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(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 分析化學(xué)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

電力變壓器是電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備，其絕緣故障主要由變壓器的絕緣系統(tǒng)老化所致。開展運(yùn)行變壓器絕緣系統(tǒng)老化狀態(tài)的評(píng)估，并及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，可避免電網(wǎng)突發(fā)事故給國(guó)家和企業(yè)造成巨大損失。在變壓器絕緣系統(tǒng)中，因絕緣紙無法更換，故常以絕緣紙的老化特征量評(píng)估運(yùn)行變壓器絕緣系統(tǒng)的老化狀態(tài)?？啡榻^緣紙的降解產(chǎn)物，在變壓器油中具有積累效應(yīng)，且可在線檢測(cè)，因此我國(guó)現(xiàn)行的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)的IEC標(biāo)準(zhǔn)均將變壓器油中糠醛含量作為老化特征量來評(píng)估變壓器絕緣紙的老化狀況[1]。但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，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(xù)老化的狀態(tài)嚴(yán)重不符。絕緣紙老化后期，糠醛被氧化生成糠酸等物質(zhì)的反應(yīng)速度大于絕緣紙降解生成糠醛的速度是導(dǎo)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(jiān)測(cè)的紙絕緣老化特征量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變壓器絕緣紙老化降解并溶于變壓器油中的特征產(chǎn)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(chǎn)物甲醇和乙醇作為新的潛在老化特征量備受關(guān)注[4-7]。根據(jù)甲醇和乙醇的分子結(jié)構(gòu)，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(xù)氧化生成甲酸和乙酸。絕緣紙老化降解產(chǎn)生的羧酸具有碳鏈短、極性大和酸性強(qiáng)的特點(diǎn)，是影響變壓器油中酸值變化的主要因素[8-10]。根據(jù)相似相溶原理，極性較強(qiáng)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(xué)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(xiàn)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(cè)定方法，有助于從反應(yīng)機(jī)理上探討變壓器油中酸值變化與絕緣紙老化狀態(tài)之間的關(guān)系，并可為新的潛在老化特征量的建立以及現(xiàn)有老化特征量糠醛的正確使用提供技術(shù)積累。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)短碳鏈羧酸類物質(zhì)的分析報(bào)道較多，常用方法是將羧酸衍生化后再進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)測(cè)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(cè)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)[14-16]。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，油基質(zhì)中羧酸含量的測(cè)定常采用液液微萃取結(jié)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(cè)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(cè)定了變壓器油中的糠醛及其降解產(chǎn)物糠酸等。相較于水溶液，油基質(zhì)中有機(jī)化合物含量測(cè)定的報(bào)道較少，變壓器油絕緣紙老化降解產(chǎn)物含量的測(cè)定方法研究亦少見報(bào)道。

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890N-5973 GC-MS聯(lián)用儀、Agilent 1260高效液相色譜(美國(guó)Agilent公司)；2010PLUS氣相色譜儀(日本島津公司)；Milli-Q Advantage A10超純水系統(tǒng)(美國(guó)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(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)。

甲醇、乙腈(色譜純，美國(guó)Fisher公司)；甲酸、乙酸、正己烷、正辛醇(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(jí)，上海Sigma公司)；克拉瑪依25#變壓器油(中國(guó)電力科學(xué)院提供)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

混合羧酸的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。用乙腈稀釋該儲(chǔ)備液得所需濃度的混合羧酸標(biāo)準(zhǔn)乙腈溶液。

混合羧酸的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)正辛醇儲(chǔ)備液。

混合羧酸的標(biāo)準(zhǔn)變壓器油樣：取不同體積1 000.0 mg/L的混合羧酸標(biāo)準(zhǔn)正辛醇儲(chǔ)備液，用空白變壓器油稀釋成所需濃度的標(biāo)準(zhǔn)變壓器油樣。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 加速熱老化實(shí)驗(yàn)按常規(guī)550 kV變壓器內(nèi)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(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)入25 mL頂空瓶中，加入100 μL BSTFA，密封，60 ℃下衍生化反應(yīng)60 min。

1.3.3 分散液液微萃取取2 mL甲酸、乙酸和糠酸標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)物的GC測(cè)定HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；檢測(cè)器為氫火焰離子檢測(cè)器(FID)；載氣為氮?dú)?；柱流? mL/min；分流比10∶1；進(jìn)樣量1 μL；進(jìn)樣口溫度260 ℃；檢測(cè)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(chǎn)物的GC-MS測(cè)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(cè)定Agilent XDB-C18色譜柱(4.6 mm×150 mm×5 μm)；二極管陣列檢測(cè)器(DAD)；柱溫為25 ℃；流動(dòng)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(jìn)樣量10 μL；檢測(cè)波長(zhǎng)：甲酸和乙酸為210 nm，糠酸為242 nm。

圖1 目標(biāo)分析物標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)物)，2：silanization product of acetic acid(乙酸硅烷化產(chǎn)物)，3：silanization product of furoic acid(糠酸硅烷化產(chǎn)物)

