催化前驱体亚硝酰硝酸钌中杂质元素的质谱分析
符靓1,3, 赵风轩2, 王海燕3, 王焕哲2, 陈涛2, 徐建华1, 李兵1, 谢华林1,*
1. 长江师范学院武陵山片区绿色发展协同创新中心, 重庆 408100
2. 重庆华峰化工有限公司, 重庆 421002
3. 中南大学化学化工学院, 湖南 长沙 410083
*通讯联系人 e-mail: hualinxie@vip.163.com

作者简介: 符 靓, 女, 1987年生, 长江师范学院博士研究生 e-mail: fuliang@vip.163.com

摘要

钌催化前驱体是影响负载型钌催化剂催化性能最重要因素。 前驱体中的部分杂质会对催化性能产生抑制作用, 尤其是S, P, Cl, As等杂质元素含量过高会降低催化剂的活性, 严重时会造成催化剂中毒; 因此, 必须严格控制催化前驱体中杂质元素的含量。 建立了快速准确测定催化前驱体亚硝酰硝酸钌(Ru(NO)(NO3)3)中杂质元素的分析方法。 Ru(NO)(NO3)3经稀硝酸溶解后采用电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)直接测定其中的8个杂质元素(P, S, Ti, V, Cr, Mn, Fe, As)。 为防止Ru(NO)(NO3)3溶液水解形成Ru(NO)(NO3)x(OH)3- x, 采用稀硝酸介质有效维持了样品溶液的稳定性。 在MS/MS模式下, 通过一级四极杆质量过滤器(Q1)控制进入碰撞/反应池(CRC)的离子, 仅允许与待测元素具有相同质荷比( m/z)的离子进入CRC, 从而将来自样品基质和等离子气Ar所形成的干扰离子阻止在CRC外, 消除了大量质谱干扰。 通过向CRC内通入O2为反应气, 目标离子P+, S+, Ti+, V+, As+与O2的反应为放热过程(31P++O231P16O++O, Δ Hr=-3.17 eV;32S++O232S16O++O, Δ Hr=-0.34 eV;48Ti++O248Ti16O++O, Δ Hr=-1.63 eV;51V++O251V16O++O, Δ Hr=-0.85 eV;75As++O275As16O++O, Δ Hr=-0.63 eV), 能自发反应生成氧化物离子; 目标离子Cr+, Mn+与O2的反应为吸热过程(52Cr++ O252Cr16O++O, Δ Hr=+1.38 eV;55Mn++O255Mn16O++O, Δ Hr=+2.15 eV)。 为促进Cr+, Mn+与O2发生反应, 通过调整CRC的工作参数, 设置八极杆偏置电压为较大的负电压, 使Cr+和Mn+在与O2反应前被加速, 提高Cr+和Mn+的动能, 促进了反应的发生, 通过吸热反应生成氧化物离子; 而P+, S+, Ti+, V+, Cr+, Mn+, As+干扰离子在CRC内不能与O2发生反应, 仍然保持原始的 m/z。 通过二级四极杆质量过滤器(Q2)将这些干扰离子阻止在外, 仅允许所形成的氧化物离子进入检测器, 几乎完全消除了元素P, S, Ti, V, Cr, Mn, As的所有质谱干扰。 NH3因含一对孤对电子而具有高反应活性, 能与很多金属离子反应形成团簇离子。 通过向CRC内通入NH3/He为反应气, 目标离子Fe+与NH3发生质量转移反应, 在所形成多个团簇离子中, Fe(NH3)2+的丰度最高且无干扰, 通过NH3质量转移法消除干扰。 结果显示, 8个元素在0~500 μg·L-1范围内具有良好的线性关系, 线性相关系数≥0.999 8。 方法的检出限为0.29~485 ng·L-1, 按所建立的方法分析了实际样品中8个杂质元素的含量, 各元素的加标回收率为93.2%~107.5%, 相对标准偏差(RSD)≤3.9%。 方法具有样品处理简单、 分析速度快和精密度高的特点, 适合催化前驱体亚硝酰硝酸钌中多个杂质元素的准确测定, 为制备负载型钌催化剂提供了质量保障。

