熱重-流動(dòng)載氣液滴微吸附體系的建立及其應用于卷煙紙的熱解產(chǎn)物分析

第39卷分析化學(xué)( FENXI HUAXUE)研究報告第1期2011年1月Chinese Jourmal of Analytical Chemistry5l~56DoI:10.3724/SP.J.1096.2011.0005熱重流動(dòng)載氣液滴微吸附體系的建立及其應用于卷煙紙的熱解產(chǎn)物分析朱文輝口2楊柳楊繼3吳億勤董學(xué)暢2繆明明(紅塔煙草(集團)有限責任公司技術(shù)中心玉溪653100)2(云南民族大學(xué)化學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,昆明650031)3(云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院,昆明650001)‘(云南煙草科學(xué)研究院,昆明650106摘要將液相微萃取技術(shù)用于流動(dòng)載氣條件下熱重逸出組分的吸附,自行設計和建立了熱重流動(dòng)載氣液滴微吸附( TG-GFSDMA)聯(lián)用裝置,并結合氣相色譜質(zhì)譜(GCMS),建立了可以進(jìn)行熱重逸出組分分析的檢測系統。使用該系統并結合劃分溫度段連續取樣法,研究了卷煙紙在主失重區的熱失重行為及其熱解逸出產(chǎn)物,并考察了熱重載氣流量對液滴微吸附(SDMA)高集效果的影響。此外,以熱解逸出產(chǎn)物中各化合物的相對含量差異驗證了檢測系統的可靠性及其應用于熱解逸出產(chǎn)物分析的可行性。結果表明:此檢測系統在復雜逸出組分分析方面具有明顯優(yōu)勢;320~340℃范圍內共檢測到18種主要熱解逸出產(chǎn)物,根據其相對含量計算所得的相對標準偏差(n=5)均小于5%;在100~400mL/min載氣流量范圍內,隨者載氣流量的提高,液滴微吸附可獲得更好的吸附效果。關(guān)鍵詞熱重逸出組分分析;流動(dòng)載氣液滴微吸附;熱解;液相微萃取;卷煙紙1引言熱重分析(TG是應用熱天平在程序控制溫度下測量樣品質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù),主要用于研究材料的熱穩定性及其組分。熱重分析與其它分析儀器聯(lián)用可進(jìn)行熱重逸出組分分析,如熱重傅立葉變換紅外( TG-FTIR)和熱重質(zhì)譜( TG-MS)等,推進(jìn)了熱重分析在燃料化學(xué)、材料、聚合物、含能材料、煙草化學(xué)等領(lǐng)域的應用-”。 TG-FTIR和TGMS可在線(xiàn)監測逸出組分,但對于產(chǎn)物相對復雜的熱解反應,由于其逸出組分未經(jīng)色譜分離而以混合物的形式直接進(jìn)入后續檢測系統,其熱解產(chǎn)物的定性和半定量分析相對困難。因此,有必要設計一種可分離并檢測復雜熱重逸出組分的聯(lián)用技術(shù)液相微萃取( Liquid phase microextration,LPME)集采樣、萃取和濃縮于一體,具有靈敏度高操作簡(jiǎn)單、快捷廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn),作為一種新型樣品前處理技術(shù),現已得到廣泛應用。其中,微滴液相微萃取在萃取完成后可直接進(jìn)樣到GCMS分析,可將LPME技術(shù)拓展并應用于熱重逸出組分的吸附在LPME技術(shù)的基礎上,本研究設計了流動(dòng)載氣液滴微吸附( Gas flow-single drop micro-adsorption,,GF-SDMA)的揮發(fā)性有機物富集技術(shù),并建立了熱重-流動(dòng)載氣液滴微吸附氣相色譜質(zhì)譜(TGGFSDMA-GC-MS)檢測系統。按照劃分溫度段的連續取樣方式,利用SDMA裝置在熱重出口處吸附各溫度段的熱解逸出產(chǎn)物,然后通過(guò)GCMS對其進(jìn)行定性和半定量分析。研究了麻漿卷煙紙在主失重區的熱失重行為及其熱解逸出產(chǎn)物,對比了各溫度段熱解產(chǎn)物總峰面積的變化情況?？