（分析化学专业论文）乳胶附聚型阴离子色谱填料的制备与评价.pdf

浙江丈学硕士学位论文 摘要 本论文致力于乳胶附聚型阴离子色谱填料的制备。乳胶色谱填料的制备包括 基球的制备和修饰以及乳胶的制备和修饰。在基质单体的选择上，采用的是应用 最广泛的苯乙烯一二乙烯苯体系，合成方法是采用目前应用最广泛的单步种子溶 胀法。通过优化实验条件制得了粒径在7um ，粒度均匀，粒径分布窄，有机兼 容性好的基球。基球的修饰是通过对基球进行磺化使得基球带上负电。色谱填料 所需的乳胶，采用的是比较新颖的苯乙烯甲基丙烯酸环氧丙酯体系，合成的方 法是采用无皂乳液聚合方法。通过优化实验条件合成了粒径在3 0 0 1 1 1 1 1 ，粒度均匀， 粒径分布窄的乳胶然后对乳胶进行胺化使得乳胶带正电。最后将乳胶涂覆在基球 的表面，即得到本课题所需的色谱填料。 本论文主要包括以下四个部分： 第一章主要综述了基球制备的方法，这些方法的优缺点以及应用的总结和 乳胶制各的方法，这些方法的优缺点以及应用的总结。在本部分中还叙述了阴离 子色谱填料修饰的主要类型，阴离子色谱填料中常使用的基质的单体的类型，这 是为后面研究制备性能优良的色谱填料提供了理论基础。同时在这部分中还简要 地介绍了离子色谱固定相的最新的发展趋势。 第二章主要叙述了基球的制备过程并讨论影响基球粒径和粒径分布的主要 的影响因素。本文先是采用单步种子溶胀法合成粒径在7um ，粒度均匀，粒径 分布窄，有机兼容性好的聚苯乙烯一二乙烯苯基球。其中种子的合成采用分散聚 合法合成粒径在2um 的单分散聚苯乙烯球。然后对基球进行磺化修饰使基球带 负电。 第三章主要叙述了乳胶的制备过程并讨论影响乳胶粒粒径大小的主要的因 素。本文是采用无皂乳液聚合法成粒径在3 0 0 m ，粒度均匀以及粒径分布窄的乳 胶。合成的乳胶进行胺化使得乳胶带正电。 第四章主要叙述了乳胶涂覆在基球的表面以及色谱填料的色谱性能的评价。 通过扫描电镜图可知乳胶成功地涂覆在基球的表面。最后将色谱填料装填成柱， 在色谱仪上进行初步评价。通过实验结果表明，制成的色谱柱对f - ，c l ，n 0 2 一 以用s o 一2 。的色谱峰的峰形比较好，对b r _ 的峰形比较差。制备的色谱填料可以对 几种离子进行分离。 j 芒缮t 蟊乳胶附聚，阴离子，填料，离子色谱 v i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st 1 1 e s j s i n v e s t i g a t e d o n m o n o d i s p e r s e a g 百o m e r a t e d p e l l i c l l l a r a i l i o n - e x c h a n g e rr e s i n s y n t h e s i z i n gt l l i st y p eo fr e s i ni n c l u d e sm a i n l y 协，op a n s ：m e s y r l t h e s i sa i l dm o d i f i c a t i o no fs u b 咖c ta n dt 1 1 es y n t h e s i sa n dm o d i f l c a t i o no fl a t e x i n t h i st h e s i s ， o n e - s t e p s w e l l i n gp o l y m e r i z a t i o nm e t h o dw a su s e d t o s y n t l l e s i z e m o n o d i s p e r s e d ，h i g hc r o s s l i n k e d ，p o l y e t h y l v i n y l b e n z e n e d i v i n y l b e n z e n ep o l y m e r p a n i c l e s 、稍t l lad i 锄e t e ro f7um t h e nt 1 1 ep o l y e t h y l v i n y l b e l l z e n e - d i v i n y lb e ：n z e n e p o l y m e rp a n ic l e sw e r en e g a t i v ec h a 曜e db yr e a c t i n gw i mh i g hc o n c e n t r a t i o no f s l l l m r i ca c i d a n ds o a p 一丘e ee m u l s i f i c a t i o nm e t l l o dw a sc h o s e nt o s y n t h e s i z e m o n d i s e p s e dp o l y s t y r e n e g l y c i d y lm e t h a c r y l a t e1 a t c x 