关键词: 亚硝酰基硝酸钌; 电感耦合等离子体串联质谱; 杂质元素; 质谱干扰; 质量转移
中图分类号:O657.6 文献标志码:A
Impurity Elements Analysis of Catalyst Precursor Ruthenium Nitrosyl Nitrate Using Inductively Coupled Plasma Tandem Mass Spectrometry
FU Liang1,3, ZHAO Feng-xuan2, WANG Hai-yan3, WANG Huan-zhe2, CHEN Tao2, XU Jian-hua1, LI Bing1, XIE Hua-lin1,*
1. Collaborative Innovation Center of Green Development for Wuling Mountain Areas, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China
2. Chongqing Huafeng Chemical Co., Ltd., Chongqing 421002, China
3. School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
Abstract

Ruthenium catalyzed precursor is the most principal factor affecting the catalytic performance of the supported ruthenium catalyst. Some impurities in the ruthenium catalyzed precursor can inhibit the catalytic performance. In particular, the high content of impurities (such as S, P, Cl and As) reduces activity of the catalyst. In severe cases, the catalyst can be poisoned, thus the level of impurities in the catalytic precursor must be controlled. In this paper, we report an analytical method for rapid and accurate determination of impurity elements in ruthenium nitrosyl nitrate (Ru(NO)(NO3)3) precursor. After dissolved by nitric acid, the impurities (such as P, S, Ti, V, Cr, Mn, Fe and As) were directly determined by inductively coupled plasma-tandem mass spectrometry (ICP-MS/MS). In order to prevent the hydrolysis of Ru(NO)(NO3)3 into Ru(NO)(NO3) x(OH)3- x, we used diluted nitric acid to dissolve the samples while retaining their stability. In the MS/MS mode, the first quadrupole mass filter (Q1) controlled the collision/reaction cell (CRC) ions, only allowing analytes with the same mass charge ratio ( m/z) into the CRC. It prevented the interfering ions from the sample matrix and plasma Ar from traveling outside of the CRC, eliminating a significant mass spectral interference. The reaction of target ions P+, S+, Ti+, V+ and As+ with O2 (added into the CRC as a reaction gas) was an exothermic process, which could spontaneously produce corresponding oxides (31P++O231P16O++O, Δ Hr=-3.17 eV;32S++O232S16O++O, Δ Hr=-0.34 eV;48Ti++O248Ti16O++O, Δ Hr=-1.63 eV;51V++O251V16O++O, Δ Hr=-0.85 eV;75As++O275As16O++O, Δ Hr=-0.63 eV). The reaction of Cr+ and Mn+ target ions with O2 was an endothermic process (52Cr++O252Cr16O++O, Δ Hr=+1.38 eV;55Mn++O255Mn16O++O, Δ Hr=+2.15 eV). In order to promote this endothermic reaction, we adjusted parameters of the CRC, in particular, by setting the octopole bias voltage to a negative voltage. Under these conditions, kinetic energy of Cr+ and Mn+ increased and the ions accelerated before the reaction with O2. However, the P+, S+, Ti+, V+, Cr+, Mn+ and As+ ions did not react with O2 in CRC, but still maintained the original m/z. The second quadrupole mass filters (Q2) could block out these interfering ions allowing the oxide-forming ions to enter the detector. This technique eliminated almost all interference from P, S, Ti, V, Cr, Mn and As. NH3 has high reactivity and a pair of lone pairs of electrons, therefore it reacts with many metal ions forming cluster ions. By adding NH3/He as a reactant gas into the CRC, the mass shift reaction of the target Fe+ ions with NH3 occurred. Among the multiple cluster ions, content of Fe(NH3)2+ was the highest and no interference was observed. Thus, we eliminated the interference by the NH3 mass shift method. All 8 elements had a good linear relationship in the range of 0~500 μg·L-1 with the correlation coefficient R2≥0.999 8. The instrumental limit of detection (LOD) of analyte ranged from 0.29 to 485 ng·L-1. According to the established method, the contents of impurity elements in the samples were analyzed. The spiked recovery of the analyte ranged from 93.2% to 107.5%, and the relative standard deviations (RSDs) were less than 3.9%. The proposed method has the advantages of simple sample processing, high speed of analysis and high precision, and is suitable for accurate determination of impurities in Ru(NO)(NO3)3, thereby providing a quality guarantee for preparing the supported ruthenium catalysts.

