楊占強, 李宗英, 楊德輝, 章飛芳, 楊丙成*

(1.華東理工大學(xué)藥學(xué)院, 上海 200237; 2.蘇州明昊色譜技術(shù)有限公司, 江蘇 蘇州 215513)

自1975年Small[1]提出現(xiàn)代離子色譜(ion chromatography, IC)概念以來,IC已被廣泛應(yīng)用于離子型化合物檢測[2,3]。近年來,IC領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了許多新技術(shù)以提高IC的分析速度、靈敏度和分離度[4-6]。比如可在線產(chǎn)生氫氧化鉀淋洗液的電致淋洗液發(fā)生器可顯著提高IC系統(tǒng)的自動化水平和運行穩(wěn)定性,也有助于降低檢測限[7-9]。在抑制檢測模式中,氫氧根淋洗液抑制產(chǎn)物近似為純水,產(chǎn)生很低的背景電導(dǎo)及背景噪聲,同時可實現(xiàn)IC模式下的梯度洗脫,可以很好地兼顧系統(tǒng)分析速度、靈敏度和信噪比。但由于氫氧根淋洗液洗脫能力極弱,且高腐蝕性的堿性溶液要求固定相具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性。因此開發(fā)氫氧根選擇性陰離子固定相是IC領(lǐng)域主要熱點研究方向之一[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適用范圍(0～14),是目前兼容于氫氧根淋洗液最常用的兩種基質(zhì)[11]。但這兩類基質(zhì)化學(xué)改性需額外引入活性位點[12,13](大多是通過磺化處理,重現(xiàn)磺化過程并非易事,制備過程繁瑣、耗時。)近年來,隨著對聚合物反應(yīng)機理了解的逐漸深入,一向被認為表面惰性的PS-DVB或EVB-DVB微球表面殘留懸掛雙鍵引起了廣泛關(guān)注[14]。Huang等[15]基于PS-DVB表面懸掛雙鍵與甲基丙烯酸縮水甘油酯進行反應(yīng),引入富含環(huán)氧基的聚合物涂層,隨后依次利用甲胺(MA)和1,4-丁二醇二縮水甘油醚(BDDE)進行超支化反應(yīng),制備出交換容量可控的陰離子色譜固定相;該課題組[16]后續(xù)又通過雙鍵-巰基的點擊化學(xué)反應(yīng),將巰基乙胺分子鍵合到PS-DVB微球表面,再通過上述超支化反應(yīng)得到陰離子交換固定相; Kaltz等[17]利用對氯甲基苯乙烯與N-甲基二乙醇胺(MDEA)反應(yīng)得到含季胺基的功能單體,與PS-DVB微球表面懸掛雙鍵進行自由基聚合反應(yīng),制備出表面接枝聚合型陰離子固定相,對常規(guī)陰離子具有較好的分離效果。若利用微球表面懸掛雙鍵進行自由基聚合反應(yīng)制備氫氧型陰離子固定相,要求反應(yīng)單體具有較高的反應(yīng)活性、純度高、本身含季胺基或可后續(xù)可改性為季胺基的活性基團。滿足這些要求的反應(yīng)單體非常有限。

烯丙基縮水甘油醚(allyl glycidyl ether, AGE)同時含雙鍵和環(huán)氧基,活性較高,近年來逐漸被用于固定相合成中。Sun等[18]利用無皂乳液聚合制備出苯乙烯-烯丙基縮水甘油醚納米乳液,再利用上述超支化反應(yīng)對乳液進行季胺化改性,將季胺化的乳液靜電附聚在磺化PS-DVB微球表面制備出乳膠涂覆型陰離子交換固定相。該課題組[19]后續(xù)改進了此方法,直接制備出AGE-DVB聚合物微球,再利用超支化反應(yīng)制備出陰離子色譜固定相。該固定相具有較好的氫氧根選擇性。目前尚未有AGE直接表面共聚于PS-DVB微球的報道,本文在此方面進行了研究,制備出一種利用AGE表面共聚PS-DVB微球的氫氧根選擇性陰離子色譜固定相(P@A-M)。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