埘mad i a l l l e t e ro f3 0 0 n m t h e n t h cl a t e xw e r ep o s i t i v e l yc h a 昭e db yr e a c t i n gw i t h 鲫n i n e f i n a l l yt h el a t e xw a s c o i l i l e c t e dt os u b t r a c tb yi o ne l e c t r o s t a t i cb o u n d c h a p t e ro n em a i n l yd e a l sw i t ht h ep o l y m e r i z a t i o nm e m o d su s e di ns y n 血e s i z i n g s u b t r a c ta n dl 砒e x a l s ot h ei m p o r t a n c eo fi o nc h r o m a t o g r a p h ys t a t i o n a r yp h a s e ，t h e s 协l c t i l r eo fi o nc h r o m a t o 掣a p h yr e s i n ，t h em o n o m e r su s e di ns y n t l l e s i z i n gs u b t r a c t t h et y p e so fi o nc h r o m a t o g r a p h ys t a t i o n a r yp h a s ea n dt l l er e c e n td e v e l o p m e n ti ni o n c 1 1 r o m a t o g r a p h ys t a t i o n a r yw e r es t a t e d c h 印t e rt 、w 、v e mi m ot h ed e t a i l si ns y n t l l e s i z i n gm o n o d i s p e r s e da n d 王1 i 曲 c m s s - 1 i n k e dp o l y e t l l y l v i n y l b e l l z e n e d i v i i l y l b e i l z e n ep o l y m e r p a r t i c l e s i nt h i sc h 印t e r t h em a i nf k t o r st h a ta 矗e c t e dt h ed i a m e t e r 趾dt h cd i s t r i b u t i o no fp a n i c l es i z e 、e r e d i s c u s s e d a 1 s om em o d i f i c a t i o no fp o l y e m y l v i n y l b e n z e n e d i v i n y l b e r l z e n ep 0 1 y m e r p a r t i c l e sw a sd i s c u s s e di nt h i sp a r t v i i 浙江大学硕士学位论文 i nc h a p t e rt 上l r e et h ed e t a i l si np r e p a r a t i o no fm o n o d i s p e r s e dl a t e x 、i t hd i a m e t e i o f3 0 0 mw e r es t a t e d m a i nf a c t o r sm a ta f f e c t e d 山es i z ca i l dd i s m b m i o no fm e p a n i c l es i z ew e r ea 略u e d m e 锄w h i l em em o d m c a t i o no fm el a t c xw a sd i s c u s s e di n t 1 1 i ss e c t i o n i nt l l el a s tc h a p t e rt h ec o n n e c t i o no fl a t e xt os u b 劬c ta n dt l l ec h r o m a t o g r a p h i c p m p e r t yw e r ed i s c u s s c d t h a tt l l el a t e xw a ss u c c e s s m l l yb o u n d e dt os u b t r a c tw e r e p r o v c d b yi h es e m a n dt h ec h r o m a t o g r a p h i cp r o p e n i e sw e r ee v a l m t e d b yf 一，c l - ， n 0 2 一，b r _ ，p 0 4 孓a 1 1 ds 0 4 斗a n dt h er e s u l t ss h o w st h a ti o nc l l r o m a t o g r a p h yr e s i nh a s g o o dr e s o l i n i o nf o rf 一，c l ，锄ds 0 4 2 。