《ELECTROPHORESIS》：Determination of Monoethylene Glycol in Gas Condensate Samples by Microchip Micellar Electrokinetic Chromatography Integrated With Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection
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本文首次报道了将微芯片胶束电动色谱（MEKC）与电容耦合非接触电导检测（C4D）联用，成功应用于天然气凝析油样品中单乙二醇（MEG）的定量分析。该方法通过液液萃取预处理，在微型化平台上实现了快速（<100秒）、高灵敏度（检测限LOD为33 μmol L?1）和低样品消耗（进样体积仅~300 pL）的检测。与传统色谱法和滴定法相比，该方法在AGREE绿色度评估中得分0.77，展现出显著的环保优势和现场应用潜力，为石化行业中性化合物的痕量分析提供了新策略。
引言
单乙二醇（MEG）作为一种二醇类化合物，在石油化工行业中广泛用作热力学水合物抑制剂，通过改变水合物形成的热力学条件，有效防止集输管道中水合物的形成和堵塞。然而，MEG在油、气或燃料流中的残留是 undesirable 的，高浓度的MEG可能导致催化剂中毒、加速管道和储罐的腐蚀过程，并改变车用燃料的物理化学性质。目前，MEG残留的测定主要基于碘量法的氧化还原滴定，该方法耗时、分析频率低且废物产生量大。尽管气相色谱-火焰离子化检测器（GC-FID）、液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）等仪器分析方法已成功用于MEG分析，但这些方法通常需要庞大、昂贵的仪器，且并非所有研究中心都能配备。在电泳分离模式中，胶束电动色谱（MEKC）因其能通过分析物与胶束的分配作用分离中性化合物而显示出潜力。近年来，便携式或潜在便携式分析方法，如基于修饰电极的电化学方法、微流控液液萃取结合电化学检测、微乳化法以及3D打印批量注射分析（BIA）池等，已被报道用于监测不同样品中的MEG含量。其中，集成电容耦合非接触电导检测（C4D）的芯片电泳装置已成为涉及不同电迁移方法的强大便携式分析平台。尽管已有许多MEKC在芯片平台上分析各类分析物的报道，但将MEKC与C4D结合用于MEG分析的研究尚未见报道。因此，本研究首次报道了基于MEKC，利用商用芯片电泳装置集成C4D，开发用于分析天然气凝析油样品中MEG的方法。
实验部分
化学品与材料
氢氧化钠、十二烷基硫酸钠（SDS）、磷酸氢二钠和MEG购自Sigma Aldrich，按收到状态使用。储备溶液使用通过纯化系统处理的超纯水（18.2 MΩ cm）每周新鲜配制。分析前，样品和储备溶液通过0.22 μm孔径的尼龙过滤器过滤。后续稀释使用超纯水进行。所有实验在室温（23 ± 1°C）下进行。
仪器
MEKC实验使用eDAQ系统进行，该系统由ET225微流控平台、高压序列发生器（HVS）型号ER230和C4D型号ER455组成。注射和分离电压由HVS施加，并通过Sequencer软件控制。MEKC分离在Micronit Microfluidics B.V.提供的玻璃微芯片（型号ET190）上进行。该微芯片采用双T型设计（间隙100 μm），包含宽度和深度分别为100 μm和10 μm的进样和分离通道。总分离通道长度和有效分离通道长度分别为85 mm和77 mm。对于C4D测量，检测池由四个铂传感电极（带有钽粘附层）组成，激励电极和检测电极之间的距离为250 μm。样品电导率使用基于微处理器的台式电导率仪测量。
电泳与C4D程序