ICS-2000離子色譜儀(美國賽默飛世爾科技有限公司)用于固定相評價;陰離子電致膜抑制器(AES-100)、氫氧化鉀淋洗液發(fā)生器(EDG-100)(蘇州明昊色譜技術(shù)有限公司); SCIENTZ-D型超聲波細胞粉碎機(寧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)和偶氮二異丁腈(AIBN, 0.99 kg/L)均購自百靈威科技有限公司;過氧化苯甲酰(BPO,化學(xué)純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司);AGE(0.99 kg/L)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP,分析純)、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)購自阿拉丁試劑有限公司;聚乙烯醇(PVA, 1788低黏度型,克拉馬爾試劑有限公司);十二烷基硫酸鈉(SDS,優(yōu)級純,聚源生物科技有限公司);其他試劑均為國產(chǎn)分析純。實驗用水均為純水(18.2 mΩ·cm, Millipore公司)。

1.2 接枝聚合型陰離子色譜固定相的制備及裝填

1.2.1PS-DVB微球的制備

采用兩步溶脹法制備所需PS-DVB微球。在500 mL三口燒瓶中加入1.0 g聚苯乙烯“種子”微球和20 mL質(zhì)量濃度為2.0 g/L的SDS水溶液。另取8 mL DBP置于小燒杯中,加入40 mL質(zhì)量濃度為2.0 g/L的SDS水溶液,超聲乳化后加入到上述含有種子微球的三口燒瓶中,30 ℃溶脹24 h。溶脹結(jié)束后,同時將10 mL St、22 mL DVB、28 mL甲苯、0.4 g BPO、1.6 g SDS以及300 mL質(zhì)量濃度為20 g/L的PVA水溶液進行超聲乳化,再轉(zhuǎn)移至上述三口燒瓶中,30 ℃溶脹24 h。待溶脹結(jié)束后,通氮氣15 min,升溫至70 ℃反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后,抽濾,用熱水洗滌至無泡沫產(chǎn)生,隨后用無水乙醇和二氯甲烷洗滌,索氏提取后,抽濾、洗滌、沉降,50 ℃干燥備用。

1.2.2P@A-M陰離子色譜固定相的制備及裝填

稱取3.0 g上述PS-DVB微球加入到250 mL三口燒瓶中,用30 mL無水乙醇進行分散。隨后稱取0.2 g AIBN引發(fā)劑并完全溶解到70 mL無水乙醇中,將其轉(zhuǎn)移至上述三口燒瓶中,攪拌均勻。加入一定量的功能單體AGE,通氮氣10 min,在50 ℃下反應(yīng)3 h。后進行抽濾,并用水、乙醇和四氫呋喃等依次洗滌,于60 ℃干燥備用(標記為P@A)。

將上述干燥后的P@A微球用50 mL乙醇-水(1∶1, v/v)混合溶液進行分散;加入與功能單體等量的N-甲基二乙醇胺,在60 ℃反應(yīng)0.5 h。反應(yīng)結(jié)束后,用水、乙醇、四氫呋喃等依次洗滌,在60 ℃干燥(標記為P@A-M)。合成路線如圖1所示。采用勻漿法進行色譜柱填裝,以去離子水為頂替液,在40 MPa壓力下裝填。

圖1 P@A-M固定相合成路線示意圖

1.3 實際樣品的前處理

將茶葉樣品置于烘箱中,在100 ℃下干燥120 min后研磨粉碎。準確稱取0.5 g茶葉樣品置于干凈的100 mL容量瓶中,加入50 mL去離子水。在90 ℃下超聲10 min,隨后用去離子水定容至100 mL。利用已活化的C18-SPE小柱對茶葉樣品溶液進行預(yù)處理,丟棄起始5 mL流出液,收集中間流出液。將所收集流出液進行稀釋,并用0.22 μm水相濾膜過濾,即得實際樣品溶液。

圖2 (a和b)PS-DVB微球和(c)P@A-M固定相的掃描電鏡圖

2 結(jié)果與討論

2.1 固定相表征

通過掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜、元素分析以及氮氣吸附-脫附實驗等對所制備PS-DVB微球和P@A-M固定相進行表征。由圖2a和2b PS-DVB微球的SEM圖可知,所得聚合物微球單分散性良好、粒徑較為均勻、表面為多孔結(jié)構(gòu);圖2c是P@A-M固定相的SEM圖。P@A-M固定相與PS-DVB微球相比,表面形貌無明顯變化。兩種微球粒徑基本一致(分別為5.6和5.7 μm)。這表明表面聚合反應(yīng)對微球表面形貌和粒徑大小影響不大。

