李宗英, 陳 新, 章飛芳, 楊丙成

(華東理工大學藥學院, 上海 200237)

離子色譜(ion chromatography, IC)是分析無機陰離子最常用的技術。新型陰離子固定相的開發(fā)一直是IC領域的研究熱點[1]。聚合物基質(zhì)固定相由于pH耐受范圍寬和化學穩(wěn)定性高等優(yōu)點,在IC系統(tǒng)中占據(jù)著絕大部分應用。目前常用的聚合物基質(zhì)多為苯乙烯-二乙烯基苯(polystyrene-divinylbenzene, PS-DVB)、乙基乙烯基苯-二乙烯基苯、甲基丙烯酸酯[2]。近年來,聚甲基丙烯酸縮水甘油酯-二乙烯基苯基(poly(glycidylmethacrylate-divinylbenzene, GMA-DVB)固定相因其表面含有環(huán)氧基團和殘留雙鍵,易于進行表面改性而備受關注[3-6]。Liu等[7]利用GMA-DVB表面的環(huán)氧基團,通過二環(huán)氧化物和甲胺的超支化反應,制備得到陰離子固定相。該固定相具有極高的交換容量,分析常規(guī)陰離子因保留過強而不具有優(yōu)勢,但對弱保留組分比如有機弱酸表現(xiàn)出良好的分離效果;與DVB相關的殘留雙鍵已被證明具有活性[8],可以在引發(fā)劑作用下與含不飽和鍵的功能單體接枝得到陰離子固定相。Kaltz等[9]通過將自行合成的功能單體與殘留雙鍵共聚得到一種陰離子固定相,并探索了聚合機理。通過直接接枝甲基丙烯酸二甲氨基乙酯甲基氯化物(dimethylaminoethyl methacrylate methylchloride, DMC),作者所在實驗室報道了一種陰離子固定相,對常見7種無機陰離子表現(xiàn)出良好的分離效果[10]。該方法具有合成步驟簡單、重復性好等優(yōu)點,其不足在于固定相交換容量較高,需要高濃度的淋洗液,這就使得抑制背景電導噪聲偏大。實際上,許多基于GMA-DVB的陰離子固定相中都有類似的缺陷[4];另外,DMC尚無高純度商品化試劑,會導致副反應發(fā)生,更重要的是,DMC結(jié)構(gòu)中所含酯基在堿性溶液中會緩慢水解?？紤]到有市售高純度(純度>99%)烯丙基縮水甘油醚(allyl glycidyl ether, AGE),其分子結(jié)構(gòu)中所含的醚基比DMC的酯基理論上更穩(wěn)定,本文擬通過AGE代替DMC,通過自由基反應鍵合到水解的GMA-DVB微球表面,再用合適的叔胺銨化得到最終的陰離子固定相,以期得到合適交換容量的固定相,同時降低來自基球本身的非離子性作用。

1 實驗部分

1.1 儀器

數(shù)顯控溫油浴鍋(德國IKA公司); KH-100E超聲波清洗器(寧波新芝生物科技有限公司); TriStar Ⅱ 3020多通道全自動比表面積分析儀(美國Micromeritics公司); Varil EL Ⅲ元素分析儀(德國Elementar公司);離子色譜儀IC-2010(日本TOSOH公司); KOH淋洗液發(fā)生器(EDG-100)、電致膜抑制器(AES-100)(蘇州明昊色譜技術有限公司)。

1.2 試劑與材料

AGE(純度99%)、偶氮二異丁腈(AIBN)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP,純度99%)、N,N-甲基二乙醇胺(MDEA,純度99%)、N,N-二甲基乙醇胺(DMEA,純度99%)、過氧化苯甲酰(benzoyl peroxide, BPO)、聚乙烯醇(PVA)、三甲胺水溶液(TMA)均購自上海阿拉丁公司;十二烷基硫酸鈉(SDS)購自上海聚源公司。其他試劑均為分析純,購自上海凌峰公司。除非另有說明,溶液均采用電阻率18.2 MΩ·cm的超純水(美國Millipore)配制。

圖 1 GH-AGE-MDEA陰離子交換固定相合成路線示意圖Fig. 1 Synthesis route of anion exchanger of GH-AGE-MDEA GMA-DVB: poly(glycidylmethacrylate-divinylbenzene); GH: hydrolyzed poly(glycidylmethacrylate-divinylbenzene); AGE: allyl glycidyl ether; MDEA: N,N-methyldiethanolamine; AIBN: azobisisobutyronitrile.