Keyword: Ruthenium nitrosyl nitrate; Inductively coupled plasma tandem mass spectrometry; Impurity elements; Mass spectral interference; Mass shift
引 言

负载型钌催化剂是以金属钌为主要组分的固体催化剂, 具有催化活性高、 化学选择性好、 转化率高且反应条件温的特点[1], 与其他贵金属催化剂相比较还具有价格便宜的优势, 在石油化工、 制药工程、 环境工程以及精细有机合成领域得到了广泛应用[2, 3, 4]。 载体、 助剂和钌催化前驱体是制备负载型钌催化剂的主要原料, 其中钌催化前驱体是影响负载型钌催化剂催化性能最重要因素。 由于前驱体中的部分杂质会对催化性能产生抑制作用, 因此, 在各类钌催化前驱体中, 不含卤素元素的亚硝酰硝酸钌(Ru(NO)(NO3)3)已成为制备负载型钌催化剂最理想的前驱体[5]

Ru(NO)(NO3)3中虽然不含卤素元素, 但部分杂质元素的存在仍然会影响催化剂的催化活性。 高浓度Ru基质的存在使得Ru(NO)(NO3)3中杂质元素的分析变得复杂。 由于一些影响催化活性的杂质元素含量很低, 对分析方法的灵敏度和检出限也提出了很高的要求。 在各种用于测定贵金属(钌属于贵金属)中杂质元素的原子光谱技术中, 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)拥有极低的检出限和极高的灵敏度, 尤其是基于消除干扰发展起来的多项重要技术的应用, 极大地提高了ICP-MS的分析性能[6, 7, 8, 9]。 但对于测定Ru(NO)(NO3)3中的杂质元素仍然面临着挑战, 其主要难点是: Ru(NO)(NO3)3溶液易水解形成Ru(NO)(NO3)x(OH)3-x, 导致基质组成发生变化, 影响样品溶液的稳定性。 Ru(NO)(NO3)3溶液中的P, S, As等非金属杂质元素具有较高的第一电离能, 在等离子体中的电离效率低, 影响这些元素的分析灵敏度。 常规的ICP-MS很难完全消除由基质元素Ru, O, N, H以及等离子气Ar所形成的质谱干扰。 高浓度Ru的基体抑制产生的误差影响分析结果的准确性, 尤其是在样品未经消解直接进样分析时影响更为严重。 本文首次采用电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)法直接测定Ru(NO)(NO3)3中的八种杂质元素。 样品经稀硝酸溶解后直接进样分析, 利用碰撞/反应池(CRC)技术, 分别选择O2和NH3/He为反应气, 几乎完全消除了分析过程中的所有质谱干扰, 为催化前驱体Ru(NO)(NO3)3中多个杂质元素的快速测定提供了一种新的分析方法。

1 实验部分
1.1 材料与仪器

1 000 mg· L-1的P, S, Ti, V, Cr, Mn, Fe, As和Ru单元素标准溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心)采用5%(V/V)的HNO3介质稀释至所需浓度; 10 mg· L-1的Sc和Ge内标单元素溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心); 65%(m/m)的HNO3为优级纯(Merck); Milli超纯水。