2 結(jié)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(biāo)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(biāo)分析物，按照“1.2”方法配制不同質(zhì)量濃度的混合羧酸標(biāo)準(zhǔn)乙腈溶液分別進(jìn)行單一衍生化實(shí)驗(yàn)和不同濃度3種混合羧酸的同時(shí)衍生化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)單一衍生化實(shí)驗(yàn)的出峰時(shí)間和不同濃度混合羧酸的出峰強(qiáng)度，確定甲酸、乙酸和糠酸的硅烷化產(chǎn)物的出峰時(shí)間。對(duì)質(zhì)量濃度均為30 mg/L的甲酸、乙酸和糠酸的混合標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行衍生化反應(yīng)后，按“1.4.1”方法進(jìn)行GC檢測(cè)。結(jié)果顯示，目標(biāo)羧酸的硅烷化衍生產(chǎn)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(yōu)化硅烷化反應(yīng)受反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響較大。分別在40、50、60、70、80 ℃下衍生反應(yīng)60 min，結(jié)果顯示，隨反應(yīng)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(shí)甲酸的硅烷化效率明顯降低。由于60 ℃時(shí)3種目標(biāo)物的硅烷化效率最大，故選擇60 ℃為硅烷化反應(yīng)溫度。

在60 ℃下考察了反應(yīng)時(shí)間(30、45、60、75、90 min)對(duì)目標(biāo)分析物硅烷化效率的影響，結(jié)果表明隨反應(yīng)時(shí)間從30 min延長(zhǎng)至60 min，目標(biāo)分析物的硅烷化效率均呈上升趨勢(shì);此后繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，硅烷化效率變化不大。因此確定目標(biāo)羧酸的硅烷化衍生溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)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(duì)老化油樣中的羧酸進(jìn)行衍生化反應(yīng)，取反應(yīng)后溶液進(jìn)行GC-MS分析，對(duì)比空白油樣和老化油樣的分析結(jié)果，確定老化變壓器油樣中的14種短碳鏈羧酸類物質(zhì)如表1所示。結(jié)果顯示，在老化變壓器油中檢出老化特征量糠醛的氧化產(chǎn)物糠酸，以及潛在老化特征量甲醇和乙醇的氧化產(chǎn)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(cè)結(jié)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(cè)定

圖2 混合羧酸標(biāo)準(zhǔn)油樣(a)、新油樣(b)、老化12 d油樣加標(biāo)(c)和老化24 d油樣加標(biāo)(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(cè)定按“1.2”方法配制甲酸、乙酸和糠酸的標(biāo)準(zhǔn)變壓器油樣，采用“1.3.3”方法進(jìn)行分散液液微萃取后，對(duì)水萃取相進(jìn)行HPLC測(cè)定。在“1.4.3”實(shí)驗(yàn)條件下，甲酸、乙酸和糠酸均得到較好分離(圖2a)，其保留時(shí)間分別為1.827、2.592、7.695 min。新油樣測(cè)定的色譜圖見圖2b，在新油樣中未檢出目標(biāo)化合物，可知目標(biāo)化合物為老化產(chǎn)物。

2.2.2 線性關(guān)系與檢出限配制甲酸和乙酸質(zhì)量濃度為0.05、0.5、5.0、10.0、50.0 mg/L，糠酸質(zhì)量濃度為0.001、0.01、0.1、1.0、2.0 mg/L的混合羧酸標(biāo)準(zhǔn)變壓器油樣，進(jìn)行DLLME/HPLC測(cè)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(jù)色譜相關(guān)理論，當(dāng)色譜峰的分離度R=1.0時(shí)，裸露峰面積為95.4%，可認(rèn)為基本分離[19]。故甲酸的峰面積計(jì)算采用手動(dòng)積分方式進(jìn)行。由表2可知，3種目標(biāo)羧酸在一定的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)(r)均不小于0.998；富集倍數(shù)為8～10倍；方法檢出限(S/N=3)為7.0～47.3 μg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定按“1.3.1”方法進(jìn)行加速熱老化實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同老化時(shí)間的樣品進(jìn)行測(cè)定并做加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，老化12 d油樣和老化24 d油樣加標(biāo)樣的色譜圖見圖2c～d。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，老化油樣中乙酸出峰附近有一未知老化產(chǎn)物出峰。進(jìn)一步對(duì)不同老化時(shí)間(3、6、9、12、15、18、21、24、27、30 d)的樣品進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)老化時(shí)間在3～18 d內(nèi)，乙酸與該未知老化產(chǎn)物的含量較低時(shí)，兩色譜峰完全分開。隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，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(yuǎn)大于未知干擾物，因此該未知老化產(chǎn)物對(duì)乙酸測(cè)定產(chǎn)生的干擾較小，對(duì)有干擾的樣品，則采用手動(dòng)積分計(jì)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(guān)系數(shù)(r)、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、檢出限及富集倍數(shù)(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(biāo)回收率測(cè)定結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，3種目標(biāo)羧酸的加標(biāo)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(guān)性，因此該結(jié)果與文獻(xiàn)[6-7]報(bào)道的老化變壓器油中絕緣紙降解產(chǎn)生的乙醇量明顯高于甲醇的結(jié)論相符。

表3 老化12 d和24 d油樣中甲酸、乙酸和糠酸的測(cè)定結(jié)果及加標(biāo)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(jié) 論

本文以甲酸、乙酸和糠酸為目標(biāo)分析物，研究了BSTFA硅烷化衍生/GC-MS測(cè)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(cè)定老化變壓器油中3種目標(biāo)產(chǎn)物的定量方法。所建立的方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)老化變壓器油中羧酸的定性分析檢出率高，定量分析準(zhǔn)確可靠，且環(huán)境友好。運(yùn)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(duì)老化特征量可能的氧化產(chǎn)物甲酸、乙酸和糠酸的含量進(jìn)行了同時(shí)測(cè)定，為變壓器油紙絕緣老化特征量的應(yīng)用和研究提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。