（分析化学专业论文）新型离子色谱柱填料的制备及其性能评价.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 本论文在总结前人实践经验的基础上，经过反复实验验证提出了一种合成色 谱分析柱基球的新方法，较之已有文献报道，此方法具有步骤简单、产率高、产 品性状好、微球粒度分布窄、粒径均匀等特点 首先采用分散聚合法先制备了聚苯乙烯微球种子，接着采用一步溶胀法制备 了聚苯乙烯一二乙烯基苯( p s t - 】) v b ) 微球。此种聚苯乙烯一二乙烯基苯微球交 联度为5 0 m - 7 5 ，粒径在5 4 - m 左右，直接填装柱即可用作离子对色谱( 口c ) 分离柱，可分离分析常规阴离子。若在此微球表面接枝弱酸性功能基团即可成为 聚合物阳离子色谱柱填料，结合使用非抑制电导检测离子色谱法，成功应用于碱 金属、铵、碱土金属离子以及过渡金属离子的分离分析 论文主要围绕离子色谱法中的两种分离分析方法进行了深入的研究和讨论。 第一种是离子对色谱法( i p c ) ，它使用高交联度、高比表面积的中性无离子交换 功能基的聚苯乙烯大孔树脂为固定相，含有机溶剂的离子对试剂为流动相，可用 于分离多种分子量大的阴离子，特别是带局部电荷的大分子( 如表面活性剂) 以 及疏水性阴阳离子。第二种是非抑制型电导检测弱酸性阳离子色谱法，这是离子 色谱法一个重要分支，并已作为一种实用技术广泛应用于环境、食品、医药、石 油化工和农业等各个领域中。相对于化学抑制电导检测的离子色谱法，非抑制电 导检测离子色谱法中，来自分离柱的洗脱液直接进入电导池检测，方法简单，易 于操作 全文分为四个部分，各部分内容相互衔接，第一部分主要介绍了离子色谱的 原理、优点、分类和应用前景，以及色谱填料制备方法的研究进展第二部分主 要叙述了制备聚苯乙烯的方法，并以聚苯乙烯为种子进行一步采用溶胀法制备聚 苯乙烯一二乙烯基苯微球的过程，并且针对方法原理和影响因素进行了讨论。第 三部分是在将聚苯乙烯一二乙烯基苯微球作为一种表面无接枝功能团，直接装填 成色谱分离柱后，成功应用于离子对色谱法，分离分析了常规阴离子，并可用于 实际样品溶液的分析。第四部分对已制备的聚苯乙烯一二乙烯基苯微球表面进行 接枝修饰，制成弱酸性阳离子色谱柱填料，并用于非抑制性电导检测离子色谱法， 成功分离分析了碱金属、铵、碱土金属和过渡金属离子 v 浙江大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , w cs y n t h c s i z e dm o n o - d i s p c r s ep o l y s t y r e n es e e d su s i n gd i s p e r s i o n p o l y m e r i z a t i o nm e t h o d , t h e n w e p r e p a r e dm o n o - d i s p c r s eh i g h c r o s s - l i n k 通 p o l y s t y r e n e - d i v i n y l b e n z e n e ( p s t - d v b ) p a r t i c l e su s i n go n es t e ps e e d i n gs w e l l i n g p o l y m e r i z a t i o nm e t h o dw i t hp o l y s t y r e n es e e d s t h e s ep a r t i c l e sa 5 4 1 j = md i a m e t e r s a n dc a l lb eu s e di nd i r e c t l ys e p a r a t i n gt h en o r m a la n i o n ss u c c e s s f u l l yw i t hi o n - p a i r c h r o m a t o g r p h y0 p c ) m e t h o d a f t e rt h a tw ep r e p a r e dan e wt y p eo fm a l e i c - s t y r e n e g r a e i e dp o l y m e rw e a kc a t i o ne x c h a n g e rb ym o d i 轴gt h ep s t - d v bp a r t i c l e s ，a n di t h a sb e e nu s e di nt h en o n - s u p p r e s s e di o nc h r o m a t o g r a p h y t h ec h r o m a t o g r a p h i c p r o p e r t i e sw e r ee v a l u a t e db yu s i n ga l k a l im c t a l s 。