Agilent 8800 ICP-MS/MS仪器(美国Agilent公司), 配置有MicroMist雾化器、 Peltier制冷Scott喷雾室, 在八极杆碰撞/反应池(ORS)的两端分别配置一个四极杆质量过滤器。 仪器工作模式分单四极杆(SQ)模式和串联四极杆(MS/MS)模式。 在SQ模式下, 位于ORS前端的一级四极杆质量过滤器(Q1)处于全面开放状态, 此时Q1无质量过滤功能, 仅起质谱通道作用, 与传统带CRC的ICP-MS无异; 在MS/MS模式下, Q1和位于ORS后端的二级四极杆质量过滤器(Q2)均具有过滤功能。 ICP-MS/MS的设置和数据采集参数见表1

表1 ICP-MS/MS的设置和数据采集参数 Table 1 Instrument settings and data acquisition parameters for ICP-MS/MS
1.2 方法

快速准确称取Ru(NO)(NO3)3样品0.25 g(精准到0.000 1 g)放入250 mL塑料容量瓶中; 为防止Ru(NO)(NO3)3会发生水解形成Ru(NO)(NO3)x(OH )3-x[2], 用5%(V/V)HNO3介质溶解后稀释定容, 确保样品溶液中Ru(NO)(NO3)3的稳定存在。 所有上机测试溶液均在线加入1 mg· L-1的Sc和Ge混合内标溶液。

2 结果与讨论
2.1 基体效应及消除

样品溶液中高浓度基质元素Ru会导致样品溶液、 标准溶液和空白溶液之间存在物理性质的不同, 从而引起溶液的提升速率和雾化效果产生差异, 产生基体效应, 影响分析信号的稳定性。 为校正基体效应和信号漂移, 在所有上机测试溶液(样品溶液、 标准溶液和空白溶液)中均在线加入1 mg· L-1的Sc和Ge内标溶液。 考察了一个真实样品加标后各元素分析信号的漂移情况(元素P和S的加标浓度为100 μ g· L-1, Ti, V, Cr, Mn, Fe和As的加标浓度为20 μ g· L-1), 在3 h内测定18次(每10 min测定一次), 所有元素测定结果的偏差均在± 10%内, 与无内标溶液相比, 各元素的加标回收率得到了显著改善(见图1), 表明内标元素的加入校正了基体效应。 样品溶液待测元素在长时间连续测定中信号强度没有出现明显漂移, 整个分析过程处于稳定状态。

图1 亚硝酰硝酸钌中杂质元素的测定中内标元素的校正作用Fig.1 Correction of internal standards on determination of impurity elements in ruthenium nitrosyl nitrate

2.2 质谱干扰及消除

Ru有7种同位素, 分别是96Ru, 98Ru, 99Ru, 100Ru, 101Ru, 102Ru, 104Ru, 而所测定的8种杂质元素的质量数均远离Ru。 因此, 由Ru与其他元素所形成的多原子离子不会对8个待测元素构成干扰, 而由Ru本身所形成的双电荷离子则不容忽视, 主要表现为96Ru++48Ti+, 98Ru++49Ti+, 102Ru++51V+, 104Ru++52Cr+的质谱干扰, 元素P, S, Mn, Fe, As虽然不会受到来自Ru的干扰, 但来自样品溶液和等离子气所形成的质谱干扰可能严重阻碍这些元素的准确测定(见表2)。 采用传统的ICP-MS(相当于ICP-MS/MS的SQ模式), 在He碰撞或H2反应模式下无法测定元素S。 虽然采用He碰撞模式能很好地消除P, Mn, Fe, As的质谱干扰, 但由于动能歧视作用会降低元素的灵敏度, 并且采用He碰撞模式无法消除双电荷离子干扰, 无法实现Ti, V, Cr的准确测定。 为获得利用ICP-MS/MS分析Ru(NO)(NO3)3中多个杂质元素的最佳数据采集方式, 分别选择O2或NH3/He为反应气消除干扰, 在MS/MS模式下对8个元素进行测定。

