-雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(BSTFA)作為常用的硅烷化試劑，具有衍生化率高、檢測簡便的優點[14-16]。文獻調研發現，油基質中羧酸含量的測定常采用液液微萃取結合高效液相色譜(LLME/HPLC)法。Khezeli 等[17]以低共熔溶劑為萃取劑，采取超聲波輔助-液液微萃取法從植物油中萃取阿魏酸、咖啡酸和肉桂酸用于HPLC測定。本課題組[18]以水為萃取劑，采用分散液液微萃取/高效液相色譜法(DLLME/HPLC)測定了變壓器油中的糠醛及其降解產物糠酸等。相較于水溶液，油基質中有機化合物含量測定的報道較少，變壓器油絕緣紙老化降解產物含量的測定方法研究亦少見報道。

本文以老化特征量糠醛的氧化產物糠酸以及潛在老化特征量甲醇、乙醇的氧化產物甲酸和乙酸為目標分析物，采用BSTFA硅烷化衍生的方法對老化變壓器油中短碳鏈羧酸組分進行GC-MS定性分析；并以水為萃取劑，采用DLLME/HPLC法同時測定了老化變壓器油中甲酸、乙酸和糠酸的含量。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890N-5973 GC-MS聯用儀、Agilent 1260高效液相色譜(美國Agilent公司)；2010PLUS氣相色譜儀(日本島津公司)；Milli-Q Advantage A10超純水系統(美國密理博公司)；WH-2微型渦旋混合儀(上海瀘西分析儀器廠有限公司)；TGL-16G離心機(上海安亭科學儀器廠)。

甲醇、乙腈(色譜純，美國Fisher公司)；甲酸、乙酸、正己烷、正辛醇(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；糠酸(分析純，上海晶純生化科技股份有限公司)；N,O-雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(BSTFA，GC衍生化級，上海Sigma公司)；克拉瑪依25#變壓器油(中國電力科學院提供)。

1.2 標準溶液的配制

混合羧酸的標準乙腈溶液：分別取20.3 μL甲酸、23.8 μL乙酸和0.025 0 g糠酸溶于25 mL乙腈中，得1 000.0 mg/L的混合羧酸標準儲備液。用乙腈稀釋該儲備液得所需濃度的混合羧酸標準乙腈溶液。

混合羧酸的標準正辛醇溶液：分別取20.3 μL甲酸、23.8 μL乙酸和0.025 0 g糠酸溶于25 mL正辛醇中，得1 000.0 mg/L的混合羧酸標準正辛醇儲備液。

混合羧酸的標準變壓器油樣：取不同體積1 000.0 mg/L的混合羧酸標準正辛醇儲備液，用空白變壓器油稀釋成所需濃度的標準變壓器油樣。

1.3 實驗方法

1.3.1 加速熱老化實驗按常規550 kV變壓器內部絕緣油和絕緣紙的比例制作絕緣體系模擬單元，并在110 ℃加速熱老化，每隔3 d取樣1次[5]。所取樣品為模擬熱老化油樣，在以下實驗中簡稱老化油樣。

1.3.2 羧酸的硅烷化衍生取3 mL 30 mg/L的甲酸、乙酸和糠酸標準變壓器油樣，加入300 μL乙腈渦旋萃取7 min，4 000 r/min離心5 min后，將乙腈相轉入25 mL頂空瓶中，加入100 μL BSTFA，密封，60 ℃下衍生化反應60 min。

1.3.3 分散液液微萃取取2 mL甲酸、乙酸和糠酸標準變壓器油樣于5 mL離心管中，加入1 mL正己烷稀釋，再加入180 μL超純水渦旋萃取5 min，4 500 r/min離心5 min后，取下層水萃取相待用。

1.4 分析方法

1.4.1 混合羧酸衍生化產物的GC測定HP-5MS毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；檢測器為氫火焰離子檢測器(FID)；載氣為氮氣；柱流速1 mL/min；分流比10∶1；進樣量1 μL；進樣口溫度260 ℃；檢測器溫度280 ℃；程序升溫：60 ℃保持3 min，然后以10 ℃/min升至260 ℃，并保持10 min。