a m m o n i u m , a l k a l i n ee a r t hm f e t t a l s a n dt r a n s i t i o nm e t a l s t h i sp a p e rc o n s i s t so ff o u rp a r t s c h a p t e rli n m x l u c e dt h em e c h a n i s ma n d a d v a n t a g e so f o nc h r o m a t o g r a p h y , t h e ns u m m a r i z e d t h ea p p “硎o no fi o n c h r o m a t o g r a p h yi ne n v i r o n m e n t a l ，f o o ds c i e n c e , i n d u s u y , a g r i c u l t m ea n db i o l o g i c a l f i e l d s m o r e o v e r , t h ep r e p a r a t i o nt e c h n i q u e so f t h es t a t i o n a r yp h a s ew e r er e v i e w e di n t h el i t e r a t u r e c h a p t e r2d e s c r i b e dt h ep r e p a r a t i o nm e t h o do fm o n o - d i s p e r s ep o l y s t y r e n e m i c r o s p h e r e s ( 3 岣) t h r o u g ht h ed i s p e r s i o np o l y m e r i z a t i o n a f t e r t h a tw a st h e p r e p a r a t i o no fp s t - d v bu s i n gd i v i n y l b e n z c n ca sc r o s s l i n ka g e n t , w ep r o d u c e d p s t - d v bm o n o - d i s p e r s ec r o s s l i n k c dm i c r o s p h c r e sw h o s ed i a m e t e r sa 5 4 p m 咖 o n es t e ps w e l l i n gm e t h o d c h a p t c r3m a i n l yi n t r o d u c 硝t h ei o n - p a i rc l 竹o m a t o g r p h y0 p c ) m e t h o dw i t ht h e p s t - d v bm i c r o s p h e r e sp a c k i n ga n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c ef a c t o ro ft h ee x c e l l e n t c h r o m a t o g r a p h i cf e a t u r e s c h a p t e r4d e s c r i b e dt h em c ! t h o dh o wt o 印| f tt h em o n o - d i s p 既s ep s t - d v bp a r t i c l e s w i t hw e a ka c i df k l l c t i o ng r o u po n t ot h es u r f a o c a f t e rt h a tt h ec h r o m a t o g r a p h i c p r o p e r t i e sw e r ee v a l u a t e db yu s i n ga l k a l im e t a l s , a m m o n i u m , a l k a l i n ee a r t hm e t a l s a n dt r a n s m i tm e t a l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a c k i n gi so f g o o dr e s o l u t i o n , l o w d e t e c t i o nl i m i t , e x c e l l e n tr e p e a t a b i l i t ya n dc a nb eu s e di nr e a ls a m p l eo f w a t e r v i 浙江大学硕士研究生毕业论文 图目录 图1 - 1 离子色谱系统构成5 圈1 1 2 