b u tt h es t a t i o n a r yp h a s ec o u l 血tb eu s e dt o s e p a r a t ea l lt h e s es i xa 1 1 i o n s 1 1 1 e r e f o r e 也er e s i ns h o u l d b e 叩t i m i z e di nt l l ef u t u r e 盥矿啪，出：l a t e x c o a t c d ，i o nc h r o m a t o g r 印h y ，a n i o n ，s t a t i o n a r yp h a s e v i l l 浙江大学硕士学位论文 图目录 图1 1 1 乳胶附聚型阴离子色谱填料结构的示意图6 图2 1 _ 1 单体浓度对p s 微球粒径的影响2 9 图2 1 2p s 微球粒径与分散稳定剂浓度的关系3 1 图2 1 3引发剂浓度对p s 微球粒径的影响3 3 图2 1 4 反应温度对p s 微球粒径的影响3 4 图2 1 5 a 苯乙烯种子的电镜扫描图( 放大5 0 0 0 倍) 3 4 图2 1 5 b 苯乙烯种子电镜扫描图的放大图( 放大2 0 0 0 0 倍) 3 5 图2 1 7 苯乙烯共聚物微球的红外光谱图3 5 图2 2 1 溶胀温度对p s d v b 微球粒径的影响。4 0 图2 2 2 反应温度对p s d v b 微球颗粒粒径的影响4 1 图2 2 3 稳定剂浓度对微球粒径的影响4 2 图2 2 4 引发剂的浓度对共聚物微球粒径的影响4 3 图2 2 5 溶胀比对共聚物微球粒径的影响4 4 图2 2 6s t - d v b 共聚物微球的扫描电镜图( 放大5 0 0 0 倍) 4 5 图2 2 7p s d v b 共聚物的红外图4 5 图2 2 _ 8 磺化后球的扫描电镜图( 放大5 0 0 0 倍) 4 6 图2 2 9 磺化的p s d v b 球的红外图4 7 图3 1 一l 引发剂的浓度对聚s t g m a 粒径的影响5 1 图3 1 2 离子强度对s t g m a 微球的粒径的影响5 2 i i i 浙江大学硕士学位论文 图3 1 3 单体的总浓度对s t g m a 微球粒径的影响5 3 图3 1 4g m a 的含量对s t g m a 共聚物微球粒径的影响5 4 图3 一1 5 反应温度对共聚物微球粒径的影响5 5 图3 1 6s t g m a 的透射电镜放大图( 放大3 0 0 0 0 倍) 5 6 图3 1 7as t g m a 共聚物微球的红外光谱图5 6 图3 1 7 bs t g m a 共聚物微球的红外光谱局部放大图5 7 图3 1 _ 8s t g m a 共聚物的结构示意图。5 7 图3 1 9s t g m a 球胺化的示意图5 8 图3 1 1 0a 反应时间与电导率的关系5 9 图3 1 1 0b 反应时间与电导率的关系一5 9 图3 1 1 1 电导变化的原理图。6 0 图3 1 1 2 反应温度对电导率的影响6 0 图4 1 一l 三甲胺修饰的乳胶附聚型阴离子色谱填料的扫描电镜图6 5 图4 1 。2 装柱流程示意图6 8 图4 1 3 匀浆罐的装置6 8 图4 1 4 样品自来水的色谱图l f - ，2 一c l 一，3 一s 0 4 2 。7 0 图4 1 5 六种常规阴离子的色谱图7 l i v 浙江大学硕士学位论文 表目录 表2 1 1 不同单体质量分数聚苯乙烯乙烯微的球粒及分散系数3 0 表2 1 2p s 微球平均粒径以及粒径分布与不同介质的关系3 0 表2 1 3 分散稳定剂的浓度对p s 微球粒径及粒径分布的影响3 2 表2 1 4 不同引发剂浓度下p s 微球粒径及分散系数。3 3 表2 一l 一5 不同温度与p s 微球粒径及其粒径分布的关系3 4 表2 2 一l 溶胀温度对共聚物微球粒径的影响4 0 表2 2 2 反应温度对p s d v b 微球颗粒粒径的影响4 l 表2 2 3 稳定剂的浓度对微球粒径的影响4 2 表2 2 4 引发剂的浓度对共聚物微球粒径的影响4 3 表2 2 5 溶胀比对共聚物微球粒径的影响4 4 表3 1 一l 引发剂的浓度对聚s t g m a 粒径的影响5 2 表3 1 2 离子强度对s t g m a 微球的粒径的影响5 3 表3 1 3 单体的总浓度对s t g m a 微球粒径的影响5 3 表3 1 4g m a 的含量对s t g m a 共聚物微球粒径的影响5 4 表3 一l 一5 温度对聚s t - g m a 微球粒径的影响5 5 表4 1 一l 磺化时间对离子色谱填料交换容量的影响6 9 v 浙江大学硕士学位论文 引言 第一章文献综述 第一节阴离子色谱填料的制备及应用 离子色谱( i c ) 最初是由hs m 丑】1 等人提出的以离子交换树脂作为固定相， 电导检测器作为检测器，采用抑制柱来提高灵敏度的一种色谱分析方法【l 】。