甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的高效液相色譜分析方法

徐 馨，馬政生，岳 娜

（西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（簡稱DMC）屬于季銨鹽型陽離子表面活性劑。DMC的分子鏈中帶有雙鍵，既可以進(jìn)行均聚，也可以和許多活性單體進(jìn)行共聚［1-4］，主要用于制備陽離子改性的聚合物。DMC的均聚物和共聚物具有相對分子質(zhì)量可控、陽離子度可調(diào)、水溶性好等優(yōu)點，因而在油田化學(xué)、石油化工、水處理和采煤等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用［5］。將DMC與丙烯酸高碳酯共聚可得到新型聚季銨鹽型油品抗靜電劑［6］；將DMC與丙烯酸低碳酯共聚可制備用于聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯和聚氯乙烯等塑料的抗靜電劑［7］；DMC與丙烯酰胺（AM）和丙烯酸通過分散聚合法可得到“水包水”的乳液型絮凝劑［8］；將DMC與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、AM、苯乙烯磺酸鈉共聚可制備具有較好耐溫抗鹽性能和抗鈣侵能力的鉆井泥漿用降濾失劑［9］；以DMC和AM為單體，采用反相懸浮聚合法可制備陽離子型高吸水性樹脂［10］。以AM為主單體、對苯乙烯磺酸鈉和DMC為改性單體，通過水溶液聚合可制備一種具有抗鹽性、耐高溫性、快速增黏性能的聚合物［11］。

目前，關(guān)于DMC的生產(chǎn)工藝及應(yīng)用研究的報道較多，但關(guān)于DMC分析檢測的報道較少。對于陽離子季銨鹽化合物的分析檢測，早期采用的是兩相滴定法、碘量法和銀量法等，但這些方法的靈敏度較低［12］。隨后建立了分光光度法、熒光分析法、毛細(xì)管電泳法、色譜法和質(zhì)譜法等［13-17］。其中，高效液相色譜（HPLC）法多以C8或C18色譜柱為固定相，并在流動相中加入離子對試劑（戊烷磺酸鈉等）［18-19］。

本工作采用AcclaimTMSurfactant Plus色譜柱，以乙酸銨溶液-乙腈為流動相，使用紫外檢測器，建立了DMC的HPLC分析方法。該方法快速、準(zhǔn)確、重現(xiàn)性高，且不使用離子對，可用于科研及生產(chǎn)領(lǐng)域中DMC的定性定量分析，也可進(jìn)一步推廣到其他類型的季銨鹽的分析檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

Thermo Fisher Scientific公司ThermoU3000型高效液相色譜儀，配有VWD-3400RS型紫外檢測器及Chromeleon工作站；Thermo Fisher Scientific公司AcclaimTMSurfactant Plus型色譜柱；Ohaus Corporation公司CP214型電子分析天平。

DMC標(biāo)準(zhǔn)品：質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%，山東西亞化學(xué)股份有限公司；DMC檢測品：質(zhì)量分?jǐn)?shù)約60%，某化工企業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)品；乙腈：色譜純，瑞典Oceanpak公司；乙酸銨：分析純，成都市科龍化工試劑廠；冰醋酸：色譜純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；實驗用水均為超純水。

1.2 分析方法

1.2.1 色譜條件

色譜柱AcclaimTMSurfactant Plus（4.6 mm×250 mm×5 μm）；流動相0.1 mol/L乙酸銨溶液-乙腈（體積比50∶50，加入適量的冰醋酸使得pH=5.0）；紫外檢測器，檢測波長210 nm；等梯度洗脫，流量1 mL/min；柱溫30 ℃；進(jìn)樣量20 μL。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

稱取0.666 7 g DMC標(biāo)準(zhǔn)品，用流動相溶解，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用流動相定容至刻度，搖勻，得到質(zhì)量濃度為5 000 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液（24 h后重新配制）。