疾炝藷嶂剌d氣流量對SDMA吸附效果的影響,并進(jìn)一步研究了在流動(dòng)載氣條件下SDMA吸附的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。通過(guò)對比5次實(shí)驗中320~340℃范圍內熱解逸出產(chǎn)物的相對含量差異,驗證了檢測系統的可靠性及其應用于熱解逸出產(chǎn)物分析的可行性。此檢測系統的建立將為熱重逸出組分分析提供新的研究手段和方法,而GF-SDMA的設計將為氣相中揮發(fā)性有機物的檢測提供新的富集技術(shù)。2實(shí)驗部分2.1儀器、試劑與材料Pyris Diamond TG/DTA型熱重差熱綜合熱分析儀(美中國煤化工 stem XL型氣相20100411收稿;2010012接受什H本文系云南中煙工業(yè)公司科技開(kāi)發(fā)項目(No2008C02)資助CNMHGEmailliuyang929@126.com分析化學(xué)第39卷色譜 TurboMass Gold MS型質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國 PerkinElmer公司);濃縮進(jìn)樣瓶(美國 Waters公司)。乙醇色譜純美國 Fisher公司);麻漿卷煙紙(云南紅塔藍鷹卷煙紙廠(chǎng))2.2聯(lián)用裝置自行設計的 TG-SDMA裝置如圖1所示。TG爐體出口通過(guò)轉接頭與玻璃管連接。在爐體出口附近安置鐵架臺用來(lái)固定注射器透過(guò)玻璃管觀(guān)察并調整注射器針頭的位置,確保針頭處懸掛的液滴不碰到管壁。注射器的固定位可以沿著(zhù)鐵架臺的垂直支架上下移動(dòng),便于SDMA的吸附和液滴的收集。在SDMA吸附了熱解產(chǎn)物后,將液滴轉移到濃縮進(jìn)樣瓶中,利用GCMS分析熱解產(chǎn)物爐體加熱帶樣品架注射管Droplet玻璃管Glass tubeBalance beam鐵架臺轉接頭Carrier ga圖1熱重與液滴微吸附的聯(lián)結裝置示意圖Fig 1 Schematic diagram of device coupling thermogravimetry with single drop micro-adsorption2.3實(shí)驗條件TG條件:熱天平靈敏度1ug,爐體溫度控制范圍為室溫至1000℃,載氣為高純氮氣,參比物為xA12O3,載氣流量控制范圍為50~500mL/min,TG爐體中從鉑坩堝到液滴處的死體積約為25mL。SDMA條件:液滴體積約為15μ,吸附時(shí)間約2min。GC條件: Elite- WAX毛細管色譜柱(60m×0.25mm×025μm)。進(jìn)樣口溫度250℃,載氣He(純度為999載氣流量10 mL/min。柱箱升溫程序80℃(3mi)、8cm+200℃(10min);不分流進(jìn)樣MS條件:電子轟擊離子源(EI),電子能量70eV,掃描范圍m/z35~400,傳輸線(xiàn)溫度230℃,離子源溫度220℃,Nist2005和 wiley7質(zhì)譜庫。2.4實(shí)驗過(guò)程2.4.1樣品前處理、加樣與升溫將粉碎的麻漿卷煙紙作為實(shí)驗樣品。每次在TG鉑坩鍋內準確稱(chēng)取10℃/min(300±005)mg樣品。升溫程序為50℃→600℃(保持2.4.2劃分溫度段連續取樣法樣品熱解時(shí),其逸出產(chǎn)物的組成和相對含量隨溫度的升高而不斷變化。為了獲得某個(gè)溫度時(shí)期最真實(shí)的產(chǎn)物組分信息,需盡量縮短吸附時(shí)間,但同時(shí)須保證SDMA能夠獲得較好的吸附效果和較高的富集效率。在10℃min升溫速率下,最終選取20℃的溫度區間(時(shí)間約2min)作為SDMA的吸附過(guò)程。首先在TG未加樣品的情況下,將SDMA的液滴在TG出口吸附2min后收集于濃縮瓶中,利用 GC-MS分析并獲得空白對照實(shí)驗結果。然后,樣品在TG程序升溫條件下發(fā)生熱解,將其熱解過(guò)程按照30℃的溫度區間劃分為若干個(gè)連續的溫度段,利用SDMA依次吸附每個(gè)溫度段初始20℃溫度區間的熱解產(chǎn)物,在空閑的10℃升溫時(shí)間內將SDMA的液滴收集到濃縮進(jìn)樣瓶中,并進(jìn)行針頭的清洗。