1 9 7 9 年，j s f r i t z 等人 2 提出了非抑制型的电导抑制离子色谱技术。近年来离子色谱 的应用发展得更为广泛，它不仅包括不同的分离方式( 离子排斥3 1 、离子交换、 离子对【5 8 】、螯合凹以及静电离子色谱【1 0 】) 亦包含不同的检测技术( 电导【l l 】、紫 外可见 1 2 1 卦、电化学”1 ”、荧光f 16 】等) 。离子色谱对常见的阴阳离子分析的高灵 敏度特别是对阴离子和价态常态分析的特点，已经广泛应用于环境、电力、食品、 半导体、药物化工等领域【 l 。随着离子色谱分离技术和检测手段的不断发展， 离子色谱几乎可以解决以往所有无机离子的分离和检测难题。而且随着离子色谱 这一新兴的学科日趋成熟，其应用领域亦不断扩展。 离子色谱是高效液相色谱的分支之一，与高效液相色谱不同的是在离予色谱 中选择性的改变主要是取决于固定相的性质。从离子色谱问世以来离子色谱柱填 料的研究就是离子色谱领域的一个热点课题。目前世界上有多家离子色谱柱填料 的生产厂家，但中国在这一领域相对落后，并已经成为制约中国离子色谱发展的 一个瓶颈，特别是高性能色谱填料的研究国内的研制这一方面，所以国产的乳胶 附聚型阴离子色谱填料的研制有现实的意义。这将为中国在离子色谱领域赶超世 界水平起着重要的作用。 在早期的色谱技术中，色谱柱多为一根玻璃或金属管子，再填装颗粒状的吸 附剂或填料即可。但是这种柱子的分离效率很低，性能也很差，难以满足对分离 分析越来越高的要求。随着色谱理论与技术的深入研究，适用于气相及高效液相 色谱的现代色谱技术日臻完善，获得了飞速的发展。为了得到满意的分离效果， 这主要体现在色谱柱填料的设计、合成及其与溶质相互作用的强弱。以下就离子 色谱填料的组成，基底材料类型，离子色谱填料的类型，微球表面的改性等几个 方面给予比较详细地阐述。 浙江大学硕士学位论文 1 1 1 阴离子色谱交换填料的组成 典型的离子色谱交换填料由两个主要部分组成：一是不溶性的基质。基质材 料( 或称载体) 是色谱填料的支撑骨架，它直接决定了颗粒的大小与分布，颗粒强 度，孔径大小与分布，孔结构形态，颗粒内部的化学结构及其稳定性等，也直接 影响对颗粒表面( 包括内孑l 表面) 化学修饰方法的实施。基质的材料既可以是有机 的也可以是无机的。 ( 一) 无机的基质材料 无机材料用来做基质的有硅球、氧化铝和氧化锆等，在这几种无机材料中最 常的基质材料是硅球。硅胶型离子色谱填料大部分是采用多空二氧化硅为基球， 涂渍一层低分子量的磺化氟碳聚合物。 其优点是：1 、硅胶骨架十分坚硬，能承受数十mp a 的压力，且不发生明显 的收缩和膨胀；2 、其孔径、表面积等物理化学参数易控制。但这类填料的缺点 是p h 使用范围在2 。8 ，不篚在强酸、强碱介质中操作。此外硅胶表面的硅醇基与 许多生物分子之间存在静电作用力，常需对硅胶填料表面进行处理以屏蔽或减轻 这种静电作用力1 1 8 l 。 ( 二) 聚合物型基质材料 有机高聚物按其组成的单体的不同，主要有以下几种类型高聚物： 1 交联聚苯乙烯树脂 苯乙烯二乙烯苯的交联共聚物( p s d v b ) 微球，是各种液相色谱技术中应用 最为广泛的一类基质树脂。这些p s d v b 微球因其具有良好的颗粒刚性，小而均 匀的粒度和适宜的孔径大小与分布，所以适用于作高效液相色谱填料的基质材料 【1 9 。2 2 】。其主要由三部分组成：使用无功能基单体，通过控制基体的体积可控制树 脂表面功能基的电荷密度。在苯乙烯基一二乙烯基苯有机高聚物中所用的单体是 苯乙烯；二是交联剂，控制交联剂的含量可控制树脂的交联度，从而控制树脂的 含水量，在苯乙烯基一二乙烯基苯有机高聚物中充当交联剂的是二乙烯基苯；三 是功能基部分，它提供用于离子交换的活性位点【2 3 1 。功能基可直接键合到基体 e 。 浙江大学硕士学位论文 2 交联聚甲基丙烯酸酯类树脂 以甲基丙烯酸的甲脂、丁脂、羟基乙酯、环氧丙酯等化合物的单体，可以制 各出多种类型的高联高聚物微球，交联剂既可以使用与单体结构相近的二甲基丙 烯酸乙二醇酯，也可以使用二乙烯苯或其他双烯类化合物。这些树脂无论是疏水 性的还是亲水性的，基本上都可作色谱填料的基质材料，部分树脂也可直接用于 色谱分离。由捷克l a c h e m a 公司制各的s 口h e r o n 系列凝胶，是基于甲基丙烯酸羟 基乙酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯的交联共聚物微球口4 。2 7 1 。此类凝胶具有良好的亲 水性和颗粒刚性，并按其孔径大小而成系列。以其作为高效的凝胶过滤色谱填料 和以其作为基质材料而被衍生成的高效离子交换和高效亲和色谱填料，均得到了 广泛应用。