元素分析數(shù)據(jù)表明,PS-DVB微球中氮元素含量為零,而P@A-M固定相中的氮元素含量為0.47%,說明通過接枝聚合反應(yīng)已成功將季胺基引入到聚合物微球表面。

圖3a和3b為PS-DVB微球和P@A-M固定相的氮氣吸脫附等溫線和孔徑分布圖?？梢钥闯龆叩獨馕摳降葴鼐€和孔結(jié)構(gòu)分布無顯著差別。二者比表面積分別為514和470 m2/g。后者比表面積略低于前者,可能的原因為表面接枝聚合反應(yīng)將PS-DVB微球表面的微孔結(jié)構(gòu)堵塞,造成微孔含量減少所致。

圖3 固定相(a)氮氣吸脫附等溫線、(b)孔徑分布圖和(c)紅外光譜

紅外光譜也顯示出PS-DVB微球和P@A-M固定相的差別(見圖3c):與PS-DVB微球相比,P@A-M固定相在3 445 cm-1處的特征峰顯著增強。該峰可歸屬于O-H特征峰。在開環(huán)反應(yīng)中,N-甲基二乙醇胺與基球表面的環(huán)氧基反應(yīng),導(dǎo)致基球表面的羥基含量增加。這進一步表明季胺基已鍵合到PS-DVB微球表面。

2.2 P@A-M固定相色譜性能評價

2.2.1固定相離子交換位點親水性的考察

圖4 (a) P@A-D和(b) P@A-M固定相所得色譜圖

2.2.2常規(guī)無機陰離子的總體性能考察

采用突破曲線法測定了P@A-M色譜柱的交換容量為4.1 μeq/cm。該容量相對于商品化氫氧根選擇性色譜柱(如AS18的11.4 μeq/cm和AS20的12.4 μeq/cm)相對偏低。交換容量與分離柱效沒有必然聯(lián)系,但較高的容量有利于提高分析實際樣品的抗污染能力,有利于改善弱保留組分分離,后續(xù)將通過衍生聚合時間提高P@A-M的交換容量。

圖5 梯度模式下P@A-M固定相分離7種常規(guī)陰離子的色譜圖

2.2.3P@A-M固定相長期穩(wěn)定性考察

穩(wěn)定性是判斷固定相是否實用的重要指標之一。這對于氫氧根選擇性固定相尤其如此。本文考察了P@A-M固定相的運行穩(wěn)定性(見圖6a):連續(xù)運行30 h,每隔5 h進樣,每次連續(xù)進樣3針,記錄每次進樣各組分的保留時間和理論塔板數(shù)。目標離子的保留時間無明顯變化(其相對標準偏差<1.13%)。如圖6b所示,以亞硝酸根(色譜峰3)理論塔板數(shù)對淋洗液流經(jīng)色譜柱的柱體積作圖。當系統(tǒng)穩(wěn)定后,亞硝酸根理論塔板數(shù)趨于恒定;另外,該色譜柱不間斷運行超過6個月,目標離子的保留時間和分離柱效無明顯改變。這表明P@A-M固定相具有良好的運行穩(wěn)定性。

圖6 P@A-M固定相長期穩(wěn)定性考察(n=3)

2.2.4實際應(yīng)用

表1 系統(tǒng)定量分析參數(shù)

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

3 結(jié)論

本文報道了一種PS-DVB基質(zhì)表面接枝氫氧根選擇性陰離子色譜固定相。通過PS-DVB表面殘留的懸掛雙鍵與烯丙基縮水甘油醚功能單體反應(yīng),再利用MDEA進行開環(huán)反應(yīng)得到此固定相。該方法消除了PS-DVB表面改性需磺化的步驟,有利于提高制備重現(xiàn)性。所得固定相表現(xiàn)出對氫氧根離子的高選擇性和長期穩(wěn)定性。后續(xù)通過優(yōu)化聚合方法提高交換容量將有望進一步提高該固定相的實用價值。