亲水单分散聚合物基质阳离子色谱柱的制备及其应用

　　　　 作者：杨春霞　贾磊娜　龚波林　胡文治

【摘要】 以自制5.0 μm单分散大孔亲水交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯微球为基质，合成一种新型弱酸性阳离子色谱填料。选用甲烷磺酸作淋洗液，在流速为1.0 mL/min时，对6种无机阳离子(Li+， Na+， NH+4， K+， Mg2+， Ca2+)和有机胺进行了良好分离。考察了淋洗液种类、浓度以及流速对6种无机阳离子分离的影响，选择了合适的色谱分离条件。测得6种离子在一定浓度范围内具有良好的线性关系和低的检出限。将其用于决明茶中阳离子的分析，4种离子在20 min内完全分离，各离子标准加入回收率在96%～107%之间。此色谱柱的分离效果与Dionex IonPacCS12A商品柱接近，但分析时间缩短了44 min。

【关键词】 亲水单分散树脂， 弱阳离子色谱， 阳离子，有机胺，决明茶

　　1 引 言

　　离子色谱法(IC)是20世纪70年代发展起来的一种色谱技术，主要用于离子型化合物的分析与分离。自1975年，Small等[1]提出离子色谱技术后，IC法逐渐在环境[2]、食品[3]、医药[4]、石油化工[5]和农业等各个领域得到了广泛地应用。以硅胶和有机聚合物为基体的填料是离子色谱常用的填料。近年来，阳离子填料中以硅胶为载体，采用聚马来酸包夹法合成的固定相[6]发展较活跃，这种填料溶质易于通过相对较大的孔与固定相上的活性位点接触，传质速率快，柱效高，但缺点是pH使用范围窄，从而在一定程度上限制了离子色谱的应用。目前，有机聚合物离子色谱填料中以交联聚苯乙烯二乙烯基苯(PStDVB)使用最广，这种树脂耐酸碱，允许用强酸或强碱作淋洗液。其中，以PStDVB微球为基质的阳离子色谱填料主要有两大类：一种是以磺酸基为功能基的薄壳型或表面附聚薄壳型的离子色谱填料[7～9]，这类树脂具有大孔结构，离子交换速度快，柱效高，但对H+选择性不高，不能同时分离碱金属、铵和碱土金属离子;另外一种是以高交联度(&>55%) 多孔PStDVB微球为基体，在表面接枝弱酸功能基的高分子链[10，11]，该填料用等度淋洗可同时分离一、二价阳离子，但制备工艺复杂，技术难度大。郭龑茹等[12]以PStDVB微球为基质，采用化学改性的方法制备了一种新型阳离子色谱填料，成功地解决了一、二价阳离子共洗脱的问题，但该树脂疏水性强，不适用于有机胺的分离;周玉芝等[13]采用Dionex Ion Pac CS12色谱柱对低分子量有机胺进行了很好地分离，建立了C4以下10种有机胺的离子色谱分析法。郑德敏等[14]使用有机酸作淋洗液，采用非抑制型离子色谱法对甲胺、乙胺和正丙胺进行了分离，取得了满意的效果。

　　本研究以自制的5.0 μm单分散大孔亲水交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯(PGMA/EDMA)微球为基质，采用化学键合法，制备一种新型弱酸性阳离子色谱固定相。采用等度洗脱，一次进样可同时分离6种一、二价阳离子，并对有机胺有较好的分离效果。将其用于决明茶中4种阳离子的分离测定，与原子吸收法(AAS)对照， 测定结果基本一致。

　　 2 实验部分

　　2.1 仪器与试剂

　　Dionex ICS90离子色谱仪， Dionex CSRSI(4 mm)抑制器，Dionex IonPacCS12A型商品柱(25 cm×4 cm I.D.， 美国戴安公司);WFXIF2BSOIF型双光束原子吸收分光光度计(北京华洋分析仪器有限公司);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(昆山市超生仪器有限工司)。甲基丙烯酸环氧丙酯(GMA)，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA) (美国Aldrich公司);过氧化苯甲酰(BPO，化学纯，上海润捷化学试剂有限公司);实验室自制单分散大孔亲水交联PGMA/EDMA微球(粒径5.0 μm，平均孔径400 nm，比表面积11.2 m2/g);金属阳离子的氯化物、碳酸盐或氧化物为基准试剂或优级纯(上海晶纯试剂有限公司);决明茶(宁夏宁安堡土特产品有限公司出品);其它试剂均为分析纯。 实验用水为二次蒸馏水。

