多孔单分散交联聚苯乙烯二乙烯苯离子对色谱固定相分离8种阴离子

　　　　 作者：贾磊娜 王富强 龚波林 胡文治

【摘要】 以一步种子溶胀聚合法制备的粒径为8 μm的多孔单分散交联聚苯乙烯二乙烯苯(PStDVB)树脂为离子对色谱固定相， 2 mmol/L 氢氧化四丁基铵(TBAOH)、10%(V/V)乙腈和1.5 mmol/L Na2CO3的混合液为流动相， 在流速为1.0 mL/min下， 成功实现了8种阴离子(F-， Ac-， Cl-， NO-2， Br-， NO-3， SO2-4和HPO2-4)的分离。考察了淋洗液的配比对8种无机阴离子分离的影响。在最优条件下， 8种离子表现出良好的重现性及较好的线性关系， 色谱柱具有良好稳定性及较好的分离能力。将其用于雪水中阴离子的分析， 6种离子在15 min内完全分离， 各离子加标回收率在93.6%～110.4%之间。此固定相也可用于IO-3， HCOO-， ClO-3， BrO-3， ClCh3COO-和h3C2O4混合样的分离。

【关键词】 多孔单分散交联聚苯乙烯二乙烯苯树脂; 离子对色谱; 阴离子; 有机酸; 雪水

　1 引 言

　　离子交换色谱和离子排斥色谱并不能满足所有离子型化合物分离的需要，而离子对色谱(Ion pair chromatography， IPC)对于有机离子的分离则具有其独特的优越性[1]。IPC的关键在于提供一个含有离子对试剂的流动相，选择的离子对试剂应能与被测离子形成具有良好色谱性能的离子对化合物。IPC的保留机理还未完全弄清， 文献[2，3]介绍了计量模型和非计量模型两类主要理论模型。非计量模型的动态离子交换理论认为离子对试剂的疏水性部分吸附到固定相并形成动态的离子交换表面，被分离的离子像经典的离子交换那样被保留在动态的离子交换表面上。流动相中的有机试剂被用于阻止离子对试剂与固定相的相互作用，因而改变柱子的“容量”。IPC的最大优点是不需在树脂上键合官能团，调节合适的流动相比例就可得到良好的分离效果，快速方便， 灵敏度高， 选择性好。

　　目前，离子对色谱的应用研究多选择不同的淋洗液分离阴阳离子。Bidlingmeyer等[4]以四丁基水杨酸盐为离子对试剂分离了无机阴离子;Spyridaki等[5]用LiChrospher RP18反相柱，离子对试剂为四丁基溴化铵(TBABr)分离了唾液酸。于泓等[6]用ChromolithSpeed ROD RP18色谱柱，离子对试剂为氢氧化四丁基铵(TBAOH)分析高氯酸盐;艾红晶等[7]用硅胶整体柱，离子对试剂为TBAOH对铬(VI)进行测定。这些商品柱均是以硅胶为基质。与硅胶基质填料相比，有机聚合物填料对酸和碱有很好的稳定性，可完全溶于有机溶剂，是目前应用最为广泛的离子交换色谱填料。以大孔高交联度聚苯乙烯二乙烯基苯(PStDVB)为基质的乳胶附聚型阴离子色谱固定相发展较活跃，这种填料化学性质稳定，离子交换速度快，柱效较高[8]。苏天升[9]等用粒径为0.5 μm季氨化单分散交联苯乙烯乳胶与粒径为5～30 μm磺化交联聚苯乙烯共聚物微球藉库仑力附聚得到阴离子交换树脂微球，对几种常见阴离子进行了分离，但该柱对Br-和NO-3的选择性较低，并且SO2-4保留时间长。陈洪彬等[10]以粒径3～20 μm的PStDVB微球为基质制备的乳胶附聚型阴离子色谱柱，柱效高，样品分析时间短，并且可通过控制交换容量来改变各离子之间的分离度，但适用于有机酸的分离。