1.4.2 混合羧酸衍生化產物的GC-MS測定GC條件同“1.4.1”。MS條件：電子電離源(EI)；離子源溫度230 ℃；四極桿溫度150 ℃；接口溫度280 ℃；電子能量70 eV。

1.4.3 混合羧酸的HPLC測定Agilent XDB-C18色譜柱(4.6 mm×150 mm×5 μm)；二極管陣列檢測器(DAD)；柱溫為25 ℃；流動相：A為甲醇，B為25 mmol/L磷酸鹽緩沖液(pH 2.1)。梯度洗脫程序：0～3.5 min，5%A；3.5～4.0 min，5%～25%A；4.0～9.0 min，25%A。流速1 mL/min；進樣量10 μL；檢測波長：甲酸和乙酸為210 nm，糠酸為242 nm。

圖1 目標分析物標準油樣萃取相衍生化后的色譜圖Fig.1 Chromatogram of the extraction phase of three target analytes after derivatization1：silanization product of formic acid(甲酸硅烷化產物)，2：silanization product of acetic acid(乙酸硅烷化產物)，3：silanization product of furoic acid(糠酸硅烷化產物)

2 結果與討論

2.1 變壓器油中短碳鏈羧酸的定性分析

2.1.1 目標羧酸的GC分析方法研究按“1.3.2”衍生化條件，以甲酸、乙酸和糠酸為目標分析物，按照“1.2”方法配制不同質量濃度的混合羧酸標準乙腈溶液分別進行單一衍生化實驗和不同濃度3種混合羧酸的同時衍生化實驗，根據單一衍生化實驗的出峰時間和不同濃度混合羧酸的出峰強度，確定甲酸、乙酸和糠酸的硅烷化產物的出峰時間。對質量濃度均為30 mg/L的甲酸、乙酸和糠酸的混合標準油樣進行衍生化反應后，按“1.4.1”方法進行GC檢測。結果顯示，目標羧酸的硅烷化衍生產物的分離度較高，峰形較好(圖1)。

2.1.2 硅烷化衍生條件的優化硅烷化反應受反應溫度和反應時間的影響較大。分別在40、50、60、70、80 ℃下衍生反應60 min，結果顯示，隨反應溫度從40 ℃升至60 ℃，甲酸、乙酸和糠酸的硅烷化效率均增加，溫度大于60 ℃時甲酸的硅烷化效率明顯降低。由于60 ℃時3種目標物的硅烷化效率最大，故選擇60 ℃為硅烷化反應溫度。

在60 ℃下考察了反應時間(30、45、60、75、90 min)對目標分析物硅烷化效率的影響，結果表明隨反應時間從30 min延長至60 min，目標分析物的硅烷化效率均呈上升趨勢;此后繼續延長反應時間，硅烷化效率變化不大。因此確定目標羧酸的硅烷化衍生溫度為60 ℃，反應時間為60 min。

2.1.3 老化變壓器油中短碳鏈羧酸的GC-MS分析采用上述建立的硅烷化衍生方法，對老化油樣中的羧酸進行衍生化反應，取反應后溶液進行GC-MS分析，對比空白油樣和老化油樣的分析結果，確定老化變壓器油樣中的14種短碳鏈羧酸類物質如表1所示。結果顯示，在老化變壓器油中檢出老化特征量糠醛的氧化產物糠酸，以及潛在老化特征量甲醇和乙醇的氧化產物甲酸和乙酸。

表1 老化變壓器油中短碳鏈羧酸的硅烷化GC-MS檢測結果Table 1 GC-MS detection results of short-chain carboxylic acids in transformer oil of accelerated aging by silanization

2.2 變壓器油中甲酸、乙酸與糠酸含量的HPLC測定

圖2 混合羧酸標準油樣(a)、新油樣(b)、老化12 d油樣加標(c)和老化24 d油樣加標(d)的色譜圖Fig.2 Chromatograms of standard substances(a)，fresh transformer oil(b)，the spiked sample of aged 12 d(c) and the spiked sample of aged 24 d(d) detection wavelength：210 nm

