一种表面共聚氢氧根选择性阴离子色谱固定相

杨占强, 李宗英, 杨德辉, 章飞芳, 杨丙成*

(1.华东理工大学药学院, 上海 200237; 2.苏州明昊色谱技术有限公司, 江苏 苏州 215513)

自1975年Small[1]提出现代离子色谱(ion chromatography, IC)概念以来,IC已被广泛应用于离子型化合物检测[2,3]。近年来,IC领域内出现了许多新技术以提高IC的分析速度、灵敏度和分离度[4-6]。比如可在线产生氢氧化钾淋洗液的电致淋洗液发生器可显著提高IC系统的自动化水平和运行稳定性,也有助于降低检测限[7-9]。在抑制检测模式中,氢氧根淋洗液抑制产物近似为纯水,产生很低的背景电导及背景噪声,同时可实现IC模式下的梯度洗脱,可以很好地兼顾系统分析速度、灵敏度和信噪比。但由于氢氧根淋洗液洗脱能力极弱,且高腐蚀性的碱性溶液要求固定相具有极高的化学稳定性。因此开发氢氧根选择性阴离子固定相是IC领域主要热点研究方向之一[10]。

聚(苯乙烯-二乙烯基苯)(PS-DVB)和聚(乙基苯乙烯-二乙烯基苯)(EVB-DVB)聚合物微球具有全量程的pH适用范围(0～14),是目前兼容于氢氧根淋洗液最常用的两种基质[11]。但这两类基质化学改性需额外引入活性位点[12,13](大多是通过磺化处理,重现磺化过程并非易事,制备过程繁琐、耗时。)近年来,随着对聚合物反应机理了解的逐渐深入,一向被认为表面惰性的PS-DVB或EVB-DVB微球表面残留悬挂双键引起了广泛关注[14]。Huang等[15]基于PS-DVB表面悬挂双键与甲基丙烯酸缩水甘油酯进行反应,引入富含环氧基的聚合物涂层,随后依次利用甲胺(MA)和1,4-丁二醇二缩水甘油醚(BDDE)进行超支化反应,制备出交换容量可控的阴离子色谱固定相;该课题组[16]后续又通过双键-巯基的点击化学反应,将巯基乙胺分子键合到PS-DVB微球表面,再通过上述超支化反应得到阴离子交换固定相; Kaltz等[17]利用对氯甲基苯乙烯与N-甲基二乙醇胺(MDEA)反应得到含季胺基的功能单体,与PS-DVB微球表面悬挂双键进行自由基聚合反应,制备出表面接枝聚合型阴离子固定相,对常规阴离子具有较好的分离效果。若利用微球表面悬挂双键进行自由基聚合反应制备氢氧型阴离子固定相,要求反应单体具有较高的反应活性、纯度高、本身含季胺基或可后续可改性为季胺基的活性基团。满足这些要求的反应单体非常有限。

烯丙基缩水甘油醚(allyl glycidyl ether, AGE)同时含双键和环氧基,活性较高,近年来逐渐被用于固定相合成中。Sun等[18]利用无皂乳液聚合制备出苯乙烯-烯丙基缩水甘油醚纳米乳液,再利用上述超支化反应对乳液进行季胺化改性,将季胺化的乳液静电附聚在磺化PS-DVB微球表面制备出乳胶涂覆型阴离子交换固定相。该课题组[19]后续改进了此方法,直接制备出AGE-DVB聚合物微球,再利用超支化反应制备出阴离子色谱固定相。该固定相具有较好的氢氧根选择性。目前尚未有AGE直接表面共聚于PS-DVB微球的报道,本文在此方面进行了研究,制备出一种利用AGE表面共聚PS-DVB微球的氢氧根选择性阴离子色谱固定相(P@A-M)。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