2.4.3熱解逸出產(chǎn)物分析待各溫度段熱解產(chǎn)物吸附完成后,將濃縮進(jìn)樣瓶中的液體全部定容至約40μL,隨后利用GCMS分析吸附到的熱解產(chǎn)物。得到的GCMS總離子流色譜圖用NIST2005和 Wiley7譜庫進(jìn)行化合物檢索和定性分析各化合物的相對含量用中國煤化工只的相對百分比表示,實(shí)際樣品的色譜圖均已在積分前扣除了相應空白樣CNMHG第1期朱文輝等:熱重流動(dòng)載氣液滴微吸附體系的建立及其應用于卷煙紙的熱解產(chǎn)物分析結果與討論3.1熱解行為分析如圖2所示,麻漿卷煙紙以10℃/min程序升溫、載氣流量400mL/min的條件下發(fā)生熱解,曲線(xiàn)TG和DTG是由此熱解反應得到的熱重(TG)和微商熱重(DTG)曲線(xiàn);曲線(xiàn)A是6個(gè)溫度區間熱解產(chǎn)物色譜峰面積的變化情況,是對檢測系統獲得的熱解產(chǎn)物總離子流色譜圖進(jìn)行面積積分而得到的,曲線(xiàn)A所對應的溫度值代表了相應的溫度區間,如210℃表示200~220℃的溫度區間。由TG和DTG曲線(xiàn)可以看出,10℃ms→20序升溫條件下,卷煙紙在該失重區的熱解自1s2200℃附近開(kāi)始,在327℃溫度處其質(zhì)量損失速率達到最大值,而從350℃開(kāi)始進(jìn)入了下個(gè)熱解階段。在200-380℃溫度區間,曲線(xiàn)Aos中熱解產(chǎn)物在6個(gè)溫度段分別產(chǎn)生的總峰面積也表現出了和DTG曲線(xiàn)相似的變化趨勢。150200250300350400由此可見(jiàn),該檢測系統及其取樣方法能夠及時(shí)反映熱解逸出產(chǎn)物總量的變化情況圖2卷煙紙熱重(TG)、微商熱重(DTG)曲線(xiàn)及其各溫度段3.2TG載氣流量對SDMA吸附效果的影響熱解產(chǎn)物總峰面積變化的趨勢線(xiàn)(A)選取圖2中熱解產(chǎn)物釋放量最大的溫度Fg2 Thermogravimetric(To) and derivative thermogravime區間(即320~340℃),通過(guò)對比不同載氣流urve of peak area量條件下該溫度段熱解產(chǎn)物總峰面積的變化in total ion current chromatogram (TIC) of pyrolysis products in情況(圖3A),考察4種載氣流量對SDMA吸different temperature ranges附效果的影響。但由于載氣傳輸過(guò)程中樣品坩堝與SDMA液滴間存在一定的死體積(約25mL),這將使在4種載氣流量條件下熱解產(chǎn)物被最初送達SDMA液滴處所需的時(shí)間有所差異,即造成劃分溫度段的取樣方法不能正確反映熱解產(chǎn)物的逸出溫度,而使該溫度點(diǎn)產(chǎn)生不同程度的提前,進(jìn)而將導致不同載氣流量條件下同一溫度段獲得的吸附效果不具有可比性。因此,為了正確反映載氣流量對吸附效果的影響,有必要在劃分溫度區間連續取樣法的基礎上進(jìn)行取樣滯后時(shí)間的修正,以保證同一溫度區間可至以獲得相同的熱解產(chǎn)物。在100,200,300和400 mL/min載氣流量下,SDMA取樣將分別在樣品到達320℃之后的15,8,5和4s開(kāi)始進(jìn)行,取樣終止的延后時(shí)問(wèn)與此相同,如圖3A所示,當載氣流量由41100mL/min增加到400mL/min,其熱解產(chǎn)物總峰面積也由最初的12×10增加到22×10°,豐度提高了載(流 Gas flow(mL/min)80%o。由此說(shuō)明,在一定范圍內,提高載氣流量有利圖3截氣流量對熱解產(chǎn)物總峰面積和液滴被推出次于SDMA獲得更好的吸附效果數的響由于SDMA是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行吸附,其自身Fg3 Trend curve of peak area(A) of pyrolysis有機溶劑的揮發(fā)也是至關(guān)重要的影響因素。