与s d h e r o n 结构相类似的其他亲水性凝胶，如s h o d e xo hp a k 【2 8 】h i 【a c h i g e l3 0 2 0 等产品，也同样得到广泛应用。 颗粒单分散的多孔( 或非多孔) 型交联聚甲基丙烯酸环氧化丙酯微球，作为 性能优异的活性基质材料已有报道【挣3 0 】。这类树脂具有良好的化学反应性，在很 温和的条件下，就能很方便地衍生成适合于不同色谱使用的分离材料。例如将其 环氧基水解开环，就变成亲水性树脂；将其与不同类型的离子化试剂反应，就可 制得相应的强弱阴阳离子交换剂以及螯合树脂；将其与生物亲和配基反应，就可 制得相应的亲和树脂等。 3 其它类型的树脂 由日本t o y o s o d a 公司生产的亲水性凝胶t s kg e lp w 系列，是一种含有 c h 2 c h 2 ( o h ) c h 2 o 链段的交联高聚物，即羟基化的聚醚树脂3 1 3 2 1 。该系列凝 胶的颗粒刚性好，粒度分布窄，按其孔径大小有多种型号产品。它们无论作为填 料还是基质材料，均有优异的性能，直接用于凝胶过滤色谱，可在水相体系中分 离多种水溶性高分子。 此外，多孔结构的交联聚乙烯醇树脂，如a s a l l i p a dg s 系列，t o y o p e 训系列， 多孔型的交取决聚丙烯酰胺类树酯，如t r i s a c r y l 等，都是性能良好的亲水性凝胶 3 粥7 1 。交联聚苯乙烯毗啶树脂，因其所含吡啶环而呈现弱碱性，可能直接用作弱 阴离子交换填料；将树脂季胺化，可得到强阴离子交换填料。 有机高分子聚合物基质的优点为：l 、它们的基质的填料可以广泛地选择各 种天然的多糖为原料来制备，也可以广泛地使用各种合成的单体和交联荆来制 浙江大学硕士学位论文 备。这些高分子材料一般容易进行化学改性处理，所得到的填料普遍具有良好的 色谱选择性；2 、它们对于被分离的样品具有较强的负载能力，有较高的色谱容 量。这对于不同规模的制备色谱来说尤为适宜；3 、它们具有良好的耐酸，耐咸 和耐溶剂处理的化学稳定性，可以在广泛的p h 值范围内使用，并且有较长柱子 寿命和较好的再生能力；4 、它们不易产生不可逆的非特异性吸附作用，特别是 对于生物大分子的分离有较好的相容性，能有效地保持样品的生物活性。诸多优 点，决定了有机高分子类型填料广阔的应用发展前景，尤其是对于分离纯化生化 物质所表现出的良好性能，已经越来越受到研究者和应用者的重视。 二是固定的离子部位，它或者附着在基质上或者是基质的整体部分，其中的 基团称为官能基，结合上去的离子被称作对离子。在离子色谱离子交换过程中， 流动相连续提供与固定相离子交换位置的平衡离子相同电荷的离子，这种平衡离 子( 淋洗液淋洗离子) 与固定相离子交换位置的相反电荷以库仑力结合，并保持 电荷平衡。进样之后，样品离子和淋洗离子竞争固定相上的电荷位置。当固定相 上的离子交换位置被样品离子置换，由于样品离子与固定相电荷之间的库仑力， 样品离子暂时被固定相保留，样品中不同离子与固定相电荷之问的库仑力不同， 即亲和力不同，因此被固定相保留的程度也不同，保留时间也不同。 1 1 2 阴离子色谱填料的类型 目前常见的色谱填料，按其物理形态，一般可分为多孔型、非多孔型和薄壳 型这三种结构类型。多孔型填料，依其孔径大小，包括小孔( 小于1 0 n m ) 、中孔 ( 1 0 3 0 n m ) 、大孔( 大于3 0 m ) 和超大孔( 大于1 0 0m ) 结构的产品。非多孔型填料， 其整体颗粒是无孔的；从应用情况看，高负载量的多孔型填料占据主导地位，特 别是带有大孔和超大孔结构的产品，几乎在液相色谱分支技术中都得到广泛的应 用。 自从2 0 世纪8 0 年代中期以来的1 0 多年里，对于有机高分子类型高柱效， 高分辨率，高穿透性填料的研究，从物理结构角度来看，最突出的进展表现在以 下三个方面：1 、颗粒单分散性的填料；2 、具有贯穿性超大孔结构的填料。它的 基质是高交联度的聚苯乙烯微球；3 、小颗粒的非多孔填料；颗粒细小，刚性良 好的非多孔型填料，因其没有内孔扩散并基本上避免了微孔吸附等问题，所以柱 浙江大学硕士学位论文 效、分辨率、回收率很高并能很好保持样品的生物活性，是这类产品最著的特征， 用于快速高效分析检测以及微量样品的制备分离，都是十分有利。 1 1 3 微球表面的改性 在色谱分离过程中，填料的化学结构，特别是颗粒表面和内孔表面的化学结 构( 如连接在基质上官能基团或链段) 是影响色谱热力学行为( 如样品的保留值、选 择性) 的主要因素。液相色谱技术对其所使用的填料，既要求能在相应色谱模式 的淋洗条件下，具有特定选择性分离作用的化学结构，又要求具有良好化学稳定 性f 包括一定程度的耐酸，耐碱和耐溶剂处理的稳定性) 和热稳定性等，同时还要 求能够避免不可逆的非特异性吸附作用。 不同填料的化学结构是通过对基质材料的化学改性而实现的。虽然某些合成 的基质材料也可直接应用于色谱，但大多数情况下还需要根据不同色谱技术的需 要，通过对基质材料进行适当的化学修饰，才能达到所期望的色谱选择性。 