ICS-2000离子色谱仪(美国赛默飞世尔科技有限公司)用于固定相评价;阴离子电致膜抑制器(AES-100)、氢氧化钾淋洗液发生器(EDG-100)(苏州明昊色谱技术有限公司); SCIENTZ-D型超声波细胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司)。

二乙烯基苯(DVB, 0.80 kg/L)、苯乙烯(St, 0.995 kg/L)和偶氮二异丁腈(AIBN, 0.99 kg/L)均购自百灵威科技有限公司;过氧化苯甲酰(BPO,化学纯,国药集团化学试剂有限公司);AGE(0.99 kg/L)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP,分析纯)、N,N-二甲基乙醇胺(DMEA, 0.99 kg/L)、N-甲基二乙醇胺(MDEA, 0.99 kg/L)购自阿拉丁试剂有限公司;聚乙烯醇(PVA, 1788低黏度型,克拉马尔试剂有限公司);十二烷基硫酸钠(SDS,优级纯,聚源生物科技有限公司);其他试剂均为国产分析纯。实验用水均为纯水(18.2 mΩ·cm, Millipore公司)。

1.2 接枝聚合型阴离子色谱固定相的制备及装填

1.2.1PS-DVB微球的制备

采用两步溶胀法制备所需PS-DVB微球。在500 mL三口烧瓶中加入1.0 g聚苯乙烯“种子”微球和20 mL质量浓度为2.0 g/L的SDS水溶液。另取8 mL DBP置于小烧杯中,加入40 mL质量浓度为2.0 g/L的SDS水溶液,超声乳化后加入到上述含有种子微球的三口烧瓶中,30 ℃溶胀24 h。溶胀结束后,同时将10 mL St、22 mL DVB、28 mL甲苯、0.4 g BPO、1.6 g SDS以及300 mL质量浓度为20 g/L的PVA水溶液进行超声乳化,再转移至上述三口烧瓶中,30 ℃溶胀24 h。待溶胀结束后,通氮气15 min,升温至70 ℃反应24 h。反应结束后,抽滤,用热水洗涤至无泡沫产生,随后用无水乙醇和二氯甲烷洗涤,索氏提取后,抽滤、洗涤、沉降,50 ℃干燥备用。

1.2.2P@A-M阴离子色谱固定相的制备及装填

称取3.0 g上述PS-DVB微球加入到250 mL三口烧瓶中,用30 mL无水乙醇进行分散。随后称取0.2 g AIBN引发剂并完全溶解到70 mL无水乙醇中,将其转移至上述三口烧瓶中,搅拌均匀。加入一定量的功能单体AGE,通氮气10 min,在50 ℃下反应3 h。后进行抽滤,并用水、乙醇和四氢呋喃等依次洗涤,于60 ℃干燥备用(标记为P@A)。

将上述干燥后的P@A微球用50 mL乙醇-水(1∶1, v/v)混合溶液进行分散;加入与功能单体等量的N-甲基二乙醇胺,在60 ℃反应0.5 h。反应结束后,用水、乙醇、四氢呋喃等依次洗涤,在60 ℃干燥(标记为P@A-M)。合成路线如图1所示。采用匀浆法进行色谱柱填装,以去离子水为顶替液,在40 MPa压力下装填。

图1 P@A-M固定相合成路线示意图

1.3 实际样品的前处理

将茶叶样品置于烘箱中,在100 ℃下干燥120 min后研磨粉碎。准确称取0.5 g茶叶样品置于干净的100 mL容量瓶中,加入50 mL去离子水。在90 ℃下超声10 min,随后用去离子水定容至100 mL。利用已活化的C18-SPE小柱对茶叶样品溶液进行预处理,丢弃起始5 mL流出液,收集中间流出液。将所收集流出液进行稀释,并用0.22 μm水相滤膜过滤,即得实际样品溶液。

