親水單分散聚合物基質陽離子色譜柱的制備及其應用

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　　該產品為島津公司原產，在多糖類--例甘油果糖類產品鈉離子測定，在分離能力、柱子壽命方面都有極其突出的優點，相對于同類產品shodex\費羅門等產品，都有非常不錯的優越性。

　　離子色譜法(IC)是20世紀70年代發展起來的一種色譜技術，主要用于離子型化合物的分析與分離。自1975年，Small等[1]提出離子色譜技術后,IC法逐漸在環境[2]、食品[3]、醫藥[4]、石油化工[5]和農業等各個領域得到了廣泛地應用。以硅膠和有機聚合物為基體的填料是離子色譜常用的填料。近年來,陽離子填料中以硅膠為載體，采用聚馬來酸包夾法合成的固定相[6]發展較活躍，這種填料溶質易于通過相對較大的孔與固定相上的活性位點接觸,傳質速率快,柱效高，但缺點是pH使用范圍窄，從而在一定程度上限制了離子色譜的應用。目前，有機聚合物離子色譜填料中以交聯聚苯乙烯二乙烯基苯(PStDVB)使用最廣，這種樹脂耐酸堿，允許用強酸或強堿作淋洗液。其中，以PStDVB微球為基質的陽離子色譜填料主要有兩大類：一種是以磺酸基為功能基的薄殼型或表面附聚薄殼型的離子色譜填料[7～9]，這類樹脂具有大孔結構，離子交換速度快，柱效高，但對H 選擇性不高，不能同時分離堿金屬、銨和堿土金屬離子;另外一種是以高交聯度(>55%)多孔PStDVB微球為基體，在表面接枝弱酸功能基的高分子鏈[10,11],該填料用等度淋洗可同時分離一、二價陽離子，但制備工藝復雜,技術難度大。郭龑茹等[12]以PStDVB微球為基質，采用化學改性的方法制備了一種新型陽離子色譜填料，成功地解決了一、二價陽離子共洗脫的問題，但該樹脂疏水性強，不適用于有機胺的分離;周玉芝等[13]采用DionexIonPacCS12色譜柱對低分子量有機胺進行了很好地分離，建立了C4以下10種有機胺的離子色譜分析法。鄭德敏等[14]使用有機酸作淋洗液，采用非抑制型離子色譜法對甲胺、乙胺和正丙胺進行了分離，取得了滿意的效果。

　　本研究以自制的5.0μm單分散大孔親水交聯聚甲基丙烯酸環氧丙酯(PGMA/EDMA)微球為基質，采用化學鍵合法，制備一種新型弱酸性陽離子色譜固定相。采用等度洗脫，一次進樣可同時分離6種一、二價陽離子，并對有機胺有較好的分離效果。將其用于決明茶中4種陽離子的分離測定，與原子吸收法(AAS)對照,測定結果基本一致。

　　以自制5.0μm單分散大孔親水交聯聚甲基丙烯酸環氧丙酯微球為基質，合成一種新型弱酸性陽離子色譜填料。選用甲烷磺酸作淋洗液，在流速為1.0mL/min時，對6種無機陽離子(Li ,Na ,NH 4,K ,Mg2 ,Ca2 )和有機胺進行了良好分離?？疾炝肆芟匆悍N類、濃度以及流速對6種無機陽離子分離的影響,選擇了合適的色譜分離條件。測得6種離子在一定濃度范圍內具有良好的線性關系和低的檢出限。將其用于決明茶中陽離子的分析，4種離子在20min內完全分離，各離子標準加入回收率在96%～107%之間。此色譜柱的分離效果與DionexIonPacCS12A商品柱接近，但分析時間縮短了44min。

　　實驗部分

　　儀器與試劑

　　DionexICS90離子色譜儀,DionexCSRSI(4mm)抑制器，DionexIonPacCS12A型商品柱(25cm×4cmI.D.，美國戴安公司);WFXIF2BSOIF型雙光束原子吸收分光光度計(北京華洋分析儀器有限公司);CGY100型高壓氣動泵(北京福思源機械加工部);2003型電動攪拌器;JY92超聲波細胞破碎儀(寧波新芝生物科技股份有限公司);KQ250B超聲波清洗(昆山市超生儀器有限工司)。甲基丙烯酸環氧丙酯(GMA)，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)(美國Aldrich公司);過氧化苯甲酰(BPO,化學純，上海潤捷化學試劑有限公司);實驗室自制單分散大孔親水交聯PGMA/EDMA微球(粒徑5.0μm，平均孔徑400nm，比表面積11.2m2/g);金屬陽離子的氯化物、碳酸鹽或氧化物為基準試劑或優級純(上海晶純試劑有限公司);決明茶(寧夏寧安堡土特產品有限公司出品);其它試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水。