化学改性大体上可以分为三类： 一是在直接在基球的表面进行离子化，h 锄i l t o n ( r e n o ，n v ，u s a ) 生产的名 为p r p x l o o 就是在s 佃l v b 表面进行三甲胺化，得到的色谱柱可以在很短的时间 里分离七种离子f 3 8 。9 1 。s a r a s e p ( s a r l 协c i a r a ，u s a ) 生产的a n l 、a n 2 、a n 3 的是在 聚甲基丙烯酸酯的表面修饰n ，n 二甲基乙醇胺。 二是将具有较大分子量的化合物通过化学反应与树脂键合，然后通过大分子 进行修饰，以优化分离效果和提供更高的总体峰效率，改善峰的对称性。e g b e r m u l l e r 【4 0 】将甲基丙烯酸环氧丙酯接枝到含有甲基丙酸甲酯的t o y o p e a r l h w 6 5 m f t o s h 公司) 的树脂上，然后与二乙胺发生反应生成具有弱酸性的树脂。 同时他们还比较了接枝与非接枝树脂在传质方面的区别，研究表明接枝树脂的交 换容量是未接枝树脂的3 倍；而且接枝树脂能增加物质的传质速度。 三是表面附聚型树脂或称薄壳型树脂由带有功能基的单层乳胶以静电作用 力附着在基质微球上。基质微球完全被带有功能基的乳胶所覆盖，外层乳胶的性 质决定了填料的选择性。 1 1 4 离子色谱固定相的发展趋势 浙江大学硕士学位论文 随着离子色谱技术以及离子制备技术的成熟，现在已研制出一系列其它类型 的离子色谱填料，而且这些色谱填料在今后的离子色谱领域将大有作为。以下就 离子色谱固定相中的研究热点毛细管整体柱，静电离子色谱，涂覆型离子色谱以 及大环离子色谱等四个方面作一个简要的阐述。 1 毛细管整体柱 整体柱又称连续床( c o n t i n u o u sb e d ) 、无塞柱( 衔tl e s sc o l u 瑚_ 1 1 ) ，是由原位反应 制得的棒状整体，n o b u 0 4 1 】将整体柱定义为：“由块具有相互连接的骨架以及 贯穿于骨架之唰的相互连接的流动通道( 通孔) 的实体构成的柱子”。整体式色谱 柱具有柱效高、流速快、柱压低的特点。在以往的整体柱都是在常规的不锈钢 ( 4 6 c m 2 5 c m ( 1 5 c m ) 或者2 c m x 2 5 c m ( 1 5 c m ) ) 制备的，但是这种制备方法 不易制备均匀的色谱填料因此制备得到的整体柱的色谱性能不佳，主要是存在重 复性不好的问题。因此研究的热点主要在于在毛细管内制备的整体柱。毛细管整 体就其柱内色谱填料的类型可分为：无机硅胶聚合物型的整体柱和有机聚合物型 的整体柱。 ( 1 ) 无机硅胶聚合物型的整体柱 无机硅胶型的整体柱都是以烷氧基硅烷为硅基来源，其制备过程包括两个反 应过程：一是烷氧基硅烷水解、缩聚形成网状结构：二是对表面的硅羟基进行化 学修饰，使其具有特定的保留性能。硅胶整体柱制备中最大的问题是干燥过程中 干裂和收缩，其次是整体物的覆层，但目前仍没有较好的解决方法，许多研究领 域尚属空白。然而整体柱结合了载容量，渗透性和传质动力学等色谱参数，使得 硅基整体柱仍是研究者们关注的问题。 ( 2 ) 有机聚合物型的整体柱 有机聚合物型的整体柱是由单体和交联剂在有致孔剂的存在下，在毛细管内 由自由基引发原位聚合而得。聚合物型的整体柱具有制备简单，重现性好，柱效 高及分离快速等优点，已在多种色谱模式下获得了成功的应用1 4 2 。4 5 1 。 整体柱应用于微柱液相色谱有很大的发展前景。但仍存在一定问题，一方面 色谱柱内径越小，死体积的影响越显著；另一方面整体柱可以实现快速分离，但 加大流速使色谱峰变窄，所要求检测器响应时间更短【4 “，这就对进样器、检测器 以及它们与色谱柱之间的管路连接提出更高的要求。这些问题的解决有待配套系 6 浙江大学硕士学位论文 统的发展。 2 静电离子色谱固定相 静电离子色谱固定相是h u 等h 7 4 8 1 在1 9 9 3 年的时候首先提出的，其固定相 是在o d s 表面涂敷一层两性表面活性剂c h a p s 或者c h a p s o 。他们利用合成 的固定相在纯水作流动相的情况下对阴阳离子同时进行分离。静电离色谱固定相 分离的基本原理是：在两性表面活性剂涂敷的固定相中，同时存在着正电荷基团 和负电荷基团，当样品中的无机离子在与固定相发生作用时会同时受到正电荷端 的静电引力和负电荷端的斥力作用，根据正电荷基团和负电荷基团对各种离子作 用力的不同进行分离。 优点：只使用纯水作为流动相因此其背景值低，噪声小，并可防止由流动相 中的杂质引起的干扰以及强酸、强碱对环境造成的污染。 缺点：由于使用纯水作为淋洗液，在淋洗液中不含抗衡离子，因此待测离子 必须与样品中带相反电荷的离子组成电中性的离子对，当样品中存在多种阴离子 和阳离子时，会形成多种可能的组合。由于它们在固定相上受到的作用力不同， 洗脱时间也不同，检测器将检测到所有的离子对，因此对于一种离子，可能出现 多个色谱峰。 