表2 各元素潜在的质谱干扰 Table 2 Potential interferences of analytes

31P的干扰主要来自N, C, O, H所形成的多原子离子。 采用MS/MS模式, 设置Q1的质荷比(m/z)=31, 消除m/z≠ 31的所有干扰。 31P+和干扰离子(14N16OH+, 15N16O+, 12C16O H3+)进入CRC, 由于31P+与O2能发生放热反应(31P++O231P16O++O, Δ Hr=-3.17 eV), 可以高效地将31P+转化为31P16O+, 而一同进入CRC的干扰离子不能与O2发生反应, 设置Q2m/z=47, 通过31P16O+测定31P, 从而消除了m/z=31的离子干扰[11]32S和75As的干扰与31P相似, 分别设置Q1m/z=32和75, 32S+75As+均能与O2发生放热反应, 转化为32S16O+(32S++O232S16O++O, Δ Hr=-0.35 eV)和75As16O+(75As++O275As16O++O, Δ Hr=-0.63 eV), 分别设置Q2m/z=48和91, 通过O2质量转移消除干扰。

48Ti的质谱干扰主要来源于96Ru++, 32S16O, 34S14N和14N16O18O, 设置Q1m/z=48, 通过Q1消除m/z≠ 48的干扰离子, 48Ti+与干扰离子(96Ru++, 32S16O, 34S14N和14N16O18O)进入CRC, 采用O2为反应气, 48Ti+与O2发生高效放热反应, 生成48Ti16O+(48Ti++O248Ti16O++O, Δ Hr=-1.63 eV), 设置Q2m/z=64, 则48Ti16O+能顺利通过Q2; 干扰离子32S16O, 34S14N和14N16O18O不能与O2反应, 均无法通过Q2, 不会干扰48Ti16O+的测定; 对于双电荷离子96Ru++, 只有形成96Ru16 O2++才会对48Ti16O+形成干扰, 为验证以O2为反应气是否形成了96Ru16 O2++, 在MS/MS模式下, 通过对空白Ru基质溶液进行质谱扫描, 没有发现m/z=64的信号, 表明96Ru++与O2在CRC中没有形成与48Ti16O+(m/z=64)重叠的产物离子96Ru16 O2++; 从而通过O2质量转移法消除了所有干扰, 实现了48Ti的无干扰测定。 51V的干扰与48Ti相似, 设置Q1m/z=51, 51V+与O2发生反应分别生成51V16O+(51V++O251V16O++O, Δ Hr=-0.85 eV), 设置Q2m/z=67消除干扰。

52Cr的主要质谱干扰与48Ti, 51V相似, 设置Q1m/z=52消除m/z≠ 52的干扰, 但由于52Cr+与O2的反应为吸热过程(52Cr++O252Cr16O++O, Δ Hr=+1.38 eV), 进入CRC后与O2的反应不能自发进行, 而干扰离子104Ru++, 40Ar12C, 35Cl16OH, 36Ar16O和38Ar14N均不能与O2发生反应, 因此可以促使52Cr+与O2发生反应达到消除干扰的目的, 通过调整CRC条件, 设置八极杆偏置电压为较大负电压, 52Cr+被加速, 在与O2反应前增加52Cr+动能, 从而促使52Cr+与O2发生反应, 设置Q2m/z=68实现无干扰测定。 55Mn+与O2反应也为吸热过程(55Mn++O255Mn16O++O, Δ Hr=+2.15 eV), 同样调整八极杆偏置电压促使该吸热反应发生, 设置Q1m/z=55, Q2m/z=71消除干扰。