接枝共聚物聚结成核机理9 图1 - 3 齐聚物沉淀成核机理9 图1 4 合成离子交换树脂的基本反应1 3 图1 5 薄壳阴离子交换树脂结构1 4 图l _ 6 生产胶态阴离子交换树脂颗粒的表面附聚法流程1 5 图1 7 低容量阳离子交换树脂的制备一 苯乙烯一二乙烯基苯共聚物表面磺化1 6 图1 - 8p o u a 龇微球的制备及表面修饰1 8 图2 1 聚苯乙烯种子的电镜扫描图( 放大3 0 0 0 倍) 2 7 图2 - 2 聚苯乙烯种子的电镜扫描图( 放大5 0 0 0 倍) 2 8 图2 - 3 苯乙烯二乙烯基苯微球的扫描电镜图( 放大3 0 0 0 倍) 2 9 图2 - 4 苯乙烯二乙烯基苯微球的扫描电铙图( 放大5 0 0 0 倍) 2 9 图2 - 5 成孔机理示意图3 3 图2 - 6 凹痕粒子扫描电镜照片( 放大5 0 0 0 倍) 3 4 图3 - 1 动态离子交换机理3 9 图3 - 2 离子对双电层机理4 0 图3 3 标准样品离子色谱图4 2 图3 4 雨水样品离子色谱图4 4 图3 5 淋洗液中含2 0 乙腈的标准样品色谱图 4 6 图3 - 6 淋洗液中含5 乙腈的标准样品色谱图4 7 图3 - 7 流动相中不含n a 2 c 0 3 的标准样品离子色谱图4 8 图4 - l 弱酸性阳离子树脂的扫描电镜图( 放大3 0 0 0 倍) 5 2 图4 2 弱酸性阳离子树脂的扫描电镜图( 放大5 0 0 0 倍) 5 2 图4 3 一价和二价阳离子混合物的分离5 7 图4 - 4 雨水中阳离子色谱图5 9 图4 5 不同比例流动相对n i 2 + ，m n 2 + 的分离色谱图6 0 图4 - 6 n i 2 + ，m n 2 + 分离度曲线6 l h i 浙扛大学硕士研究生毕业论文 表目录 表2 - 1 制备单分散聚苯乙烯微球方法的比较3 l 表3 - 1 标准样品的保留时间、峰面积、峰高的重复性4 l 表3 - 21 0 种阴离子离子的线性和检出限i ：峰面积，y 2 ：峰高，x ：浓度) 4 3 表3 - 3 雨水中阴离子含量测定及回收率“ 表3 4 常用的离子对试剂4 5 表4 - 1n a o h 中n a c i 浓度对于阳离子树脂中羧基含量变化的作用5 4 表牝标准样品的保留时间、峰面积的重现性5 7 表4 - 3 阳离子的线性和检出限5 8 表4 4 雨水样品中各阳离子含量及回收率5 9 表4 5n i 2 + ，m n 2 + 的线性和检出限6 l i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：氇乍嚷茹 签字日期：_ 呻b 年；月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘江叁鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名弼蕉轻导师签名 签字日期：伽6 年弓月f 。日签字日期 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 乞” 犀她 第一章一文献综述 第一章文献综述 第一节离子色谱简介 1 前言 离子色谱( i c ) 是高效液相色谱( i 玎? l c ) 的一种，是分析离子的一种液相 色谱方法。1 9 7 5 年，h s m a l l 及其合作者用电导检测器连续检测柱流出物获得成 功，随后他们发表了第一篇i c 论文【l 】，标志着离子色谱法的诞生，并于同年商 品仪器问世。经过三十多年的发展，离子色谱法( i c ) 已经成为分析离子性物质 的常用方法。 在离子色谱法( i c ) 出现之前，对常规阳离子的分析已有一些快速而灵敏的 分析方法，如原子吸收、高频电感耦合等离子体发射光谱和x 射线荧光分析法 等与光度法、原子吸收法相比，i c 的主要优点是能同时检测样品中的多种成 分，只需很短的时间就可得到阳离子以及样品组成的全部信息但这种同时检测 的能力受样品中不同成分之间的巨大浓度差的限制。例如很难同时检测废水样品 中的高浓度和低浓度成分，对这种样品的分析，常用不同的灵敏度设置或不同的 稀释程度作两次或多次进样 而对阴离子的分析在上个世纪七十年代以前，都缺乏一种快速灵敏的方法， 只是一直沿用经典的容量法、重量法和光度法等。这些方法大都是操作步骤冗长 费时，需用多种化学试剂，灵敏度低而且有干扰而离子色谱法具有的快速、灵 敏、选择性好和同时测定多组分的优点，决定了它自诞生之时起，就被用于分离 测定当时很多难以用其他方法测定的离子，尤其是阴离子。离子色谱对阴离子的 分析是分析化学中的一项新的突破嘲，在随后的几十年里，它能同时测定多种阴 离子的快速、灵敏而准确的优点逐步被采纳，目前已成为食品、饮用水、环境分 析、工业排水、农业等领域中阴离子测定的首选方法。 离子色谱法分析无机和有机阴阳离子的选择性主要由选择适当的分离和检 测系统来达到与h p l c 相比，i c 中固定相对选择性的影响较大，因此固定相 的稳定性和分离能力就至关重要。 