3 高效涂覆型离子色谱固定相 与静电离子色谱固定相相似的涂覆型离子色谱固定相是指在反相的固定相 上涂上阴离子或者是阳离子的表面活性剂，对阳离子或者阴离子进行分离。这种 离子色谱固定相与传统的色谱固定相相比具有很高的分离率。但是传统的涂覆型 离子色谱柱涂层无法控制，往往柱效不高( 6 4 0 0 至1 0 0 0 0 塔板数米) ；且交换容 量很高附50 1 。为了解决这一问题，z h uy a n 等先在反相固定相的表面先涂覆非离 子表面活性剂，然后再涂覆阳离子表面活性剂5 ”。实验结果表面通过改变涂覆 方式和涂覆条件可以使涂覆型离子色谱柱效增加至7 0 0 0 0 塔板数，米，比常规阴 离子色谱的柱效提高了l 至2 倍。因此高效的涂覆型离子色谱固定相将是今后新 一代离子色谱固定相的发展方向。 4 大环化合物色谱固定相 大环化合物色谱固定相是l 锄b 【5 2 1 等首先提出的，是一种指将大环化合物如 冠醚、穴状配体、球状配体等通过物理吸附【5 3 l ，化学键合【5 4 】或者聚合反应【5 5 】的 浙江大学硕士学位论文 方式接到基球上，利用大环化合物环状碳骨架上的杂原子为金属离子提供负电环 境，当金属离子嵌入大环中孑l 穴时，可形成配位化合物。利用金属与孔穴的作用 力不同或者利用大环阳离子配合物为阴离子提供活性位点对阳离子与阴离子进 行分离陋5 9 1 。 优点：首先可采用纯溶剂水或者甲醇等作淋洗液，因此获得很低的背景电导， 提高检测灵敏度，同时也便于处理；其次，通过采用不同的大环化合物或将不同 的大环化合物混合使用，可在很大范围内改变固定相的选择性。 1 1 5 本课题的研究意义 虽然目前已经研制出各种各样类型的离子色谱填料，乳胶附聚型色谱填料到 目前为止在商品化的离子色谱领域仍然占主导地位。h o v a n h 【删首次将低容量材 料引入液相色谱中。他将这种表面附聚型的离子交换剂称为“薄壳”树脂，并将 薄壳树脂的优点举例如下： 薄壳树脂具有经受压力梯度变化而无填充结构改变的特点。因为只有薄的 表面层提供对乳胶树脂反应的锚，而且基核保持不溶胀，因此树脂的刚性较强， 在通常色谱流速下不会发生大的变形。 薄壳树脂在极广的淋洗液组成和浓度下，其体积仍保持不变。 薄壳结构的表面附聚型树脂，允许在薄壳层中使用低交联度的树脂，将离 子交换树脂的应用推广到较高分子量的离子范围中。而一般的高容量、低交联度 的树脂在常用的流速下也会变形。 除了上述优点外与其它类型的固定相来比乳胶附聚型的离子色谱填料还具 有以下的优点： 柱的交换容量可以通过选择乳胶的大小和基球的大小加以控制。 胶态树脂的交联度可以控制。这与树脂的选择性和柱效都有重大的关系。 而基于聚合物表面修饰的树脂，特别是大孔聚合物表面修饰的树脂，则受到大得 多的限制。 树脂的性质具有良好的重现性。乳液聚合工艺的一个突出特点是可以从普 通胶态树脂来制备非常大量的表面附聚型树脂，因此使树脂制造过程保持重现 性。 没有可能导致传质缓慢和效率降低的部分官能团化的区域。 浙江大学硕士学位论文 综上所述的优点以及目前国内乳胶附聚型离子色谱填料的研制的缺乏，课题 的研究的色谱填料的类型定位于乳胶附聚型的离子色谱的填料的研制。 1 1 6 乳胶附聚型离子色谱填料的结构 m l c “) | 射“刈5i _ l m k m 自n i 哪 烈e h a n 8 tl a k x 3 0 0 口琊 聪h 锄n 拳1 戳e x 图l - l l 乳胶附聚型阴离予色谱填料的不恿蚓 图1 1 1 是典型的乳胶附聚型阴离子交换树脂小球的结构，其是由3 个区组成： ( 1 ) 惰性高交联度多孑l 的基球，树脂基球占树脂小球总体积的9 8 。高的交 联度保证树脂的机械稳定型以及对有机溶剂的化学稳定性。 ( 2 ) 树脂基球表面薄的负电层，这个负电层为外层乳胶以静电附着到基球表面 提供了一个桥。 ( 3 ) 乳胶阴离子交换层附着到基球的负电层。乳胶层是被分析离子发生保留的 有效的固定相。乳胶层有阴离子交换功能基，这种带离子交换功能基的乳胶层通 过乳胶中带正电的基团与基球带负电的基团问的静电互相作用而牢固地附着到 支持粒子上的。 由乳胶附聚型离子色谱填料结构的示意图可知乳胶附聚型离子色谱填料的 制各主要包括两部分：一部分是基球的制各以及修饰使其带负电；另一部分为乳 胶的制备以及修饰使其带正电。比较上述的阴离子交换树脂的基质，阴离子色谱 填料的类型，在本课题中选择的是大孔的苯乙烯二乙烯基苯体系。在以下的两 章就这聚苯乙烯二乙烯基苯树脂基球的制备的方法以及乳胶的制备方法给予详 细地阐述。 浙江大学硕士学位论文 引言 第二节单分散聚苯乙烯二乙烯苯基球的制备 根据、r 觚d e e m t e r 方程式，影响色谱峰形扩展的各种因素包括涡流扩散项h e 、 分子扩散项h l 、固定相的传质阻力h s 、移动流动相的传质阻力h m m 、滞留流动 相的传质阻力h s m 。在高效液相色谱中，对液液分配色谱，可用姆特方程式完整 的表达为： 一饵+ 孕+ 9 南每嗳”端，老一+ 鲁+ 9 “ 1 ( 1 + ) 2d d ：w3 0 ( 1 1 ( 1 + ) 。