每次吸 products in a same temperature range with different gas附過(guò)程中,當溶劑液滴的體積小于飽滿(mǎn)狀態(tài)(15μL) flow and trend curve of times(T) of pushed out droplet的1/3時(shí),注射器推桿將被輕輕推動(dòng)而使液滴重新達到飽滿(mǎn)狀態(tài)過(guò)程中溶劑被推出的速度盡量保持一致。因此吸附過(guò)程中液滴被重新推出的次數,如圖3中曲線(xiàn)T所示中,溶劑不斷揮發(fā)并被載氣帶走,提高載氣流量導致液滴推MAEL中國煤化工條件下SDMACNMHG成的動(dòng)態(tài)環(huán)境分析化學(xué)第39卷3.3流動(dòng)載氣條件下SDMA的吸附和富集過(guò)程當樣品在TG爐體內發(fā)生熱解時(shí),其熱解產(chǎn)物經(jīng)載氣吹掃而不斷逸出爐體;經(jīng)過(guò)TG出口的玻璃管時(shí),部分熱解產(chǎn)物會(huì )被吸附在SDMA的溶劑液滴中,而流動(dòng)的載氣同時(shí)也會(huì )將部分溶劑一起帶走,這便形成了SDMA吸附的流動(dòng)載氣條件。而吸附過(guò)程則是熱解產(chǎn)物在載氣和液滴兩相間的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,其間還伴隨著(zhù)液滴體積和液滴中溶質(zhì)濃度的連續變化。針頭Syringe needle針對上述動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,以模擬TG載氣的流動(dòng)及SDMA液滴和針頭內溶劑的微循環(huán)(見(jiàn)圖4)。當載氣掠過(guò)液滴表面時(shí),由于液滴位于注射器針頭的一側,連續流動(dòng)的載氣將從另一側帶動(dòng)液滴內溶劑沿著(zhù)同一方向循環(huán)流動(dòng),如此便能在氣液兩相間不斷產(chǎn)生新的界面。與靜態(tài)頂空液相微萃取( Static headspace-LPME坡璃管相比,加快了熱解逸出產(chǎn)物在兩相間的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,有利于熱解產(chǎn)物在液滴內的吸附。當載氣流量增加后,掠過(guò)液滴表面的載氣流速也將隨之提高,加快了液滴內溶劑的微循環(huán)促使新的兩相界面更快地形成。進(jìn)一步推論可知,在一定范圍內載氣流量圖4流動(dòng)載氣液滴微吸附的示意圖的提高將有利于SDMA獲得更好的吸附效果。圖3A也印證了Fig 4 Schematic diagram of gas flow此觀(guān)點(diǎn)。single drop microabsorptionSDMA吸附過(guò)程中,在溶劑液滴進(jìn)行微循環(huán)的同時(shí),熱解產(chǎn)物在液滴內的濃度也隨之升高;液滴處的溶劑循環(huán)還帶動(dòng)了針頭內溶劑的流通,部分熱解產(chǎn)物將通過(guò)溶劑流通或兩處的濃度差而發(fā)生擴散并進(jìn)入針頭內。隨著(zhù)載氣的吹掃,經(jīng)過(guò)數次的液滴體積變化熱解產(chǎn)物將被富集在液滴和針頭處的溶劑中。整個(gè)富集過(guò)程中,熱解產(chǎn)物由液滴向針頭內的擴散將直接影響富集的效果。實(shí)驗證實(shí),劃分溫度區間的連續取樣方法適合選用內徑小、尺寸長(cháng)的針頭,可以提高SDMA的富集效果,并且避免吸附到的熱解產(chǎn)物擴散進(jìn)入注射器針筒內而干擾后面溫度區間的取樣。3.4熱解逸出產(chǎn)物分析在先前的研究圓中,已經(jīng)利用熱重質(zhì)譜(TGMS)聯(lián)用系統證明了卷煙紙主失重區(340℃附近)熱解產(chǎn)物的復雜性。但所使用的四級桿質(zhì)譜儀不能進(jìn)行重疊質(zhì)譜峰的解析,無(wú)法對熱解產(chǎn)物進(jìn)行定性分析。利用τ G-GFSDMA-GCMs檢測系統,通過(guò)劃分溫度區間的連續取樣方法,選取接近最大失重速率點(diǎn)的溫度風(fēng)間(320~340℃)進(jìn)行熱解產(chǎn)物的定性分析。