第一章文献综述 固定相的稳定性主要取决于柱填料的类型。与h p l c 中所用的硅胶填料不 同，i c 中苯乙烯一二乙烯基苯聚合物是用的最广的填料这种树脂的高p h 稳定 性允许用强酸或强碱作淋洗液，有利于扩大应用范围。高交联度的树脂在有机溶 剂中稳定，因此可在使用一段时间后，直接用有机溶剂清洗柱子以除去有机污染 物高的d h 稳定性和有机溶剂可匹配性以及高的柱容量，简化了样品前处理手 续。溶解、稀释和过滤是i c 中样品前处理的主要内容 对于固定相分离能力的研究一直是i c 的热点，虽然市场上已有数十种不同 选择性的高效分离柱可供选用，而且每年匹兹堡会议都有新的分离柱被推出 3 - 1 ， 但面临科学界日益突现的分离要求和越来越低的检测限需求，不断推陈出新，制 备出具有不同分离效力的分离柱，将会是色谱工作者们今后还需继续努力的一个 方向 2 离子色谱原理及分类 ， 在离子色谱法中，各种离子是根据对交换树脂的相对亲和力通过离子交换而 分离开的。阴离子是在阴离子交换树脂柱( 分离柱) 上分离的，当阴离子分离柱 的流出液再经过一个阳离子交换树脂柱( 抑制柱) 时，阴离子就转变成其相应的 酸同理，阳离子溶液在阳离子交换柱后的流出液再经过阴离子交换抑制柱时， 阳离子就转变成氢氧化物，而阴离子则转变成为低电导率的组分。 在这一基本原理的基础上，又细分出三种不同分离机理【7 埘，依据各自的机 理离子色谱可分为高效离子交换色谱( i - i p i c ) ，离子排斥色谱( i e c ) 和离子对 色谱畔c ) 。用于三种分离方式的柱填料的树脂骨架基本上都是苯乙烯一- - 7 , 烯基 苯的共聚物，但树脂的离子交换容量各不相同。h p i c 用低容量的离子交换树脂 ( o o l o 5 0 r e t o o l g ) ，i e c 用高容量的树脂( 3 - s m m o v g ) ，i p c 用不含离子交换 基团的多孔树脂。三种分离方式各基于不同分离机理h p i c 的分离机理主要是 离子交换，i e c 主要为离子排斥，而i p c 则主要基于吸附和离子对的形成。 2 1 离子交换色谱( h i g hp c r f o r m a n i o n - e x c h a n g ec h r o m a t o g r p h y , h p i c ) 方法基于流动相和连接到固定相上的离子交换基团之间发生的离子交换过 程。对高极化度的离子，分离机理中还包括非离子的吸附过程离子交换色谱主 要用于有机和无机阴离子和阳离子的分离。离子交换功能基为季铵基的树脂用作 阴离子分离，为磺酸基和羧酸基的树脂用作阳离子分离。 2 第一章一文献综述 离子交换色谱技术作为离子色谱的主流技术，经过2 0 多年的发展己被应用 在食品、环境等各个领域，近年来更逐步被引入生物及生命科学领域，其应用前 景已不再仅限于对阴、阳离子的分离，更能实现对生物大分子或细胞代谢产物的 分离测定，分离效果可以和高效液相色谱( h p l c ) 相媲美。 e v e l y n eg 唧等人曾利用高效离子交换色谱( h p i c ) 电导及脉冲安培检测 技术，对生物样品的代谢产物成功进行了分离和定量检测。在碱性条件下，该文 针对不同来源的生物样本，分别采用两种色谱柱和两种检测方法进行分离测定。 有机酸和无机酸类样品可以使用i o n p a c a s l l 柱，以o 5 - 3 5 m m 浓度范围的n a o h 溶液进行梯度淋洗实现分离，使用阴离子再生抑制器能使检测限达到m g l 而 对于十二种来自糖分解或戊糖磷酸的磷酸化产物，可采用c a r b o p a cp a l 柱，以 n a o h 和n a c o o c h 3 混合溶液为流动相实现分离，之后电流检测进行定量分析， 检测限可达p m o l 级。 2 2 离子排斥色谱( i o n - e x c l u s i o nc h r o m a t o g r p h y , i e c ) 离子捧斥色谱法的分离理论主要是d o n n a n 排斥原理发展而来的，其中还包 括空间排阻和吸附两个过程。固定相一般是有一定交联度的( 8 ) 、总体磺化的 h + 型高容量聚苯乙烯二乙烯基苯阳离子交换树脂离子排斥色谱主要用于有机 酸、无机弱酸和醇类的分离。i e c 的一个特别的优点是可用于弱的无机酸和有机 酸与在高的酸性介质中完全离解的强酸的分离，这是由于树脂电荷密度较大，导 致在树脂颗粒间隙的液体和树脂微孔内吸留的液体间形成一个“半透膜”，溶质 无机阴离子由于受d o n n a n 排斥不能进入树脂微孔内，因此不被保留，而非离子 型的中性分子，如有机酸、酵类等则能不受d o n n a n 排斥的影响，通过“半透膜” 进入树脂微孔内，具有保留作用。 离子排斥色谱法由于其快速、灵敏、简便等特点而被广泛应用于食品、医药 卫生、环境保护、石油化工领域种的有机酸分析，是分析有机酸的一个有力工具， 但随着发展和应用逐渐面临着一些困难，针对这些困难，原小寓n o l 和田鹏【1 1 1 3 1 等人着手进行研究如何能够进一步提高检测灵敏度，并尝试使用非酸性淋洗液来 降低背景电导和检测限，同时在固定相发展技术上通过改进柱的结构和柱填料来 提高柱效等。 