基于季铵化烯丙基缩水甘油醚改性的阴离子交换固定相的制备

李宗英, 陈 新, 章飞芳, 杨丙成

(华东理工大学药学院, 上海 200237)

离子色谱(ion chromatography, IC)是分析无机阴离子最常用的技术。新型阴离子固定相的开发一直是IC领域的研究热点[1]。聚合物基质固定相由于pH耐受范围宽和化学稳定性高等优点,在IC系统中占据着绝大部分应用。目前常用的聚合物基质多为苯乙烯-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]。近年来,聚甲基丙烯酸缩水甘油酯-二乙烯基苯基(poly(glycidylmethacrylate-divinylbenzene, GMA-DVB)固定相因其表面含有环氧基团和残留双键,易于进行表面改性而备受关注[3-6]。Liu等[7]利用GMA-DVB表面的环氧基团,通过二环氧化物和甲胺的超支化反应,制备得到阴离子固定相。该固定相具有极高的交换容量,分析常规阴离子因保留过强而不具有优势,但对弱保留组分比如有机弱酸表现出良好的分离效果;与DVB相关的残留双键已被证明具有活性[8],可以在引发剂作用下与含不饱和键的功能单体接枝得到阴离子固定相。Kaltz等[9]通过将自行合成的功能单体与残留双键共聚得到一种阴离子固定相,并探索了聚合机理。通过直接接枝甲基丙烯酸二甲氨基乙酯甲基氯化物(dimethylaminoethyl methacrylate methylchloride, DMC),作者所在实验室报道了一种阴离子固定相,对常见7种无机阴离子表现出良好的分离效果[10]。该方法具有合成步骤简单、重复性好等优点,其不足在于固定相交换容量较高,需要高浓度的淋洗液,这就使得抑制背景电导噪声偏大。实际上,许多基于GMA-DVB的阴离子固定相中都有类似的缺陷[4];另外,DMC尚无高纯度商品化试剂,会导致副反应发生,更重要的是,DMC结构中所含酯基在碱性溶液中会缓慢水解。考虑到有市售高纯度(纯度>99%)烯丙基缩水甘油醚(allyl glycidyl ether, AGE),其分子结构中所含的醚基比DMC的酯基理论上更稳定,本文拟通过AGE代替DMC,通过自由基反应键合到水解的GMA-DVB微球表面,再用合适的叔胺铵化得到最终的阴离子固定相,以期得到合适交换容量的固定相,同时降低来自基球本身的非离子性作用。

1 实验部分

1.1 仪器

数显控温油浴锅(德国IKA公司); KH-100E超声波清洗器(宁波新芝生物科技有限公司); TriStar Ⅱ 3020多通道全自动比表面积分析仪(美国Micromeritics公司); Varil EL Ⅲ元素分析仪(德国Elementar公司);离子色谱仪IC-2010(日本TOSOH公司); KOH淋洗液发生器(EDG-100)、电致膜抑制器(AES-100)(苏州明昊色谱技术有限公司)。

1.2 试剂与材料

AGE(纯度99%)、偶氮二异丁腈(AIBN)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP,纯度99%)、N,N-甲基二乙醇胺(MDEA,纯度99%)、N,N-二甲基乙醇胺(DMEA,纯度99%)、过氧化苯甲酰(benzoyl peroxide, BPO)、聚乙烯醇(PVA)、三甲胺水溶液(TMA)均购自上海阿拉丁公司;十二烷基硫酸钠(SDS)购自上海聚源公司。其他试剂均为分析纯,购自上海凌峰公司。除非另有说明,溶液均采用电阻率18.2 MΩ·cm的超纯水(美国Millipore)配制。

图 1 GH-AGE-MDEA阴离子交换固定相合成路线示意图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 阴离子色谱固定相的合成

GMA-DVB微球按照之前报道[10]合成得到。简述如下:称取聚苯乙烯种子1.0 g,加入0.2% SDS水溶液20 mL,缓慢搅拌均匀;另取8 mL DBP,加入40 mL 0.2% SDS水溶液,超声乳化后与上述种子溶液合并,在30 ℃下活化24 h得到活化的种子溶液;将含有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超声乳化均匀后加入到活化种子溶液中。在30 ℃进行溶胀,保持24 h。然后通氮气除氧,溶液温度升温到70 ℃,继续反应24 h。待反应结束后,抽滤,用水洗涤至无泡沫产生,随后用乙醇、二氯甲烷充分洗涤,抽滤后50 ℃干燥即可得到GMA-DVB微球。

该微球首先进行水解处理:在65 ℃下浸入稀硫酸水溶液(0.1 mol/L)中2 h;过滤后残留物用水洗至中性,60 ℃干燥过夜,所得填料命名为GH。将2.5 g GH、0.42 g AIBN和0.2 g SDS放入装有90 mL乙醇的250 mL烧瓶中。对混合物进行超声处理至颗粒分散均匀。加入7.5 mL(63 mmol)AGE,在氮气保护下70 ℃反应6 h。过滤后,残渣依次用乙醇和水洗涤,命名为GH-AGE;加入10.6 mL (94.5 mmol)MDEA,与GH-AGE在65 ℃反应6 h。过滤后,残留物用水洗涤并在60 ℃干燥12 h,得到最终的阴离子固定相,命名为GH-AGE-MDEA。其合成路线如图1所示。