　　本实验用自制多孔单分散PStDVB树脂为离子对色谱固定相， 以2 mmol/L TBAOH、10%(V/V) 乙腈和1.5 mmol/L Na2CO3的混合液为淋洗液，对常见阴离子以及有机酸进行分离，并对实际样品进行了分析。实验结果表明， 此多孔单分散PStDVB树脂作为离子对色谱固定相具有良好的分离性、稳定性及有机溶剂兼容性。将此离子对色谱柱用于雪水样品中阴离子的分离与检测，结果令人满意。

　　2 实验部分

　　2.1 仪器与试剂

　　Dionex ICS90离子色谱仪， Dionex AMMSⅢ微膜(4 mm)抑制器(美国戴安公司)， CGY100型高压气动泵(北京福思源机械加工部);2003型电动搅拌器;JY92超声波细胞破碎仪(宁波新芝生物科技股份有限公司);KQ250B超声波清洗器(昆山市超生仪器有限工司);旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂);生物显微镜(美国JEOL公司);扫描电子显微镜 (1000B， 美国);LD52A型低速离心机(北京医用离心机厂)。

　　苯乙烯(St，化学纯，上海试剂一厂);二乙烯苯(DVB， 进口工业级);聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分析纯，相对分子质量为40000， 美国Aldrich Chemical公司);过氧化苯甲酰(BPO ，化学纯，上海润捷化学试剂有限公司);偶氮二异丁腈(AIBN，分析纯，上海试四赫维化工有限公司);十二烷基磺酸钠(SDS ，化学纯，汕头光华化工厂);聚乙烯醇(PVA ，化学纯，醇解度为88%，天津天大化工实验厂); 无水乙醇(天津试剂三厂，分析纯);阴离子钠盐或钾盐为基准试剂或优级纯(上海晶纯试剂有限公司);其它试剂均为分析纯;溶液均用18.3 MΩ·cm的二次蒸馏水配制。

　　2.2 固定相的制备[11]

　　采用分散聚合法制备粒径为2.0 μm的线性苯乙烯(PSt)种子。采用一步种子溶胀聚合法， 在含有稳定剂和表面活性剂的水相介质中， 将PSt种子用被乳化的St， DVB和BPO溶胀12 h后， 图1 多孔单分散微球的电镜照片

　　Fig.1 Scanning electron micrographs of monosized porous beads升温至70 ℃加热搅拌聚合反应24 h。产物用水、甲醇和丙酮洗涤， 真空干燥。合成的树脂用甲苯抽提48 h， 抽提后的微球用乙醇和丙酮洗涤， 真空干燥，即得8.0 μm单分散交联PStDVB微球。其电镜照片如图1所示。

　　2.3 色谱柱的填装

　　取3.0 g合成的单分散PStDVB微球， 以乙腈为匀浆液，超声分散15 min后， 在30 MPa的压力下将微球装入150 mm×4.6 mm I. D.的不锈钢柱管中。

　　2.4 色谱条件

　　流动相：2 mmol/L TBAOH， 10%(V/V)乙腈， 1.5 mmol/L Na2CO3混合溶液，进样体积为10 μL， 流速为1.0 mL/min。

　　3 结果与讨论

　　3.1 色谱柱的评价

　　以自制的PStDVB微球为固定相的离子对色谱柱对8种常规阴离子(F-，Ac-，Cl-，NO-2，Br-，NO-3，SO2-4和HPO2-4)分离效果进行考察。实验表明， 选用2 mmol/L TBAOH、10%(V/V)乙腈和1.5 mmol/L Na2CO3的混合液为淋洗液，在流速为1.0 mL/min的条件下， 8种无机阴离子能在25 min内达到完全分离，洗脱顺序符合经典的离子交换洗脱顺序，结果见图2。在相同的色谱条件下，对IO-3， HCOO-， ClO-3， BrO-3， ClCh3COO-和h3C2O4混合样进行分离，在20 min内完全被洗脱，结果见图3。