3 第一章文献综述 2 3 离子对色谱( i o np a i rc h r o m a t o g r a p h y , 口c ) 离子对色谱的主要分离机理是吸附，其固定相主要是弱极性和高表面积的中 性多孔聚苯乙烯- - z , 烯基苯树脂和弱极性的辛烷或十八烷基键合的硅胶两类 分离的选择性主要由流动相决定。有机改进剂和离子对试剂的选择取决于待测离 子的性质。 过去离子对色谱主要用于表面活性的阴离子和阳离子以及金属络合物的分 离，近十年来随着色谱工作者的不断研究，已将此种分析方法推广于生物医药及 生命科学领域，并在此领域成功应用获得了最大的实用价值。 m a r kd i t 4 1 等发现离子对色谱法用于分离分析核酸具有独特的优点，由于 离子对基质是无孔的高分子聚合体，表层粘结了高度单分散性的粒子实体后能最 大限度防止扩散，从而实现了在短时内分离并能获得高回收率基于此项特点， m a r k 等最新运用离子对色谱法进行了d n a 和r n a 碎片的分离提取研究，并获 得良好的实验结果。此外，s a b u r u z 1 5 1 等还曾利用离子对色谱法成功分离检测 过人体血浆中甲福明二甲双胍( 抗糖尿病药、降血糖药) 的含量，实现了该方法的 医药临床价值 2 4 其他分离方法 除上述三种主要的分离方式之外，反相液相色谱法( r e v e r s e d - p h a s el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y , r p l c ) i 峒是一种以疏水作用为基础的色谱分离模式。由于它具 有分辨率高、重复性好、回收率高等优点，在蛋白质及多肽的分离分析中得到了 极为广泛的应用。 蛋白质及肽段分离中常常还会采用另外一种反相离子对色谱法 ( r e v e r s e d - p h a s ei o n - p a i rc h r o m a t o g r a p h y , r p 口c ) 【m ，它是通过向流动相中加 入两亲离子来提高溶质分子的保留值。在该体系中，主要由固定相疏水表面对配 对离子的选择性吸附来决定溶质保留值，因此，洗脱液p h 值及配对离子的种类、 浓度对样品各成分尤其是疏水性较小的肽段的有效分离非常重要 3 离子色谱系统 i c 系统的构成与h p l c 相同，仪器由流动相传送部分、分离柱、检测器和 数据处理4 个部分组成，仪器系统构成见图1 1 。其主要不同之处是i c 的流动相 要求耐酸碱腐蚀的系统因此，凡是流动相通过的管道、阀门、泵、柱子及接头 4 第一章文献综述 等不仅要求耐压高，而且要求耐酸碱腐蚀。国际上生产i c 的著名公司用p e e k 材料的全塑i c 系统。全塑料系统和用微机控制的高精度无脉冲双往复泵，用色 谱工作站控制仪器的全部功能和作数据处理，以及在o 1 4 的整个p h 范围内和 0 1 0 0 与水互溶的有机溶剂中性能稳定的柱填料和液体管道系统是现代离子 色谱系统的主要特点。 图i - i 离子色谱系统构成 f i g 1 - ic o m p o s i n go f i o nc h r o m a t o g r a p h ys y s t e m 离子色谱的最主要部件之一就是分离柱。柱管材料应是惰性的，一般均在室 温下使用。高效柱和特殊性能分离柱的研制成功，是离子色谱迅速发展的关键。 抑制器是抑制型电导检测器的关键部件，高的抑制容量，低的死体积，能自动连 续工作，不用复杂和有害的化学试剂是现代抑制器的主要特点。 离子色谱的检测器分为两大类，即电化学检测器和光学检测器【1 8 嘲。电化学 检测器包括电导、直流安培、脉冲安培和积分安培；光学检测器包括紫外一可见 和荧光检测器电导检测器是i c 的主要检测器，分为抑制型和非抑制型( 单柱 型) 两种。抑制器能够显著提高电导检测器的灵敏度和选择性，其发展经历了四 5 第一章一文献综述 个阶段，分别为树脂填充抑制器、纤维膜抑制器、平板微膜抑制器和电解与微膜 结合的自动连续工作的抑制器。 在常规离子分析中，离子色谱峰的峰型比较理想，通常采用峰高定量分析法 来进行分析。早期的数据处理系统有记录仪，自动积分仪，经过3 0 多年的更新 换代，目前离子色谱工作者最普遍采用的是可以完全代替人力进行数据记录和处 理的软件工作站。 在2 0 0 5 年举办的p i t r c o n 展会上，一款全新的8 6 1 紧凑式高级离子色谱 仪例由瑞士万通公司推出，该款产品的最大优点是在进样峰和碳酸盐峰的抑制 方面进行了极为显著的改善。 离子色谱技术的优越性主要表现在对各种阴离子良好的分离能力，而在阴离 子定量分析过程中，碳酸盐峰时常会干扰分析结果的精确度该款8 6 1 产品就针 对进样峰的抑制问题。