电泳微通道首先用0.1 mol L?1NaOH在800 V电压下电动力学清洗10分钟，然后用超纯水冲洗10分钟。随后，使用由50 mmol L?1磷酸氢二钠溶液（含30 mmol L?1SDS）组成的背景电解质（BGE）在选定的电泳分离电压下对通道进行电动力学清洗。样品通过浮动进样模式进行电动力学进样。为此，将600 V电压施加到样品池，并使样品废液池接地10秒，以确保通道充满样品。之后，将700 V的分离电压施加到缓冲液池，同时将缓冲液废液池接地。C4D测量记录时施加1200 kHz频率和20 V峰峰值的激励电压。使用PowerChrome软件进行数据采集。所有实验在23 ± 1°C下进行。
样品
分析了由Petrobras公司提供的三个天然气凝析油样品。首先，使用BGE作为水相，通过液液萃取法提取这些样品中存在的MEG。萃取在单一步骤中完成，将含有200 μL样品和200 μL BGE的微量离心管涡旋混合3分钟，然后静置15分钟直至完全分相。水相无需任何其他处理即可进行分析。
MEG分析的绿色分析化学指标
为了评估所提出的MEKC-MSE方法的环境可持续性（绿色度），并与传统的HPLC-MS和GC-MS方法进行比较，使用了免费的AGREE软件。
结果与讨论
实验参数优化
在毛细管区带电泳（CZE）模式下，所有中性分析物的有效迁移率为零，因此以与电渗流（EOF）相同的速度迁移。因此，选择MEKC作为MEG分析的理想分离模式。在MEKC分离模式下，向BGE中添加表面活性剂，使其充当伪固定相，从而能够基于分析物与胶束之间的分配来分离中性化合物。使用阴离子表面活性剂SDS在50 mmol L?1磷酸盐（pH 9.0）的BGE中形成胶束。在此BGE中，MEG在正常极性下向阳极迁移的迁移率是胶束迁移率的一部分。典型的电泳图显示了用C4D检测MEG的情况。由于电泳图显示不止一个峰，即使标准MEG溶液在BGE中稀释也是如此，因此对在三个浓度水平（300、500和700 μmol L?1）下制备的MEG标准溶液进行了加标测试。结果表明，添加MEG标准溶液促进了在约85秒处检测到的峰的增加。因此，在~65秒处检测到的峰是系统峰。MEKC中电导检测的机制很复杂，自其引入以来研究有限。然而，可以通过三个层面的现象来合理化。首先，必须考虑中性分析物对电解质电导率的影响。尽管预计不带电物种没有直接贡献，但电导率可能通过改变另一物种（例如，络合或加合物形成）的摩尔离子电导而变化。此外，分析物可能改变介质粘度，尤其是在高浓度下。在不含SDS的BGE中观察到的恒定电导率表明在此研究范围内这种影响可忽略不计。还可以观察到，添加SDS使得BGE电导率依赖于MEG的浓度，因此，该影响必须归因于此分析物对胶束迁移率的作用。确实，预计像MEG这样的醇类物质会改变胶束的大小和组成。一方面，MEG分子的掺入增加了胶束尺寸，这应导致迁移率降低；另一方面，胶束聚集体的增大会降低十二烷基硫酸根的负电荷密度，有利于保留在胶束表面的Na+离子解离，这应有助于迁移率增加。在本案例中，我们观察到总体效果是迁移率增加，因为含SDS的BGE的电导率增加。最后，还应考虑这些现象发生在电泳迁移过程中，该过程与纵向扩散同时进行。因此，甚至胶束形成的动力学也可能变得显著，这或许可以解释系统峰的出现。涉及进样时间以及施加用于样品进样和分离的电压的仪器条件也进行了优化。最初，在保持分离电压（700 V）和进样时间（10秒）不变的情况下评估了用于进样的电压。然后，将300 μmol L?1的MEG标准溶液进样到微通道中，并记录改变进样电压（300至700 V）时的电泳图。当样品在施加600 V电压下引入微通道时观察到强度更高的峰。因此，该电压被选为最佳电压并在后续实验中保持恒定。关于进样时间，将相同的MEG溶液引入微通道，改变浮动时间（1至15秒），并保持进样和分离电压分别为600 V和700 V。可以观察到，仅当进样浮动时间超过5秒时才观察到与MEG相关的峰。此外，增加进样时间导致MEG峰强度增加。这在某种程度上是预期的，因为浮动时间影响通道交叉口的完全填充，从而影响进样通道。对于超过10秒的浮动时间，记录的MEG峰没有显著差异，表明通道已完全充满样品溶液。选择10秒的浮动时间作为理想进样时间并在后续实验中保持恒定。最后，还通过保持进样电压（600 V）和浮动时间（10秒）来研究分离电压。在施加500至800 V的高电压值下记录电泳图。使用700 V进行分离提供了强度更高、面积更大的峰，更好的峰对称性和更高的基线稳定性。此外，在此条件下，系统峰不会干扰所研究分析物的信号，而在使用更高电位时观察到了干扰。