1.3 陰離子色譜固定相的合成

GMA-DVB微球按照之前報道[10]合成得到。簡述如下:稱取聚苯乙烯種子1.0 g,加入0.2% SDS水溶液20 mL,緩慢攪拌均勻;另取8 mL DBP,加入40 mL 0.2% SDS水溶液,超聲乳化后與上述種子溶液合并,在30 ℃下活化24 h得到活化的種子溶液;將含有10 mL GMA、22 mL DVB、28 mL甲苯、0.4 g BPO、1.6 g SDS的2% PVA水溶液300 mL超聲乳化均勻后加入到活化種子溶液中。在30 ℃進行溶脹,保持24 h。然后通氮氣除氧,溶液溫度升溫到70 ℃,繼續(xù)反應24 h。待反應結(jié)束后,抽濾,用水洗滌至無泡沫產(chǎn)生,隨后用乙醇、二氯甲烷充分洗滌,抽濾后50 ℃干燥即可得到GMA-DVB微球。

該微球首先進行水解處理:在65 ℃下浸入稀硫酸水溶液(0.1 mol/L)中2 h;過濾后殘留物用水洗至中性,60 ℃干燥過夜,所得填料命名為GH。將2.5 g GH、0.42 g AIBN和0.2 g SDS放入裝有90 mL乙醇的250 mL燒瓶中。對混合物進行超聲處理至顆粒分散均勻。加入7.5 mL(63 mmol)AGE,在氮氣保護下70 ℃反應6 h。過濾后,殘渣依次用乙醇和水洗滌,命名為GH-AGE;加入10.6 mL (94.5 mmol)MDEA,與GH-AGE在65 ℃反應6 h。過濾后,殘留物用水洗滌并在60 ℃干燥12 h,得到最終的陰離子固定相,命名為GH-AGE-MDEA。其合成路線如圖1所示。

為了比較,制備了一種未經(jīng)水解處理的陰離子固定相,命名為G-AGE-MDEA。

將2.0 g GH-AGE-MDEA和20 mL純水以漿料形式填充到不銹鋼柱(150 mm×4.6 mm)中,以純水作為勻漿液和頂替液,填充壓力為35 MPa。使用前將得到的色譜柱用碳酸鉀溶液沖洗至少12 h。

1.4 色譜柱交換容量的測定

色譜柱交換容量采用突破曲線法測定[11]:先用50 mmol/L NaCl水溶液以0.5 mL/min的流速沖洗4 h,再用去離子水以0.5 mL/min的流速沖洗2 h。最后用5 mmol/L NaNO3水溶液沖洗,其流出物通過紫外檢測器監(jiān)控,檢測波長為210 nm,以 1 mL/min流速沖洗色譜柱直至突破。離子交換容量Q(μmol/column)按下式計算:

Q=C×F×(tb-t0)

式中C為NaNO3濃度(mmol/L);F為NaNO3溶液流速(mL/min);tb為突破時間(min);t0為死時間(min)。

1.5 色譜條件

色譜柱:實驗室自制陰離子交換固定相GH-AGE-MDEA(150 mm×4.6 mm, 5.7 μm);流動相:2.0 mmol/L K2CO3+2.5 mmol/L KHCO3;進樣量:30 μL;流速:1.0 mL/min;抑制器電流:17 mA;柱溫:35 ℃。

圖 2 GMA-DVB和GH-AGE-MDEA的(a)SEM圖、(b)孔徑分布和(c)BJH-吸附脫附曲線Fig. 2 (a) SEM, (b) pore size distribution, and (c) BJH-adsorption and desorption curves of GMA-DVB and GH-AGE-MDEA