　　親水性單分散交聯聚甲基丙烯酸環氧丙酯微球的制備

　　采用分散聚合法和“一步種子溶脹聚合法”制備親水性單分散交聯聚甲基丙烯酸環氧丙酯(PGMA/EDMA)微球[15]。首先，采用分散聚合法制備粒徑為1.8μm的線性單分散聚甲基丙烯酸環氧丙酯(PGMA)種子。然后，采用一步種子溶脹聚合法，在含有穩定劑和表面活性劑的水相介質中，將PGMA種子用被乳化的GMA,EDMA和BPO溶脹，用顯微鏡觀察有機單體是否被種子吸收完全。溶脹后升溫至70℃反應24h，產物用水和甲醇洗滌，真空干燥。合成的樹脂用甲苯抽提48h，抽提后的微球用乙醇和丙酮洗滌，真空干燥。即得5.0μm親水性單分散交聯PGMA/EDMA微球。

　　弱酸型陽離子色譜固定相的制備

　　取合成的PGMA/EDMA樹脂5.0g，用20mL乙醇溶脹5h,然后加入80mL0.1mol/LH2SO4溶液，在60℃水浴中攪拌反應18h。反應產物先用水洗滌三遍，然后浸泡于蒸餾水中過夜，再用水洗滌，真空干燥，即得水解的微球。取4.0g水解微球于250mL三頸瓶中，加入8.0g無水丁二酸酐溶于80mL吡啶溶液中，超聲分散溶解，于60℃下恒溫攪拌反應16h。產物依次用水和丙酮洗滌，真空干燥，即得弱酸型陽離子色譜填料。合成路線見圖解1(其中P代表聚合物)。

　　樹脂的表征

　　用酸堿滴定法測定樹脂表面羧基含量[16]。稱取2.0g合成的樹脂于100mL燒杯中,加入50mL1mol/LHNO3溶液，浸泡過夜，用去離子水洗至中性，抽干。將酸化的樹脂置于250mL錐形瓶中，加入200mL含5%NaCl的0.1mol/LNaOH溶液，靜置過夜。取上清液50mL，用0.1mol/LHCl滴定至終點。平行測定3次，計算樹脂表面羧基含量。用紅外光譜儀表征樹脂表面功能基。

　　色譜柱的填充及色譜條件

　　色譜柱:250mm×4.6mmI.D.;裝柱壓力:30MPa。色譜條件:淋洗液為甲烷磺酸(濃度根據實驗要求調節)，使用前經0.45μm濾膜過濾;進樣體積:10μL;再生抑制器電流59mA。

　　決明茶樣品的處理

　　取適量決明茶在80℃下干燥2h,粉碎過0.30mm孔徑篩。稱取粉碎的決明茶1.00g置于100mL容量瓶中,加90mL水,在90℃水浴中浸泡15min,搖勻,冷卻后用0.45μm微孔濾膜過濾,并加水稀釋至100mL。準確移取決明茶濾液1.0mL于10mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，在4℃下儲存備用。

　　結果與討論

　　色譜填料的評價

　　淋洗液(elution):7mmoL/L甲烷磺酸(methylvitriol);流速(flowrate):1.0mL/min。1.Li (2.5mg/L);2.Na (1.0mg/L);3.NH 4(5.0mg/L);4.K (10.0mg/L);5.Mg2 (10.0mg/L);6.Ca2 (10.0mg/L)。用酸堿滴定法測得色譜柱交換容量為4.6mmol/g。紅外光譜圖顯示,化學鍵合后的填料在1752.88cm-1有強的吸收,說明羧基已鍵合到微球上。

　　無機陽離子的分離測定

　　用合成的弱酸性陽離子色譜填料對6種無機陽離子(Li ,Na ,NH 4,K ,Mg2 ,Ca2 )進行分離，考察填料的色譜性能。以7mmol/L甲烷磺酸為淋洗液，在流速為1.0mL/min時，6種陽離子在25min內依次被洗脫，結果見圖2。平行進樣50次，不同離子的出峰時間、峰高和峰面積具有良好的重現性。

　　在上述色譜條件下,進樣量10μL，S/N=3時，Li ,Na ,NH 4,K ,Mg2 ,Ca2 離子的線性范圍和檢出限見表1。由表1可見，在一定濃度范圍內，6種離子均具有良好的線性關系和較低的檢出限。表1陽離子的線性回歸方程和檢出限