　　淋洗液(Elution); 氢氧化四丁基铵(Tetrabutylammoniumhydroxide， TBAOH， 2 mmol/L)， 乙腈(Acetonitrile， 10%)， Na2CO3(1.5 mmol/L) ; 流速(Flow rate); 1.0 mL/min。1. F-(6 mg/L); 2. Ac-(80 mg/L); 3. Cl-(2.5 mg/L); 4. NO-2(40 mg/L); 5.Br-(30 mg/L); 6. NO-3(40 mg/L); 7. SO2-4(50 mg/L);8. HPO2-4(60 mg/L)。 图3 无机及有机阴离子标准混合样的色谱分离图

　　Fig.3 Chromatogram of mixture standard sample of organic acids and inorganic anions

　　淋洗液(Elution); 氢氧化四丁基铵TBAOH(2 mmol/L)， 乙腈(Acetonitrile， 10%)， Na2CO3(1.5 mmol/L); 流速(Flow rate); 1.0 mL/min。1. IO-3(30 mg/L); 2. HCOO-(1 mg/L); 3. ClO-3(30 mg/L);4. BrO-3(30 mg/L); 5. ClCh3COO- (30 mg/L); 6. h3C2O4(30 mg/L)。3.2 线性关系及检出限

　　在淋洗液为2 mmol/L TBAOH， 10%(V/V)乙腈和1.5 mmol/L Na2CO3混合溶液， 流速为1.0 mL/min的条件下， 进样量10 μL， S/N=3时， 对F-， Ac- ， Cl- ， NO-2 ， Br- ， NO-3， SO2-4和HPO2-4进行线性范围和检出限测定， 测定结果见表1。由表1可见，在一定浓度范围内， 8种离子均具有良好的线性关系和较低的检出限和良好的重现性。

　　3.3 稳定性实验

　　用上述8种常规阴离子标准样品连续进样150次。结果表明，柱效、分离度等没有改变，说明此色谱柱填料具有良好的稳定性。表1 8种阴离子的线性关系及检出限

　　3.4 有机溶剂兼容性实验

　　在流动相中加入有机溶剂时， 通常会改变待分离组分的保留时间[12]。本实验分别采用含5%(V/V)乙腈，15%(V/V)乙腈及不含乙腈的标准淋洗液。结果表明，色谱图中只是各阴离子的保留时间发生变化，而未有其它异常现象，说明此色谱柱具有优良的有机溶剂兼容性。

　　3.5 无机添加剂对阴离子保留的影响

　　在流动相中加Na2CO3，可改进二价阴离子的分离和峰形。其作用机理仍可以用动态离子交换理论解释。随着Na2CO3浓度的增加，8种阴离子的保留时间均减少， 其中二价离子的变化较明显(图4)。

　　3.6 样品分析及回收实验

　　取银川市2009年3月2日雪融水样，经过沉降后，用0.45 μm滤膜过滤，直接进样分析， 样品色谱分离图见图5。由图5可见， 雪融水中6种无机阴离子(F-，Ac-，Cl-，NO-2，NO-3和SO2-4)在15 min内完全分离。平行进样10次，各离子的出峰时间、峰高和峰面积具有良好的重现性。在此色谱条件下， 进样量10 μL， 对样品平行测定8次， 计算各离子的含量。在过滤后的雪融水原样中加入6种离子的标准溶液进行回收率测定，分析结果见表2。各离子加标回收率在93.6%～110.4%之间。

　　流动相(Elution): 2 mmol/L氢氧化四丁基铵(TBAOH)，10%乙腈(Acetonitrile，V/V)， 1.5 mmoL/L Na2CO3。 1. F-; 2. Ac-; 3. Cl-; 4. NO-2; 5. NO-3; 6. SO2-4。表2 雪水中阴离子质量浓度及回收率

参考文献

　(%， n=3)F-4.295.08.9793.6Ac-26.2080.0110.9105.9Cl-2.672.55.43110.4NO-210.1640.050.7101.3NO-315.4025.041.8105.6SO2-4268.025.0291.995.6

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