2 結(jié)果與討論

2.1 固定相的表征

GMA-DVB微球和GH-AGE-MDEA的掃描電子顯微照片如圖2a所示?？梢钥闯鰞煞N微球均表現(xiàn)出良好的單分散性,平均粒徑分別為5.5 μm和5.7 μm。二者粒徑差別很小。這表明在合成過程中GMA-DVB單分散性保持良好;圖2b和圖2c分別是兩種微球的孔徑分布曲線和氮氣吸附-脫附曲線。可以看出,40～60 nm的微孔在GH-AGE-MDEA結(jié)構(gòu)中占主導;此外,由兩種微球的元素分析數(shù)據(jù)(見表1)可以看出,相對于GMA-DVB氮含量0.16%, GH-AGE-MDEA的氮含量(0.53%)明顯增加。理論上,GMA-DVB氮含量為零,少量的氮含量可能是由于空氣中氮的干擾或聚合過程中AIBN的殘留造成的,之前報道也觀察到類似的現(xiàn)象[10,12]。GH-AGE-MDEA的理論和實際交換容量分別為264 μmol/g和98.5 μmol/column。這些表征說明AGE已成功鍵合到GMA-DVB微球表面。

表 1 GMA-DVB和GH-AGE-MDEA的元素分析結(jié)果

2.2 合成條件的優(yōu)化

2.2.1季銨化試劑的選擇

圖 3 (a)陰離子固定相和(b)水解作用對7種陰離子分離的影響Fig. 3 Effect of (a) anion exchangers and (b) hydrolysis on the separation of the seven anions Conditions: eluent, 2.0 mmol/L K2CO3+2.5 mmol/L KHCO3; 150 mm×4.6 mm; injection volume, 30 μL; sample, 50 μmol/L of all analytes except HPO42- (100 μmol/L); flow rate, 1.0 mL/min; suppression current, 17 mA; column temperature: 35 ℃.

2.2.2GMA-DVB基球水解處理的影響

圖 4 (a)單體AGE用量和(b)反應時間對分離的影響Fig. 4 Effect of (a) the amount of AGE and (b) reaction time on the separation performance

2.2.3單體量和時間對分離的影響

AGE接枝過程屬于自由基聚合,單體用量、反應溫度和時間都會影響最終的交換容量。圖4a所示是不同單體用量制備得到的陰離子固定相對分離的影響。當AGE用量為42 mmol時,除硝酸根和磷酸氫根共洗脫外,其他5種陰離子分離良好;當AGE量增加到63 mmol時,7種離子均達到基線分離;進一步增加到84 mmol,幾種離子的分離效果得到進一步改善,但保留時間也相應增加,峰高和塔板數(shù)也隨之下降。因此,單體用量經(jīng)優(yōu)化后選擇為63 mmol。

控制反應溫度為70 ℃時,探討了反應時間的影響,如圖4b。反應時間為4～8 h時,隨著反應時間的增長,目標離子的保留時間逐漸增加,分離度改善,但理論塔板數(shù)也會隨之下降。綜合考慮,選擇6 h為最佳反應時間。

圖 5 GH-AGE-MDEA陰離子交換固定相分離7種陰離子的色譜圖Fig. 5 Chromatogram of the seven anions on GH-AGE-MDEA anion exchangerConditions were the same as those in Fig. 3.

2.3 色譜性能

色譜柱運行穩(wěn)定性通過考察目標離子保留時間的日內(nèi)和日間相對標準偏差(RSD),分別為0.09%和1.42%;使用2 mmol/L K2CO3+2.5 mmol/L KHCO3洗脫液連續(xù)沖洗超過1 500倍柱體積,目標離子的保留時間和峰面積RSD分別小于2.7%和1.8%,這顯示出該色譜柱良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文報道了一種聚合物基質(zhì)陰離子固定相。它是通過將AGE接枝到水解GMA-DVB微球上,再季銨化處理。DVB的殘留雙鍵活性足夠引入一定數(shù)量的AGE,同時將GMA游離環(huán)氧基團水解為雙醇基,可以得到交換容量適中、基質(zhì)干擾作用小的陰離子固定相。