　　淋洗液的選擇

　　依據陽離子本身的性質和陽離子與固定相之間作用力的大小，選擇陽離子色譜淋洗液。本實驗分別選用甲烷磺酸、甲烷磺酸草酸和H2SO4作淋洗液，在流速為1.0mL/min，固定其濃度為5.0mmol/L，考察不同種類的酸對6種陽離子分離情況的影響。實驗結果表明，淋洗液為甲烷磺酸和草酸混合液時，6種離子在45min內被分離。分別用甲烷磺酸和H2SO4作淋洗液時，6種離子只需35min可完全分離?？紤]H2SO4的強氧化性，選用甲烷磺酸作淋洗液。

　　淋洗液濃度的選擇

　　圖3是不同濃度甲烷磺酸對6種離子分離的影響。由圖3可知，隨著淋洗液濃度的增大，各離子的分析時間縮短，洗脫順序不變，且對二價離子的影響大于一價離子。淋洗液濃度太低，一價離子分離度高，但Mg2 和Ca2 與固定相之間親和力強，分析時間延長，并且難以洗脫;淋洗液濃度過高，各離子分析時間縮短，但分離度有所降低。當甲烷磺酸濃度為7mmol/L，6種陽離子得到了最佳分離。

　　淋洗液流速的選擇

　　流速對離子的分離度、分析時間有很大的影響。圖4是不同流速對6種陽離子分離的影響。從圖4可知，流速在0.8～1.2mL/min內6種離子都能被分離。隨著流速的增大，各離子與固定相之間交換速率加快，二價離子保留時間明顯縮短，一價離子保留時間變化較小，相應分離度有所降低。實驗結果表明，流速為1.0mL/min時，各離子有最佳的分離度和合適的分析時間。

　　NH 4和有機胺的分離

　　圖5是用自制弱酸性陽離子色譜柱對NH 4、三甲胺、苯胺和二甲苯胺的色譜分離圖。低分子量的有機胺在酸性溶液中質子化,形成RNH 4，與陽離子色譜填料上的羧基發生離子交換，圖5NH 4和有機胺色譜分離圖

　　1.NH 45.0mg/L;2.三甲胺(trimethylamine)10.0mg/L;3.苯胺(aniline)50.0mg/L;4.二甲苯胺(dimethylaniline)70.0mg/L;淋洗液(elution):3.5mmol/L甲烷磺酸(methylvitriol)5%乙腈(acetonitrile);流速(flowrate):1.0mL/min。從而被分離。選用3.5mmol/L甲烷磺酸和5%乙腈作淋洗液，流速為1.0mL/min，NH 4和有機胺在10min內可完全分離，4種物質在色譜柱上的保留按照分析物與樹脂表面活性基團間的離子交換作用和疏水作用依次洗脫。二甲苯胺峰寬并有一定的拖尾，電導響應值較低。

　　樣品測定

　　采用自制陽離子色譜柱對決明茶中Na ,K ,Mg2 ,Ca2 進行分離測定。圖6為決明茶稀釋后在自制陽離子色譜柱和DionexIonPacCS12A商品柱的分離圖，由圖6可見，4種陽離子在自制色譜柱上僅用20min就能完全分離，分離效果與IonPacCS12A商品柱接近，而在DionexIonPacCS12A商品柱上完全分離需要64min。平行進樣20次，各離子的出峰時間、峰高和峰面積具有良好的重現性。

　　回收率實驗

　　在圖6色譜條件下，進樣量10μL，對決明茶稀釋液進樣，平行測定6次，計算不同離子的含量。決明茶稀釋后分別加入4種離子的標準溶液進行回收率實驗，結果見表2。4種離子含量順序為：K ﹥Mg2 ﹥Ca2 ﹥Na ，各離子加標回收率在96%～107%之間。本方法的測定結果與AAS法測得結果基本一致,相對偏差在±3.5%范圍內。表2決明茶中陽離子質量濃度及回收率(稀釋后)

　　結論

　　本研究以自合成的親水性大孔單分散交聯聚甲基丙烯酸環氧丙酯(PGMA/EDMA)微球為基質，采用化學鍵合法，合成一種新型弱酸性陽離子色譜填料。在等度洗脫條件下，一次進樣可同時分離一、二價陽離子，并對疏水性較強的有機胺有較好的分離效果。穩定性優于文[17，18]中采用物理和化學涂敷法將聚二丁烯馬來酸涂敷在硅膠表面制備的色譜填料。本色譜柱具有良好的重現性、寬的線性范圍和低的檢出限。用于決明茶中4種陽離子分離測定，各離子的加標回收率在96%～107%之間,與AAS法測得結果對照,相對偏差小于±3.5%。(謝沂楠/編輯)