　 2.2 亲水性单分散交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯微球的制备

　　采用分散聚合法和“一步种子溶胀聚合法”制备亲水性单分散交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯(PGMA/EDMA)微球[15]。首先，采用分散聚合法制备粒径为1.8 μm的线性单分散聚甲基丙烯酸环氧丙酯(PGMA)种子。然后，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PGMA种子用被乳化的GMA， EDMA和BPO溶胀，用显微镜观察有机单体是否被种子吸收完全。溶胀后升温至70 ℃反应24 h，产物用水和甲醇洗涤，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5.0 μm亲水性单分散交联PGMA/EDMA微球。

　　2.3 弱酸型阳离子色谱固定相的制备

　　取合成的PGMA/EDMA树脂 5.0 g，用20 mL乙醇溶胀5 h， 然后加入80 mL 0.1 mol/L h3SO4溶液，在60 ℃水浴中搅拌反应18 h。反应产物先用水洗涤三遍，然后浸泡于蒸馏水中过夜，再用水洗涤，真空干燥，即得水解的微球。取4.0 g水解微球于250 mL三颈瓶中，加入8.0 g无水丁二酸酐溶于80 mL吡啶溶液中，超声分散溶解，于60 ℃下恒温搅拌反应16 h。产物依次用水和丙酮洗涤，真空干燥，即得弱酸型阳离子色谱填料。合成路线见图解1(其中P代表聚合物)。

　　2.4 树脂的表征

　　用酸碱滴定法测定树脂表面羧基含量[16]。称取2.0 g合成的树脂于100 mL烧杯中， 加入50 mL 1 mol/L HNO3溶液，浸泡过夜，用去离子水洗至中性，抽干。将酸化的树脂置于250 mL锥形瓶中，加入200 mL含5% NaCl的0.1 mol/L NaOH溶液，静置过夜。取上清液50 mL，用0.1 mol/L HCl滴定至终点。平行测定3次，计算树脂表面羧基含量。用红外光谱仪表征树脂表面功能基。

　　2.5 色谱柱的填充及色谱条件

　　色谱柱: 250 mm×4.6 mm I.D.; 装柱压力: 30 MPa。色谱条件: 淋洗液为甲烷磺酸(浓度根据实验要求调节)，使用前经0.45 μm滤膜过滤;进样体积: 10 μL; 再生抑制器电流59 mA。

　　2.6 决明茶样品的处理

　　取适量决明茶在80 ℃下干燥2 h，粉碎过0.30 mm孔径筛。称取粉碎的决明茶1.00 g置于100 mL容量瓶中，加90 mL水，在90 ℃水浴中浸泡15 min，摇匀，冷却后用0.45 μm微孔滤膜过滤， 并加水稀释至100 mL。准确移取决明茶滤液1.0 mL于10 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，在4 ℃下储存备用。

　　3 结果与讨论

　　3.1 色谱填料的评价

　　淋洗液(elution): 7 mmoL/L 甲烷磺酸(methyl vitriol); 流速(flow rate): 1.0 mL/min。1. Li+(2.5 mg/L); 2. Na+(1.0 mg/L); 3. NH+4( 5.0 mg/L); 4. K+(10.0 mg/L); 5. Mg2+(10.0 mg/L); 6. Ca2+( 10.0 mg/L)。用酸碱滴定法测得色谱柱交换容量为4.6 mmol/g。红外光谱图显示，化学键合后的填料在1752.88 cm-1有强的吸收，说明羧基已键合到微球上。

　　3.2 无机阳离子的分离测定

　　用合成的弱酸性阳离子色谱填料对6种无机阳离子(Li+， Na+， NH+4， K+， Mg2+， Ca2+)进行分离，考察填料的色谱性能。以7 mmol/L甲烷磺酸为淋洗液，在流速为1.0 mL/min时， 6种阳离子在25 min内依次被洗脱，结果见图2。平行进样50次，不同离子的出峰时间、峰高和峰面积具有良好的重现性。

　　在上述色谱条件下， 进样量10 μL， S/N=3时， Li+， Na+， NH+4， K+， Mg2+， Ca2+离子的线性范围和检出限见表1。由表1可见，在一定浓度范围内， 6种离子均具有良好的线性关系和较低的检出限。表1 阳离子的线性回归方程和检出限