在产品设计上采用了两种高性能的抑制技术，即：用于化 学抑制的第二代m e t r o h m ( m s m ) 抑制模块和m e l x o h mc 0 2 抑制器( m c s ) ， 两种技术的使用保证了分析结果的准确和高重复性。 此外，无论是否使用抑制技术，8 6 1 型产品使用的电导检测器检出范围均从 5 p p b 溴酸一直到5 0 0 p p m 磷酸盐，可应用于废水、饮用水中的标准阴离子，高氯 酸盐，亚硫酸盐，硫酸盐，硫代硫酸盐，氯化物，亚硝酸盐，硝酸盐，磷酸盐， 柠檬酸盐，氰酸盐，叠氮化物和氯酸盐等。该型离子色谱仪完全由个人电脑控制， 随机软件同时完成仪器控制及数据处理。 6 第一章一文献综述 第二节离子色谱柱填料的制备 离子色谱中，固定相是关键。固定相的性质首先决定了选用什么分离机理是 有效的，并依次决定流动相的选择以及检测方式的选择。制备离子交换树脂最一 般的方法是，首先合成中性的苯乙烯基聚合物，然后将此聚合物进行化学改性， 以便引入离子交换的官能基。也可以让带有所需要官能基的单体与适当的交联荆 一起聚合来制成离子交换剂，但这种方法制备的材料一般不适用于离子色谱。 1 离子交换树脂的聚合物基体 大多数离子交换树脂的聚苯乙烯前体的合成主要有两条路线。第一条是生产 凝胶型聚合物，而第二条是生产大孔型材料。这两种类型的树脂在结构上的差异 对离子交换具有重大关系，特别是关系倒离子交换的速率 凝胶型聚合物是在催化剂，如过氧化苯甲酰( b p o ) 的存在下，使苯乙烯与 二乙烯基苯发生共聚合反应生成的二乙烯基苯将这种聚合物交联成一种结构， 它在溶胀剂里溶胀，但不溶解于溶剂中。这种聚合物和最终的离子交换树脂的溶 胀程度，通常由苯乙烯一二乙烯基苯单体混合物中二乙烯基苯的量来控制其中 二乙烯基苯是交联剂，使共聚物成为体型高分子，共聚物中交联剂含量百分数称 为交联度。 用分散聚合法制备的聚合物颗粒是小球珠形的。在搅拌下将单体与溶解的催 化剂分散到连续水相的小滴中，然后加热使之聚合成固体颗粒悬浮剂和分散剂 加入到水中，有助于控制最终球珠的大小并且防止在聚合反应期间的聚结 大孔聚合物是用苯乙烯一二乙烯基苯的溶胀聚合反应生成的。合成大孔型离 子交换树脂时，在聚合阶段加入惰性溶剂，此惰性溶剂对单体苯乙烯和二乙烯基 苯是良性溶剂，对共聚物为非良性溶剂在聚合过程中，由于惰性溶剂的存在， 形成的共聚物珠粒内会产生相分离，最终在树脂骨架内形成数百a 以上的大孔结 构由此共聚物制成的离子交换树脂称为大孔型离子交换树脂。其骨架结构中除 存在凝胶孔外，还存在孔径大于5 r i m 的大孔。由于大量的孔渗入，得到的球珠 具有大的内表面面积。这类聚合物具有高含量的二乙烯基苯，因此树脂材料本身 的刚性是强的。 聚苯乙烯一二乙烯基苯球珠是i c 填料的支撑骨架，它将直接决定填料的颗 7 第一章一文献综述 粒大小，刚性程度和孔结构形态，也会直接影响到能否有效地引入具有选择性分 离的官能团。因此，欲获得高柱效，高选择性，高分辨率的柱填料，分离基质的 合成至关重要目前，合成高聚物填料的方法主要有以下几种 1 1 悬浮聚合法 自从m o o r e 于1 9 6 4 年应用有机基质作为色谱填料以后，高分子微球的合成 在长时期内，一直采用此种方法【2 捌。在工业生产中，水处理及制药等部门使用 的离子交换树脂就是用这种方法合成的 2 3 , 2 4 1 。这种聚合方法合成工艺简单，应用 最为广泛合成出的微球粒度分布范围很宽，必须经过分级处理才能应用于 h p i c 但是分级处理过程却非常麻烦，而且处理后的颗粒仍不够均匀，使得色 谱柱柱效降低。 1 2 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 2 5 1 。该方法实际上是一种在分散介质中加稳定剂的沉淀聚合 反应开始前，单体、稳定剂和引发剂都溶解在有机介质中形成均相体系；反应开 始后，引发剂分散引发单体聚合，当聚合物分子量达到一临界链长后，就会在介 质中沉淀析出形成小颗粒；小颗粒借助于分散稳定剂悬浮于介质中，形成稳定的 分散体系。从理论上讲，油溶性和水溶性单体都可以进行分散聚合，但目前研究 最多的还是苯乙烯 2 6 - 3 s 、甲基丙烯酸甲酯 3 9 , 4 0 和甲基丙烯酸环氧丙酯1 4 l 】在分散 聚合中，单体浓度除了影响聚合速率外，主要是影响聚合介质的溶解性，从而影 响聚合物颗粒的粒径及其分布。l o k ，ke 2 6 1 考虑到聚合分散稳定剂可以与聚合 物就地形成接枝共聚物，于1 9 8 5 年提出了接枝共聚物聚结机理，如图1 - 2 所示， 反应开始前为均相体系，升温到聚合温度后，产生自由基并在稳定剂分子链活泼 氢位置上进行接枝反应，形成接枝共聚物。其中聚合物链聚结到一起形成核，而 稳定剂链则伸向介质，利用其位阻效应使颗粒稳定地悬浮于介质中，颗粒不断从 介质中吸收单体并进行聚合反应，使自身不断长大直到反应结束 8 第一章文献综述 图1 2 接枝共聚物聚结成核机理 f i g 1 - 2m e c h a n i s mo f g r a f tc o p o l y m e d z a u o n 1 9 8 6 年t s e n g 等提出了齐聚物沉淀机理旧，如图1 3 所示( a ) 表示在反应 开始前，单体、稳定剂、助稳定荆和引发剂溶解在介质中形成均相体系加 热升温，引发剂分解生成自由基并引发聚合，产生溶于介质的齐聚物自由基。