分析性能
气体凝析油样品的分析
对所提出方法的分析性能进行了研究，以评估其分析天然气凝析油样品中MEG浓度水平的可行性。使用芯片基MEKC集成C4D在150至450 μmol L?1的浓度范围内为MEG提供了线性行为（r2= 0.996）。检测限（LOD）和定量限（LOQ）经计算分别为33 μmol L?1和109 μmol L?1。LOD和LOQ值是基于信噪比3和10实现的。对浓度为200 μmol L?1的MEG溶液进行12次连续进样评估了重复性。迁移时间和峰面积获得的RSD值分别为4.8%和4.2%。除迁移时间和峰面积外，还计算了分离效率，其值为（7.8 ± 0.4） × 103plates m?1。将使用片上MEKC-C4D获得的分析品质因数与文献中发现的其他MEG分析技术进行了比较。尽管所提出的方法提供了最窄的浓度线性范围，但与色谱法和分光光度法相比，它提供了更低的LOD和LOQ值。此外，实现的检测水平与采用修饰工作电极的电化学方法处于同一数量级。考虑到比较，重要的是要强调传统技术如色谱法和分光光度法需要昂贵且庞大的仪器以及大量的样品和试剂。此外，它们涉及与样品预处理步骤相关的耗时程序。Petrobras用作再生样品中MEG测定参考方法的碘量滴定法虽然具有低成本实施和简单仪器的优点，但需要更大的样品量，耗时费力，并涉及大量试剂的使用。此外，其分析性能虽然适用于常规分析，但未达到所提出方法实现的较低检测限。如表1总结，MEKC-C4D装置与文献中的其他报告相比提供了额外优势，包括减少样品和试剂消耗、短分析时间、最少的样品处理要求和低废物产生。
所开发的方法用于定量从Petrobras收到的三个气体凝析油样品中的MEG。分析在所有优化参数保持恒定的情况下进行。考虑到从分析曲线提取的信息，计算了MEG浓度，样品1、2和3的测定值分别为173 ± 7、213 ± 18和183 ± 8 μmol L-1。通过向稀释的石化样品中添加在两个浓度水平（100和150 μmol L?1）下制备的MEG标准溶液，研究了所开发方法的准确度。所有样品计算出的回收率在89 ± 3%至102 ± 5%之间变化，从而证明了在复杂样品中定量MEG的令人满意的性能。
绿色度
使用AGREE软件评估绿色分析化学的12项原则后，获得的总体值为：芯片基MEKC装置为0.77，GC-MS为0.42，LC-MS为0.34，如图5中的象形图所示。所提出方法的高分反映了其对GAC原则的严格遵守，这主要得益于微型化和自动化的可能性，这有助于显著减少样品量（第2项）、能耗（第9项）和废物产生（第7项）。此外，减少使用或不使用有毒和危险试剂（第10和11项）加强了其环境更安全的特性。相比之下，经典分析方法如HPLC和GC由于使用有机溶剂、过程中涉及的能源以及较低的操作安全性而显示出较差的指标。因此，MEKC装置不仅被证明在技术上是有效的，而且作为一种更可持续、更安全且符合现代GAC实践的方法脱颖而出。
结论
在本报告中，我们首次证明了芯片基MEKC-C4D装置用于测定石化基质中MEG分析的可行性。所开发的分析方法提供了令人满意的分析性能，包括高效的萃取程序（< 20分钟），使用少量样品（200 μL），快速的电泳分析（<100秒），减少的样品进样量要求（~300 pL），最少的废物产生和低检测水平（33 μmol L?1）。与传统的基于色谱的分析技术或涉及氧化还原滴定的参考方法相比，使用芯片基MEKC-C4D装置提供了更好的绿色度指标，这主要归因于其固有优势，如微型化、低样品和试剂需求、低能耗、更简单且潜在便携的仪器。基于本研究报告的成果，MEKC-C4D装置成为用于海上应用的强大分析工具，为研究石化样品中的中性化合物打开了新的大门。