標(biāo)準(zhǔn)曲線：準(zhǔn)確移取不同體積的標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液置于10 mL容量瓶中，以流動相稀釋至刻度，搖勻，配成質(zhì)量濃度分別為50，75，100，150，250 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。在1.2.1節(jié)的色譜條件下，分別取20 μL標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行HPLC分析。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 待測樣液的配制

準(zhǔn)確稱取0.500 0 g DMC檢測品，用流動相溶解，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，并用流動相定容至刻度，搖勻；精密移取0.25 mL溶液置于10 mL容量瓶中，用流動相稀釋至刻度，搖勻，超聲溶解10 min，經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，濾液作為待測樣液。

1.2.4 計算

根據(jù)峰面積，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算DMC的質(zhì)量濃度，最終濃度應(yīng)在此濃度上乘以稀釋倍數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 檢測波長

DMC含有碳碳雙鍵，在210 nm處有穩(wěn)定的紫外吸收峰，故選擇檢測波長為210 nm。

2.2 流動相的選擇及優(yōu)化

考察了緩沖鹽的種類及濃度對色譜分離的影響，實驗結(jié)果表明，以0.1 mol/L的磷酸二氫銨為緩沖鹽，保留時間過長，不利于快速分析；以0.1 mol/L的碳酸銨為緩沖鹽，峰形過寬；以0.1 mol/L的乙酸銨為緩沖鹽，則峰形較好。在考察緩沖鹽濃度時發(fā)現(xiàn)，隨著緩沖鹽濃度的提高，響應(yīng)不變，但保留時間縮短。若鹽濃度過高會磨損泵密封墊圈，鹽濃度過低則緩沖能力不足，故本實驗選擇0.1 mol/L的乙酸銨作為緩沖鹽。

以0.1 mol/L的乙酸銨溶液-乙腈為流動相，考察了流動相的配比對保留時間和峰形的影響，實驗結(jié)果見圖1。由圖1可見，當(dāng)乙腈的體積分?jǐn)?shù)大于50%時，峰形較差，拖尾嚴(yán)重，與負(fù)峰無法分離。經(jīng)綜合考慮，選擇乙酸銨溶液與乙腈的體積比為 50∶50。

此外，還考察了流動相的pH對分離結(jié)果的影響，隨pH的增大DMC的保留時間延長，拖尾因子由0.98增至1.27。在pH=5.00±0.10范圍內(nèi)，拖尾因子為0.98～1.10，色譜峰對稱性良好。因此，選擇pH=5.00±0.10。在上述優(yōu)化條件下，DMC標(biāo)準(zhǔn)溶液的HPLC譜圖見圖2。

圖1 流動相的配比對色譜分離的影響Fig.1 Effect of ratio of mobile phase on chromatographic separation.V(Ammonium acetate)∶V(Acetonitrile)：a 40∶60；b 45∶55；c 50∶50

DMC是親水性堿性化合物，在反相HPLC中的行為較復(fù)雜［20］。以硅膠為基質(zhì)的反相鍵合相填料的表面實際上是不均勻的，在分離化合物時（尤其是堿性化合物）容易導(dǎo)致色譜峰拖尾、表觀柱效降低，這可能是色譜柱過載、堿性化合物與填料表面殘余硅醇基的相互作用以及較慢的吸附-解吸等動力學(xué)行為造成的。通過調(diào)節(jié)流動相的離子強(qiáng)度可改善峰形并顯著提高表觀柱效。在低離子強(qiáng)度的緩沖液中（乙酸銨溶液與乙腈體積比為40∶60），吸附在固定相表面被離子化的DMC分子的極性基團(tuán)之間存在靜電排斥，使色譜柱的表觀柱效顯著降低；隨著緩沖液比例的增加（乙酸銨溶液與乙腈體積比為50∶50），離子化的被測物間的排斥作用減弱，影響了DMC在色譜柱上的吸附行為，從而使得DMC峰形明顯改善，拖尾因子降低，表觀柱效提高。

2.3 回歸方程、線性范圍及檢出限

在1.2.1節(jié)的色譜條件下，測定不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線（見圖3）。以信噪比計算定量限（S/N=10）和檢測下限（S/N=3）。DMC的回歸方程、線性相關(guān)系數(shù)、線性范圍及檢出限見表1。由表1可見，線性相關(guān)系數(shù)大于0.999，定量限和檢出限分別為0.166 7 mg/L和0.050 5 mg/L，在線性范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

圖3 DMC的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard curve of DMC.