( c ) 齐聚物自由基继续增长，当达到临界链长时，从介质中沉淀析出来，并且将稳定 剂助稳定剂吸收吸附在表面上形成稳定的核( d ) 成核过程结束不再产生新的核， 已生成的核不断从连续相中吸收单体和自由基，直到反应结束。 图1 _ 3 齐聚物沉淀成核机理 f i g i - 3m e c h a n i s mo f o l i g o m e r sd e p o s i t i n gt on u c l e a r 9 第一章文献综述 1 3 种子溶胀聚合法 单分散、大颗粒、具有不同颗粒形态和表面特征的聚合物微球因其比表面积 大、吸附性强、凝集作用大及有表面反应能力等特异性质，故在标准计量、医学 免疫、生物工程、分析化学、情报信息、化学工业及微电子等领域里有着广泛的 应用前景 4 3 蛔。v a n d e r - h o f f 等人嗍7 1 曾在宇宙飞船上的失重条件下用种子乳液聚 合法制成了颗粒为2 3 0i im 的单分散聚苯乙烯( p s ) 微球。但毕竟因其成本太高， 而且这样的条件在地面上不易获得，故该技术难以普及推广。如何在地球表面上 的通常条件下制备出单分散、大粒径的聚合物微球是为研究者提出的重要课题。 种子溶胀聚合法是制备各种不同物理、化学结构的单分散、大颗粒聚合物微 球的一种有效方法。种子溶胀聚合是指以预先制备的小粒径聚合物颗粒，在低温 下以各种单体、引发剂等小分子化合物溶胀长大，然后再在较高温度下引发聚合， 从而制备大颗粒聚合物微球的方法根据合成工艺的不同，可分为：常规溶胀聚 合法、逐步溶胀聚合法、二步溶胀聚合法、动力学溶胀聚合法和一步溶胀聚合法 等五种 1 3 1 常规溶胀聚合法 o l m b o 等人1 4 9 4 1 】首先利用常规溶胀法制成了大粒径粒度均匀的聚合物微球。 他们首先通过分散聚合法制成粒径约为2l im 左右的单分散p s 微球，再以其为 种子，在o 下用苯乙烯或二乙烯基苯混合单体溶胀2 4 小时，最后进行聚合反 应，制得了粒径约为3hm 的粒度均匀微球。 1 3 2 逐步溶胀聚合法 逐步溶胀聚合法 5 2 - s 4 是指把种子聚合物颗粒进行多次常规溶胀，多次聚合而 最终得到大粒径粒度均匀聚合物微球的方法根据m o r t o n 的分散颗粒热力学方 程d 5 1 可以计算出种子颗粒被单体溶胀后体积将增大2 倍，粒径将增大1 3 倍这 样经反复多次的溶胀、聚合步骤既可得到大颗粒聚合物。理论上讲，小粒径聚合 物颗粒的增长速率大于大颗粒的，经反复的溶胀聚合之后，粒径分布应趋于变窄， 但由于每次溶胀聚合时都有可产生新的小颗粒，因此该方法很难得到粒度均匀的 大粒径微球。另外由于长时间的反复溶胀聚合，往往导致颗粒之间的聚结，使体 系稳定性变差，粒径分布变宽铜。 第一章一文献综述 1 3 3 二步溶胀聚合法 二步溶胀法是7 0 年代末，由u g e l s t a d 等人1 5 7 - 6 0 l 发明了一种制各大粒径、单 分散聚合物微球行之有效的新方法，这种方法可以制备粒径为1 - 1 0 0 l lm ，分散 系数 2 的聚合物微球该方法首先是种子吸收一种在水相中溶解度比单体低 的小分予化合物( 即所谓种子“活化”) ，根据计算砸0 】可使颗粒的溶胀能力提高 1 0 0 0 倍以上。种子活化后再用单体、致孔剂、引发剂等溶胀，最后升温聚合即 可得到大颗粒聚合物微球。近年来，应用这种方法相继合成出的聚合物微球有； 交联聚苯乙烯或氯甲基苯乙烯【6 1 6 3 1 、交联聚甲基丙烯酸缩水甘油酯 6 4 , 6 f 1 、交联聚 甲基丙烯酸羟乙酯嗍、交联乙烯基苯酚嘲等。通常认为，二步溶胀聚合技术仅 适用于非水溶的有机单体，但是i c h o s o y a 及其同事1 6 s , 6 9 1 将这一技术推广至水溶 性的甲基丙烯酸甘油酯和二甲基丙烯酸甘油酯单体的交联聚合中，合成出了单分 散的“半渗透”表面的固定相( r e s t r i c t e da c , c e s ss t a t i o n a r y ) 。另外，他们在二步 溶胀技术的最后阶段加入亲水性的手性单体及亲水性的单体分别合成出手性固 定相i _ 删和“半渗透”表面的交联聚苯乙烯固定相，用于手性分离和生物样品中 的小分子药物分析均取得了较好的结果由于具有许多优点，该方法已成为制备 颗粒单分散功能高分子微球的最有效手段之一 1 3 4 动力学溶胀聚合法 动力学溶胀法是九十年代初由日本神户大学o k u b o 教授提出的一种制备大 颗粒单分散聚合物微球的新方法p 1 7 4 】。其过程如下：先以在有机溶剂中的分散聚 合法制备的p s 粒度均匀微球为分散体系，再向该分散体系中加入混合溶剂和可 溶于分散介质但不溶于水的单体、引发剂、稳定剂然后向体系中加入水、使单 体等在分散介质中的溶解度下降，以改变其在聚合物颗粒和分散介质之间的分配 系数。