2.2.1 變壓器油中羧酸含量的測定按“1.2”方法配制甲酸、乙酸和糠酸的標準變壓器油樣，采用“1.3.3”方法進行分散液液微萃取后，對水萃取相進行HPLC測定。在“1.4.3”實驗條件下，甲酸、乙酸和糠酸均得到較好分離(圖2a)，其保留時間分別為1.827、2.592、7.695 min。新油樣測定的色譜圖見圖2b，在新油樣中未檢出目標化合物，可知目標化合物為老化產物。

2.2.2 線性關系與檢出限配制甲酸和乙酸質量濃度為0.05、0.5、5.0、10.0、50.0 mg/L，糠酸質量濃度為0.001、0.01、0.1、1.0、2.0 mg/L的混合羧酸標準變壓器油樣，進行DLLME/HPLC測定。因甲酸的色譜峰與死體積峰未完全分開(R=1.0<1.5)，根據色譜相關理論，當色譜峰的分離度R=1.0時，裸露峰面積為95.4%，可認為基本分離[19]。故甲酸的峰面積計算采用手動積分方式進行。由表2可知，3種目標羧酸在一定的質量濃度范圍內線性良好，相關系數(r)均不小于0.998；富集倍數為8～10倍；方法檢出限(S/N=3)為7.0～47.3 μg/L，相對標準偏差(RSD)分別為2.4%、3.3%和3.6%。

2.2.3 老化油樣中甲酸、乙酸與糠酸的測定按“1.3.1”方法進行加速熱老化實驗，對不同老化時間的樣品進行測定并做加標回收率實驗，老化12 d油樣和老化24 d油樣加標樣的色譜圖見圖2c～d。結果發現，老化油樣中乙酸出峰附近有一未知老化產物出峰。進一步對不同老化時間(3、6、9、12、15、18、21、24、27、30 d)的樣品進行測定，發現老化時間在3～18 d內，乙酸與該未知老化產物的含量較低時，兩色譜峰完全分開。隨著老化時間的增長，二者含量增加，老化21～30 d的油樣中乙酸出峰受到干擾，但因乙酸的色譜峰面積遠大于未知干擾物，因此該未知老化產物對乙酸測定產生的干擾較小，對有干擾的樣品，則采用手動積分計算乙酸的峰面積。

表2 甲酸、乙酸和糠酸的線性方程、線性范圍、相關系數(r)、相對標準偏差、檢出限及富集倍數(n=8)Table 2 Linear equations,linear ranges,correlation coefficients(r),RSDs,LODs and enrichment factors(EFs)of formic acid,acetic acid and furoic acid(n=8)

*y：peak area；x：concentration of target analyte(mg/L)

老化12 d和老化24 d油樣的加標回收率測定結果見表3。結果顯示，3種目標羧酸的加標回收率為91.7%～107%，RSD為3.2%～4.9%。另外，老化油樣中的乙酸含量高于甲酸，由于老化變壓器油中乙酸含量與變壓器絕緣紙降解生成的乙醇含量具有正相關性，因此該結果與文獻[6-7]報道的老化變壓器油中絕緣紙降解產生的乙醇量明顯高于甲醇的結論相符。

表3 老化12 d和24 d油樣中甲酸、乙酸和糠酸的測定結果及加標回收率(n=6)Table 3 Detection results and recoveries of formic acid,acetic acid and furoic acid in oil samples aged for 12 d and 24 d(n=6)

3 結 論

本文以甲酸、乙酸和糠酸為目標分析物，研究了BSTFA硅烷化衍生/GC-MS測定老化變壓器油中短碳鏈羧酸的定性分析方法；并以水為萃取劑，建立了DLLME/HPLC測定老化變壓器油中3種目標產物的定量方法。所建立的方法操作簡單，對老化變壓器油中羧酸的定性分析檢出率高，定量分析準確可靠，且環境友好。運用該方法在老化變壓器油樣品中檢出14種短碳鏈羧酸，并對老化特征量可能的氧化產物甲酸、乙酸和糠酸的含量進行了同時測定，為變壓器油紙絕緣老化特征量的應用和研究提供了科學數據。