表1 DMC的回歸方程、線性相關(guān)系數(shù)、線性范圍及檢出限Table 1 Regression equation，linear correlation coefficient(R2)，limit of detection(LOD) and limit of quantitation(LOQ) of DMC

2.4 精密度

取質(zhì)量濃度分別為50，100，200 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在1.2.1節(jié)的色譜條件下，重復(fù)測定5次，測定值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差見表2。由表2可知，標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，均小于0.5%，表明該方法的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性均較好。

表2 方法的精密度Table 2 Precision of the method

2.5 加標(biāo)回收率

稱取同一試樣，分別加入100，150，200，250 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在1.2.1節(jié)的色譜條件下，進(jìn)行加標(biāo)回收實驗。每個試樣測6次，扣除空白后，計算加標(biāo)回收率，實驗結(jié)果見表3。由表3可知，DMC的加標(biāo)回收率在91.3%～108.4%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25%～0.34%，表明該分析方法具有較高的準(zhǔn)確性。

表3 不同質(zhì)量濃度下加標(biāo)回收率的測定(n=6)Table 3 Determination of the standard recovery rate in different mass concentrations(n=6)

2.6 試樣的測定

取不同批次的試樣，按照1.2.3節(jié)的方法平行制備3份待測樣液，在1.2.1節(jié)的色譜條件下測定，通過回歸方程計算試樣中DMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與產(chǎn)品的標(biāo)示含量進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 試樣的測定結(jié)果（n=3）Table 4 Determination results of the samples(n=3)

由表4可見，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.32%～0.66%，說明測定結(jié)果與標(biāo)示含量基本一致。

2.7 色譜柱的特性

分析表面活性劑的色譜柱是利用化學(xué)鍵合作用將反相色譜與離子交換色譜相結(jié)合的一種混合型色譜柱。為了解決C18色譜柱的強(qiáng)疏水性對極性陽離子化合物保留不夠充分的缺陷，可以在硅膠表面鍵合C18基團(tuán)，再鍵合一些其他的基團(tuán)制備出混合型的硅膠基質(zhì)色譜填料。相對于單一模式的C18色譜柱，增強(qiáng)了色譜的分離能力，同時也具有可操控的分離選擇性［21-22］。本實驗選用的AcclaimTMSurfactant Plus色譜柱是一種新型的商品化色譜柱，它的填料結(jié)構(gòu)及交換保留機(jī)制受到相關(guān)專利保護(hù)，在公開文獻(xiàn)中未見披露，主體結(jié)構(gòu)可參考圖4。

圖4 分析表面活性劑的色譜柱的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of chromatographic column for surfactant analysis.

該色譜柱不僅適合測定陽離子表面活性劑，還可以結(jié)合蒸氣發(fā)光散射檢測器中的單一色譜分離陰離子、非離子、兩性表面活性劑，提高乙氧基化表面活性劑中低聚物的分離度，并與質(zhì)譜檢測器、抑制型電導(dǎo)檢測器及紫外檢測器有較好的兼容性［23］。

3 結(jié)論

1）采用HPLC法測定了DMC的含量，分離效果良好，運行時間小于7 min。在50～250 mg/L的范圍內(nèi)，具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.999，定量限和檢出限分別為0.166 7 mg/L和0.050 5 mg/L，加標(biāo)回收率為91.3%～108.4%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25%～0.34%。實驗結(jié)果表明，選用特定的色譜柱，可實現(xiàn)HPLC快速、準(zhǔn)確地分析DMC。

2）建立的分析方法可應(yīng)用于其他不飽和烷基季銨鹽類陽離子表面活性劑的測定，檢測更為快速，彌補(bǔ)了現(xiàn)有測定方法的不足。

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