为了比较,制备了一种未经水解处理的阴离子固定相,命名为G-AGE-MDEA。

将2.0 g GH-AGE-MDEA和20 mL纯水以浆料形式填充到不锈钢柱(150 mm×4.6 mm)中,以纯水作为匀浆液和顶替液,填充压力为35 MPa。使用前将得到的色谱柱用碳酸钾溶液冲洗至少12 h。

1.4 色谱柱交换容量的测定

色谱柱交换容量采用突破曲线法测定[11]:先用50 mmol/L NaCl水溶液以0.5 mL/min的流速冲洗4 h,再用去离子水以0.5 mL/min的流速冲洗2 h。最后用5 mmol/L NaNO3水溶液冲洗,其流出物通过紫外检测器监控,检测波长为210 nm,以 1 mL/min流速冲洗色谱柱直至突破。离子交换容量Q(μmol/column)按下式计算:

Q=C×F×(tb-t0)

式中C为NaNO3浓度(mmol/L);F为NaNO3溶液流速(mL/min);tb为突破时间(min);t0为死时间(min)。

1.5 色谱条件

色谱柱:实验室自制阴离子交换固定相GH-AGE-MDEA(150 mm×4.6 mm, 5.7 μm);流动相:2.0 mmol/L K2CO3+2.5 mmol/L KHCO3;进样量:30 μL;流速:1.0 mL/min;抑制器电流:17 mA;柱温:35 ℃。

图 2 GMA-DVB和GH-AGE-MDEA的(a)SEM图、(b)孔径分布和(c)BJH-吸附脱附曲线Fig. 2 (a) SEM, (b) pore size distribution, and (c) BJH-adsorption and desorption curves of GMA-DVB and GH-AGE-MDEA

2 结果与讨论

2.1 固定相的表征

GMA-DVB微球和GH-AGE-MDEA的扫描电子显微照片如图2a所示。可以看出两种微球均表现出良好的单分散性,平均粒径分别为5.5 μm和5.7 μm。二者粒径差别很小。这表明在合成过程中GMA-DVB单分散性保持良好;图2b和图2c分别是两种微球的孔径分布曲线和氮气吸附-脱附曲线。可以看出,40～60 nm的微孔在GH-AGE-MDEA结构中占主导;此外,由两种微球的元素分析数据(见表1)可以看出,相对于GMA-DVB氮含量0.16%, GH-AGE-MDEA的氮含量(0.53%)明显增加。理论上,GMA-DVB氮含量为零,少量的氮含量可能是由于空气中氮的干扰或聚合过程中AIBN的残留造成的,之前报道也观察到类似的现象[10,12]。GH-AGE-MDEA的理论和实际交换容量分别为264 μmol/g和98.5 μmol/column。这些表征说明AGE已成功键合到GMA-DVB微球表面。

表 1 GMA-DVB和GH-AGE-MDEA的元素分析结果

2.2 合成条件的优化

2.2.1季铵化试剂的选择

图 3 (a)阴离子固定相和(b)水解作用对7种阴离子分离的影响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基球水解处理的影响

图 4 (a)单体AGE用量和(b)反应时间对分离的影响Fig. 4 Effect of (a) the amount of AGE and (b) reaction time on the separation performance

2.2.3单体量和时间对分离的影响

AGE接枝过程属于自由基聚合,单体用量、反应温度和时间都会影响最终的交换容量。图4a所示是不同单体用量制备得到的阴离子固定相对分离的影响。当AGE用量为42 mmol时,除硝酸根和磷酸氢根共洗脱外,其他5种阴离子分离良好;当AGE量增加到63 mmol时,7种离子均达到基线分离;进一步增加到84 mmol,几种离子的分离效果得到进一步改善,但保留时间也相应增加,峰高和塔板数也随之下降。因此,单体用量经优化后选择为63 mmol。

控制反应温度为70 ℃时,探讨了反应时间的影响,如图4b。反应时间为4～8 h时,随着反应时间的增长,目标离子的保留时间逐渐增加,分离度改善,但理论塔板数也会随之下降。综合考虑,选择6 h为最佳反应时间。

图 5 GH-AGE-MDEA阴离子交换固定相分离7种阴离子的色谱图Fig. 5 Chromatogram of the seven anions on GH-AGE-MDEA anion exchangerConditions were the same as those in Fig. 3.

2.3 色谱性能

色谱柱运行稳定性通过考察目标离子保留时间的日内和日间相对标准偏差(RSD),分别为0.09%和1.42%;使用2 mmol/L K2CO3+2.5 mmol/L KHCO3洗脱液连续冲洗超过1 500倍柱体积,目标离子的保留时间和峰面积RSD分别小于2.7%和1.8%,这显示出该色谱柱良好的稳定性。

3 结论

本文报道了一种聚合物基质阴离子固定相。它是通过将AGE接枝到水解GMA-DVB微球上,再季铵化处理。DVB的残留双键活性足够引入一定数量的AGE,同时将GMA游离环氧基团水解为双醇基,可以得到交换容量适中、基质干扰作用小的阴离子固定相。