NH3因含一对孤对电子而具有高反应活性, 能与很多金属离子反应形成团簇离子, 同时也会与一些多原子离子反应。 而He的加入能产生碰撞聚焦和离子热化效应, 去干扰能力加强[12]。 在MS/MS模式下, 采用NH3/He为反应气对空白Fe基质标准溶液扫描发现, NH3能与Fe形成的主要团簇离子有Fe(NH2)+, Fe(NH3)+, Fe(NH3 )2+和Fe(NH3 )3+, 丰度由高到低为Fe(NH3 )2+> Fe(NH3)+> Fe(NH3 )3+> Fe(NH2)+, 由于56Fe的干扰离子也能与NH3发生反应, 在选择Fe团簇离子时需避开这些产物离子。 基于56Fe的干扰主要来自等离子气Ar形成的多原子离子(40Ar16O, 40Ar15NH, 38Ar18O)和40Ca16O。 配制含300 mg· L-1的Ru(相当于样品溶液Ru基质浓度)和1 mg· L-1的Ca混合标准溶液, 在MS/MS模式下采用NH3/He为反应气, 对混合标准溶液扫描发现, 在m/z=90和m/z=73处(团簇离子Fe(NH3 )2+和Fe(NH3)+所对应的m/z)均没有发现离子峰, 表明两个丰度最高的团簇离子Fe(NH3 )2+和Fe(NH3)+没有干扰离子峰重叠。 为获得最大的灵敏度, 最终确定采用Fe(NH3 )2+为目标离子簇进行测定。 设置Q1m/z=56, Q2m/z=90, 通过NH3质量转移法消除干扰。

2.3 方法的分析性能

分别配制0, 5, 25, 100, 500 μ g· L-1的系列混合标准溶液, 上机测定后通过仪器自带的MassHunter工作软件获得8个元素的校准曲线。 从表3可以看出, 各元素在0~500 μ g· L-1内的线性相关系数(R2)≥ 0.999 8, 在各自的线性范围内具有良好的线性关系, 在MS/MS模式下, P, S, Fe的背景等效浓度(BEC)于μ g· L-1级, 其余5个元素的BEC处于ng· L-1级。 按各元素所选择的数据采集模式对空白溶液连续测定11次, 以3倍空白标准偏差所对应的浓度为仪器的检出限(LOD), 以10倍空白标准偏差所对应的浓度为仪器的定量限(LOQ)[13], 并与ICP-MS进行对比, 从表3可以看出, 采用本方法所的BEC, LOD和LOQ明显低于ICP-MS法, 各元素的LOD为0.29~485 ng· L-1, LOQ为1.00~1 620 ng· L-1

表3 各元素的线性及校准数据 Table 3 Linearity and calibration data for analytes

将Ru(NO)(NO3)3样品用5%稀硝酸溶解稀释后分成三份, 分别加入5, 20和100 μ g· L-1的混合元素标准溶液, 每个加标样品重复分析11次, 根据各元素的加标回收率来验证方法的准确性和重现性, 结果见表4。 三水平加标回收率在93.2%~107.5%之间, 各元素11次重复测定的相对标准偏差(RSD)≤ 3.9%, 表明方法具有良好的准确性和重现性。

表4 方法的加标回收率和重现性(n=11) Table 4 Spike recovery and reproducibility of the method (n=11)
2.4 实际样品分析

采用本方法分别对来自两个不同生产厂家的Ru(NO)(NO3)3样品(样品编号A, B)进行分析, 每个样品重复测定11次, 并与两个样品的产品出厂检测数据进行了对比, 由于样品中部分杂质元素的含量接近mg· g-1级水平, 在样品处理过程中进行了100倍稀释处理, 分析结果见表5。 本方法的测定结果与厂家提供的参考数据基体一致, 表明分析结果准确可靠。

表5 实际样品的测定结果(n=11) Table 5 Determination results of real samples (n=11)
3 结 论

采用ICP-MS/MS测定了催化前驱体Ru(NO)(NO3)3中的多个杂质元素, Ru(NO)(NO3)3经稀硝酸溶解稀释后直接进样分析, 针对Ru基质形成的双电荷干扰及N, O, H和Ar形成的多原子离子干扰, 在MS/MS模式下, 分别采用O2和NH3/He质量转移法消除了干扰。 各元素的检出限为0.29~485 ng· L-1, 三水平加标回收率为93.2%~107.5%, RSD≤ 3.9%。 为催化前驱体Ru(NO)(NO3)3中的多个杂质元素的测定提供了一种快速准确的分析方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

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