0 0 甜 其中d n _ 一固定相平均粒径 d 广固定相的厚度 u 一液体流动相在色谱柱中的平均速度 一不均匀因子，表达了色谱柱的填充均匀程度 y 一柱中填料的弯曲因子 q 一构型因子( 对大孔固定相为1 2 ，对薄壳材料为2 ，3 ) q 一色谱柱的填充因子 d l 一溶质在固定相中的扩散系数 d m 一溶质在液体流动相中的扩散系数 从范地姆特方程的表达式可以看出d p 、d f 、u 、 、y 、q 、q 值越小，d l ， d m 越大时，h 值越小则可获得高的柱效。根据范地姆特方程式，要想得到较好 的柱效，聚合物微球要做到颗粒均匀且粒径越小越好。但粒径越小，相同柱长的 色谱柱产生的压力越大，对色谱仪器其它部件的伤害越大。经前人的研究工作表 明3 2 0pm 的颗粒都是符合高效液相色谱的要求，5 8um 的粒径是最佳的。 1 2 1 高聚物微球的制备方法 合成高聚物微球的方法有很多，但在聚合物生产的历史上，长期以来自基聚 合一直占领先地位，目前仍然占较大的比例。应用于色谱固定相的自由基聚合主 要有悬浮聚合、乳液聚合、分散聚合及种子溶胀法四种，下面就各聚合体系的概 念、优点、缺点以及应用四个方面给予简单的介绍。 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 1 悬浮聚合法 悬浮是以水为介质，通过机械搅拌作用，把单体分散成细小的液滴悬浮在水 中，然后引发聚合。为了保持液滴的稳定性，防止聚合过程中并合、结块，通常 要加入悬浮稳定剂。这种聚合方法，实际上是在细小的单体液滴中的本体聚合。 由于有水作介质，散热是很容易的。只要选择合适的稳定剂和良好的搅拌器，聚 合过程是很容易控制的。 悬浮聚合方法的优点：以水为介质、价廉、不需要回收、安全、产物容易分 离生产成本低；悬浮聚合体系粘度低，热量容易由夹套中冷却水带走，温度容易 控制，产品质量稳定。由于没有向溶剂的链转移反应，其产物分子量一般比溶液 聚合物高。与乳液聚合相比，悬浮聚合物上吸附的分散剂量少，有些还容易脱除， 聚合物含有较少的杂质。 但是用悬浮聚合法制备的聚合物颗粒径一般在1 0 0 1 0 0 0 微米，且是多分散 的。 1 2 1 2 乳液聚合法 乳液聚合是指在乳化剂的存在下，单体在水介质中进行的聚合反应。由于使 用了乳化剂，聚合反应在乳液中进行，乳液体系散热容易，流动性也好，容易操 作，工艺性能良好。聚合结束后，聚合物在表面因吸附了乳化剂分子而以乳胶颗 粒形式稳定地分散在水相中成为乳胶。 乳液聚合法的优点：( 1 ) 由于聚合体系在聚合过程中始终处于流动性良好的 状态，因此，自由基聚合放出的反应热很容易通过水相传递出去；( 2 ) 聚合速率 比通常的本体平衡聚合高得多；( 3 ) 聚合产物的分子量比本体或溶液聚合的产物 高得多：( 4 ) 聚合产物以乳胶形式生成，因而操作容易，而且若产物直接以乳胶 形式使用，则其优点更是显而易见了；( 5 ) 很容易通过加入链转移剂来控制产物 分子量，从而控制最终产物的性质：( 6 ) 聚合过程和产物乳胶均咀水为介质，因 此安全和环境问题较少。 缺点：用单步的乳液聚合，只可制备1um 以下的单分散微球。曾有报道称 在太空中成功地合成了直径达5um 的单分散聚合物微球【6 1 】，并认为太空中没有 重力的条件极为有利。通常认为在地球上不可能通过简单的乳液聚合制备直径大 蓬魏江大学硕士学位论文 于3 斗m 的单分散微球。 1 2 1 3 分散聚合法 分散聚合是7 0 年代初由英国i c i 公司的研究者提出的一种新的制备单分散微 球的聚合方法【6 2 1 ，最初主要用于开发非水分散涂料、粘合剂、表面处理剂等。 近十几年来单分散大粒径聚合微球已广泛应用于生物医学、免疫学技术、固相载 体高效液相色谱等技术领域。分散聚合体系中主要组分为单体，分散介质稳 定剂和引发剂。聚合反应开始前，整个体系呈均相。但反应所生成的聚合物不溶 于介质，在达到临界长度后从介质中沉淀出来，聚结成小颗粒，并借助于稳定剂 悬浮在介质中，形成类似于聚合物乳液的稳定分散体系。单体可以是油溶性和水 溶性，极性和非极性，乙烯基和非乙烯基以及功能性和非功能性各种类别的单体。 其中研究较为深入的是s t 和m m a 。极性介质一般选低级醇，而非极性介质一般 选烷烃；常用的稳定剂有聚乙烯毗咯烷酮( p v p ) 、羟丙基纤维素( h p c ) 、聚丙烯 酸、聚乙二醇( p e g ) 及糊精等；分散聚合中大都采用油溶性的引发剂，应用最多 的是过氧化苯甲酰( b p 0 ) 与偶氮二异丁腈( a i b n ) 。 分散聚合法主要应用于如下领域：a ) 纯净的单分散微球可以用于不同测量仪 器和技术校正的标准粒子，如电子显微镜、光散射仪、超重分析和库尔特计数器 等：b ) 滤纸及生物膜孔径的测量；c ) 乳液聚合及乳液成膜动力学和机理的研究； d ) 用粒度较大、均匀的高聚物微球作高效液相色谱柱填料、离子色谱柱填料，可 以降低柱压、提高柱效和改善分离效果f 删。 分散聚合方法工艺简单，可适用于各种单体，能制备出不同粒径的单分散聚 合物微球而且粒径分布较窄