随着水的加入，单体等就被迫进入聚合物颗粒中，最后升温聚合即可得到 大颗粒均匀聚合物微球。该法可使颗粒吸收1 0 0 倍以上的单体，如以1 8l im 的 s p 微球为种子，最终可以得到6 1i m 粒度均匀的颗粒。动力学溶胀法适用于各 种疏水性单体的聚合，可用甲醇、乙醇、异丙醇、异二醇及丙二醇等水溶性溶剂 作介质，可采用p v a 、甲基纤维素、p a a 、p a m 及聚乙二醇等作稳定剂，可采 用b p o 及a i b n 等油溶性引发剂。动力学溶胀法中加入水的目的是为了降低单 体在介质中的溶解度，其技术关键是如何使水缓慢而均匀地进入体系，而不至于 第一章文献综述 出现水的局部过浓。为达到此目的，可以采用半透膜加水；或把水结合在某种物 质如交联聚合物或微胶囊中，让水在溶胀过程中逐渐释放出来：或采用水蒸气加 水等方式，要降低单体在介质中的溶解度，还可以采取降低温度、蒸发溶剂或用 某种物质来吸收溶剂等方法。 1 3 5 一步溶胀聚合法 o g i a o 等人【7 5 1 于1 9 9 5 年介绍了一种新的溶胀聚合技术，即将单体、引发剂、 致孔剂等与含有稳定剂和表面活性剂的水溶液，一次性混合乳化，再与种子混合 溶胀，最后升温聚合而得到大粒径粒度均匀的聚合物微球，称为“一步溶胀聚合 法”其主要特点是采用分散聚合法制备的较大颗粒的p s 微球为种子，由于这 种p s 种子的分子量比无乳剂乳液聚合制备的p s 种子的分子量要小，且表面存 在聚合物与分散稳定剂的接枝共聚物，所以其溶胀能力很高，可达1 0 - 2 0 0 倍， 然而当其制备了单分散交联聚苯乙烯树脂时，在溶胀比为5 时微球破裂。最近我 国学者柴志剜弼改进了种子的合成方法制备出溶胀比为5 的交联单分散聚苯乙 烯微球并且微球的刚性很好。而s m i g o l 掣7 7 1 曾报道，没有活化的，用无乳剂乳 液聚合制备的p s 种子最多只能溶胀5 0 倍 2 单分散交联聚苯乙烯一二乙烯基苯微球的改性 在已使用的聚合物基质材料中，由于交联聚苯乙烯具有良好的刚性和化学稳 定性，它是应用最为广泛的一种树脂。其结构为在交联的高分子骨架上结合可解 离的无机基团。在离子交换反应中，离子交换剂的本体结构不发生明显的变化， 仅由其带有的离子与外界同电性离子发生等量的离子交换。但该树脂的表面疏水 性强，要用于色谱必须经过改性，才能应用于不同色谱分离目的及分离模式的需 要。 2 1 常见改性法 前人已通过单体共聚法、化学接枝法、表面附聚法和化学改性法等多种方法， 使高分子聚合物表面附有一层具有分离效力的官能团，从而制得了不同分离效果 的树脂这些方法各有特点，其中以化学改性法最为常见和实用。 2 1 1 单体共聚法 单体共聚法是将具有或能转变为离子交换基团的单体与制备高分子基球的 第一章文献综述 单体直接共聚，从而制得有交换能力的树脂微球。这种方法生产的树脂，其分子 链上功能基团分布均匀，且含量很高。但由于共聚反应中含有功能基团的单体需 要保护，且这类单体价格昂贵，所以这种方法的应用在实验室制备或工业生产中 受到一定的限制。 2 1 2 化学接枝法 化学接枝法是对已制备的高分子聚合基球，氧化或通过能生成自由基的化学 物质为引发剂( 如：过氧化苯甲酰，b p o ) ，使其与含有不饱和基团的单体接枝 共聚，引入交换基团，从而制得离子交换树脂的一种方法。 例如，传统的离子色谱法阴离子交换剂主要是具有季铵基团的离子交换树 脂。制各此种阴离子交换剂时，首先将苯乙烯一二乙烯基苯共聚物氯甲基化，然 后将引入的侧基( 一c h 2 c 1 ) 与叔胺( r l r 2 r 斟) 发生季铵化反应。合成聚苯乙 烯一二乙烯基苯离子交换树脂的反应见图l - 4 。 占h ：匹 ( 躬青子交换树庸的个结构单元)( 两直子交接树脂的个绪构单元， 图1 4 合成离子交换树脂的基本反应 f i f r l - 4e s s e n t i a lw a y sf o rp r e p a d n gi o nc x c h a d g er e s i n 第一章一文献综述 由于化学接枝法的接枝率一般较低，不超过5 0 ，使产品的应用效果受到 限制，而且，单体利用率低，大量没有参与接枝的单体易发生自聚而无法回收， 造成原料浪费和分离困难。因此，化学接枝法主要应用于分子链上引入少量功能 性单体的情况。 2 1 3 表面附聚法 表面附聚是指将一个带电荷的胶体离子交换树脂附着到带相反电荷的大体 积基质上。表面附聚法通常被用作制备低容量离子交换剂。传统的制备阴离子交 换树脂的方法是，将表面磺化的苯乙烯一二乙烯基苯微球与胶态阴离子交换树脂 ( 带季铵基团) 的悬浮液接触，小粒子的阳离子官能团被吸引到大球珠的磺酸基 阴离子上，因此通过极强的静电力吸引附着在其上。制得的薄壳型阴离子交换树 脂直径在5 p m 左右，表层附聚的季铵型功能基直径在o 1 左右，结构如图1 5 所示 图1 - 5 薄壳阴离子交换树脂结构 f i g 1 - 5s h e l ls l r u