圖5是400 mL/min載氣流量條件下卷煙紙熱解過(guò)程中,在320~340℃得到的熱解逸出產(chǎn)物TC圖,其中相對含量達到1%的色譜峰均以序號標注,對應的定性分析結果如表1所示。除2和6號化合物的譜庫檢索匹配度小于90%,其余化合物的檢索匹配度均大于90%t/min圖5320~340℃溫度段逸出組分的總高子流色譜圖Fig, s TIC of evolved species in 320--340C峰號同表( The peak numbers are the same as in Table I)中國煤化工3.5檢測系統的評估設計和建立 TG- GFSDMA-GC-MS檢測系統,獲取樣品在HCNMHG間熱解產(chǎn)物的釋放情況及其組分差異。各溫度區間的熱解產(chǎn)物相對含量是評估取樣方法可行性和檢測系統可靠性的第1期朱文輝等:熱重流動(dòng)載氣液滴微吸附體系的建立及其應用于卷煙紙的熱解產(chǎn)物分析表1熱解產(chǎn)物分析結果Table I Analytical result of pyrolysis products相對含量相對標準偏差tR(min)Similarity(%) Relative content(%) RSD(%,n"羥基丙酮 Hydroxypropan2one異戊酸 Isovaleric acid2.72345乙酸甲酯 Methyl乙烯基甲醚 Methoxyethene乙酸 Acetic acid28%%%9%%2.5乙酸乙烯酯 Vinyl acetate醛 Fura2 carbaldehyde橄醇 Fura-2 dImethanol呋礴-2酮 Furan2one1521,2環(huán)戊二酮 Cyclopentane1,2 dione2環(huán)己烯醇 Cyclohex2enol2羥基3甲基環(huán)戊烯酮2-Hydroxy- 3-methylcyclopent-2-enone2345672羥基3乙基環(huán)戊烯酮2- Hydroxy- 3-ethylcyclopent-2-enone53.52楝酸甲酯 Methy2 furoate戊醛 Pentanal丁酸烯丙酯 Allyl butyrate1,436-脫水-D吡喃葡萄糖1. 4: 3, 6 Dianhydro- D-glucopyranose59o2b12795羥甲基呋晡2劑關(guān)鍵因素。由表1可知,在320~340℃共分析了18種主要熱解逸出產(chǎn)物,根據其相對含量計算得到的相對標準偏差(n=5)均小于5%。由此說(shuō)明, TG-GFSDMA-GC-MS檢測系統具有較高的可靠性,利用劃分溫度區間的連續取樣方法可以進(jìn)行熱解逸出產(chǎn)物的分析。同時(shí),對于SDMA液滴在TG出口吸附熱解產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,雖然取樣過(guò)程完全依靠手動(dòng),但只要保證了相同的實(shí)驗條件(如TG升溫速率,SDMA溶劑等),手動(dòng)操作中的細節部分(如溶劑被推出的速度、新產(chǎn)生的液滴是否完全一致地達到飽滿(mǎn)狀態(tài)等)并不會(huì )對結果的重現性產(chǎn)生較大影響References1 LU Chang-Wei,Ⅺ I Tong geng(陸昌偉,奚同庚). 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Ltd., Yuri 653100)3(College of Chemistry and Chemical Engineering, Yunnan University, Kunming 650091)(Yunnan Academy of Tobacco Science, Kunming 650106)Abstract A system of thermogravimetry-gas flow single drop micro-adsorption-gas chromatographymass spectrometry (TG-GFSDMA-GC-MS) was established for the evolved species analysis on pyrolysis ofcigarette paper with a