图2 (a和b)PS-DVB微球和(c)P@A-M固定相的扫描电镜图

2 结果与讨论

2.1 固定相表征

通过扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱、元素分析以及氮气吸附-脱附实验等对所制备PS-DVB微球和P@A-M固定相进行表征。由图2a和2b PS-DVB微球的SEM图可知,所得聚合物微球单分散性良好、粒径较为均匀、表面为多孔结构;图2c是P@A-M固定相的SEM图。P@A-M固定相与PS-DVB微球相比,表面形貌无明显变化。两种微球粒径基本一致(分别为5.6和5.7 μm)。这表明表面聚合反应对微球表面形貌和粒径大小影响不大。

元素分析数据表明,PS-DVB微球中氮元素含量为零,而P@A-M固定相中的氮元素含量为0.47%,说明通过接枝聚合反应已成功将季胺基引入到聚合物微球表面。

图3a和3b为PS-DVB微球和P@A-M固定相的氮气吸脱附等温线和孔径分布图。可以看出二者氮气吸脱附等温线和孔结构分布无显著差别。二者比表面积分别为514和470 m2/g。后者比表面积略低于前者,可能的原因为表面接枝聚合反应将PS-DVB微球表面的微孔结构堵塞,造成微孔含量减少所致。

图3 固定相(a)氮气吸脱附等温线、(b)孔径分布图和(c)红外光谱

红外光谱也显示出PS-DVB微球和P@A-M固定相的差别(见图3c):与PS-DVB微球相比,P@A-M固定相在3 445 cm-1处的特征峰显著增强。该峰可归属于O-H特征峰。在开环反应中,N-甲基二乙醇胺与基球表面的环氧基反应,导致基球表面的羟基含量增加。这进一步表明季胺基已键合到PS-DVB微球表面。

2.2 P@A-M固定相色谱性能评价

2.2.1固定相离子交换位点亲水性的考察

图4 (a) P@A-D和(b) P@A-M固定相所得色谱图

2.2.2常规无机阴离子的总体性能考察

采用突破曲线法测定了P@A-M色谱柱的交换容量为4.1 μeq/cm。该容量相对于商品化氢氧根选择性色谱柱(如AS18的11.4 μeq/cm和AS20的12.4 μeq/cm)相对偏低。交换容量与分离柱效没有必然联系,但较高的容量有利于提高分析实际样品的抗污染能力,有利于改善弱保留组分分离,后续将通过衍生聚合时间提高P@A-M的交换容量。

图5 梯度模式下P@A-M固定相分离7种常规阴离子的色谱图

2.2.3P@A-M固定相长期稳定性考察

稳定性是判断固定相是否实用的重要指标之一。这对于氢氧根选择性固定相尤其如此。本文考察了P@A-M固定相的运行稳定性(见图6a):连续运行30 h,每隔5 h进样,每次连续进样3针,记录每次进样各组分的保留时间和理论塔板数。目标离子的保留时间无明显变化(其相对标准偏差<1.13%)。如图6b所示,以亚硝酸根(色谱峰3)理论塔板数对淋洗液流经色谱柱的柱体积作图。当系统稳定后,亚硝酸根理论塔板数趋于恒定;另外,该色谱柱不间断运行超过6个月,目标离子的保留时间和分离柱效无明显改变。这表明P@A-M固定相具有良好的运行稳定性。

图6 P@A-M固定相长期稳定性考察(n=3)

2.2.4实际应用

表1 系统定量分析参数

P: peak area;C: concentration of anions, μmol/L.R2: correlation coefficient.

3 结论

本文报道了一种PS-DVB基质表面接枝氢氧根选择性阴离子色谱固定相。通过PS-DVB表面残留的悬挂双键与烯丙基缩水甘油醚功能单体反应,再利用MDEA进行开环反应得到此固定相。该方法消除了PS-DVB表面改性需磺化的步骤,有利于提高制备重现性。所得固定相表现出对氢氧根离子的高选择性和长期稳定性。后续通过优化聚合方法提高交换容量将有望进一步提高该固定相的实用价值。