　　3.3 淋洗液的选择

　　依据阳离子本身的性质和阳离子与固定相之间作用力的大小，选择阳离子色谱淋洗液。本实验分别选用甲烷磺酸、甲烷磺酸草酸和h3SO4作淋洗液，在流速为1.0 mL/min，固定其浓度为5.0 mmol/L，考察不同种类的酸对6种阳离子分离情况的影响。实验结果表明，淋洗液为甲烷磺酸和草酸混合液时，6种离子在45 min内被分离。分别用甲烷磺酸和h3SO4作淋洗液时， 6种离子只需35 min可完全分离。考虑h3SO4的强氧化性，选用甲烷磺酸作淋洗液。

　　3.4 淋洗液浓度的选择

　　图3是不同浓度甲烷磺酸对6种离子分离的影响。由图3可知，随着淋洗液浓度的增大，各离子的分析时间缩短，洗脱顺序不变，且对二价离子的影响大于一价离子。淋洗液浓度太低，一价离子分离度高，但Mg2+和Ca2+与固定相之间亲和力强，分析时间延长，并且难以洗脱;淋洗液浓度过高，各离子分析时间缩短，但分离度有所降低。当甲烷磺酸浓度为7 mmol/L， 6种阳离子得到了最佳分离。

　　3.5 淋洗液流速的选择

　　流速对离子的分离度、分析时间有很大的影响。图4是不同流速对6种阳离子分离的影响。从图4可知，流速在0.8～1.2 mL/min内6种离子都能被分离。随着流速的增大，各离子与固定相之间交换速率加快，二价离子保留时间明显缩短，一价离子保留时间变化较小，相应分离度有所降低。实验结果表明，流速为1.0 mL/min时，各离子有最佳的分离度和合适的分析时间。

　　3.6 NH+4和有机胺的分离

　　图5是用自制弱酸性阳离子色谱柱对NH+4、三甲胺、苯胺和二甲苯胺的色谱分离图。低分子量的有机胺在酸性溶液中质子化，形成RNH+4，与阳离子色谱填料上的羧基发生离子交换， 图5 NH+4和有机胺色谱分离图

　　1. NH+4 5.0 mg/L; 2. 三甲胺(trimethylamine) 10.0 mg/L; 3. 苯胺(aniline) 50.0 mg/L; 4. 二甲苯胺(dimethyl aniline) 70.0 mg/L; 淋洗液(elution): 3.5 mmol/L甲烷磺酸(methyl vitriol)5% 乙腈(acetonitrile); 流速(flow rate): 1.0 mL/min。从而被分离。选用3.5 mmol/L甲烷磺酸和5%乙腈作淋洗液，流速为1.0 mL/min，NH+4和有机胺在10 min内可完全分离，4种 物质在色谱柱上的保留按照分析物与树脂表面活性基团间的离子交换作用和疏水作用依次洗脱。二甲苯胺峰宽并有一定的拖尾，电导响应值较低。

　　3.7 样品测定

　　采用自制阳离子色谱柱对决明茶中Na+， K+， Mg2+， Ca2+进行分离测定。图6为决明茶稀释后在自制阳离子色谱柱和Dionex IonPacCS12A商品柱的分离图，由图6可见，4种阳离子在自制色谱柱上仅用20 min就能完全分离，分离效果与IonPacCS12A商品柱接近，而在Dionex IonPacCS12A商品柱上完全分离需要64 min。平行进样20次，各离子的出峰时间、峰高和峰面积具有良好的重现性。

　　3.8 回收率实验

　　在图6色谱条件下，进样量10 μL，对决明茶稀释液进样，平行测定6次，计算不同离子的含量。决明茶稀释后分别加入4种离子的标准溶液进行回收率实验，结果见表2。4种离子含量顺序为：K+﹥Mg2+﹥Ca2+﹥Na+，各离子加标回收率在96%～107%之间。本方法的测定结果与AAS法测得结果基本一致，相对偏差在±3.5%范围内。表2 决明茶中阳离子质量浓度及回收率(稀释后)

　　4 结 论

　　本研究以自合成的亲水性大孔单分散交联聚甲基丙烯酸环氧丙酯(PGMA/EDMA)微球为基质，采用化学键合法，合成一种新型弱酸性阳离子色谱填料。在等度洗脱条件下，一次进样可同时分离一、二价阳离子，并对疏水性较强的有机胺有较好的分离效果。稳定性优于文[17，18]中采用物理和化学涂敷法将聚二丁烯马来酸涂敷在硅胶表面制备的色谱填料。本色谱柱具有良好的重现性、宽的线性范围和低的检出限。用于决明茶中4种阳离子分离测定，各离子的加标回收率在96 %～107 %之间，与AAS法测得结果对照，相对偏差小于±3.5%。

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