continuous sampling method in different temperature ranges. Using this method, thepyrolysis behavior and evolved species from pyrolysis reaction were studied, and the effect of gas flow to adorption was also discussed. The results indicated that the system could be used for the qualitative and semiquantitative analysis of evolved species from thermogravimetry, and RSD(n=5) calculated from the relative content of 18 pyrolysis products in 320-340 C temperature range were all below 5%.TG-GFS-DMA-GC-MS shows obvious advantages in analysis of complex pyrolysis products that conclude furan-2-carbaldehyde, methyl furan-2-carboxylate, allyl butyrate, etc.Keywords Evolved species analysis; Gas flow-single drop micro-adsorption; Pyrolysis: Liquid phasemicroextration; Cigarette paper( Received 11 April 2010: accepted 12 June 2010)關(guān)于召開(kāi)“第十一屆全國電分析化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì )議”的通知(第一輪通知)本屆會(huì )議由中國化學(xué)會(huì )、網(wǎng)家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國儀器儀表協(xié)會(huì )聯(lián)合主辦,山東省化學(xué)會(huì )協(xié)辦,定于2011年5月12~15日在山東省聊城市召開(kāi)。本屆大會(huì )由聊城大學(xué)負責籌備,由汪爾康院士、陳洪淵院士任大會(huì )主席。會(huì )議邀請國內從事電分析化學(xué)研究的著(zhù)名科學(xué)家及中青年學(xué)者參加,并在全國范圍內征文,歡迎專(zhuān)家學(xué)者投稿并到會(huì )交流一、會(huì )議主題()電分析化學(xué)基礎理論與發(fā)展綜述,(2)牛物電分析化學(xué)(3電化學(xué)傳感器與電化學(xué)免疫分析;(4化學(xué)修飾電極微電極;(5)電位法、伏安法及其它電分析技術(shù);(6)電分析化學(xué)聯(lián)用技術(shù);(7)界面電化學(xué)與光譜電化學(xué);(8)納米電分析化學(xué);(9)電分析化學(xué)儀器的新發(fā)展及其應用;(10)電化學(xué)新技術(shù)新T藝及其它相關(guān)研究二、征文要求(1)已在刊物上發(fā)表或全國會(huì )議上報告過(guò)的論文不在應征之列。(2)會(huì )議正文分為中文詳細摘要和英文摘要兩部用woRD軟件編輯,中文詳細摘要包括題目、作者、單位、主要結果和討論、主要參考文獻;英文摘要包括題目、作者、單位、主要結果和討論。全文不超過(guò)2頁(yè)。三、聯(lián)系方式(1)應征論文請發(fā)至Ileacliaocheng@gmail.com電子信箱,請注中國煤化工2月15日,本次會(huì )議網(wǎng)站將開(kāi)通,隨時(shí)發(fā)布最新會(huì )議信息;(2)會(huì )議相關(guān)事宜請與THCNMHG∞383013869562141。歡迎國內外分析儀器公司、廠(chǎng)商到會(huì )介紹和展出產(chǎn)品