咪唑離子液體作為流動相添加劑的整體柱離子對色譜快速分析哌啶陽離子

張 雪， 于 泓， 馬亞杰， 黃 旭， 劉澤坤

(哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025)

離子液體是由離子組成的，在室溫或接近室溫下呈液態(tài)的鹽類(熔點≤100 ℃)。由于離子液體具有許多與傳統(tǒng)溶劑不同的獨特性質(zhì)，如溶解能力強、穩(wěn)定、無顯著的蒸氣壓、污染小等，離子液體被認(rèn)為是一種潛在的可廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的優(yōu)良溶劑。目前離子液體已有廣泛的應(yīng)用報道，其中包括有機合成、催化、電化學(xué)和分離科學(xué)等[1-8]。因而對于離子液體的分析已成必然[7]。通常選擇使用反相色譜法[4]、親水相互作用色譜法[5]、離子色譜法[6]和離子對色譜法[7]對離子液體陽離子進(jìn)行分離測定。近年來，對咪唑類離子液體陽離子和吡啶類離子液體陽離子[4-11]，以及吡咯烷類離子液體陽離子[12-14]的分析報道居多。相反，有關(guān)哌啶類離子液體陽離子的分離測定報道較少[15]。哌啶類離子液體陽離子結(jié)構(gòu)中沒有紫外光吸收基團(tuán)，用普通的紫外檢測器時需采用間接紫外檢測方法，即在流動相中加入具有紫外吸收的物質(zhì)作為背景紫外吸收劑以實現(xiàn)分離檢測[16-17]。由于咪唑類離子液體具有較強的紫外吸收，因而具有作為背景紫外吸收劑檢測哌啶陽離子的可能。

本工作目的是發(fā)展不具有紫外光吸收的哌啶離子液體陽離子的快速測定方法。實驗以咪唑離子液體作為流動相添加劑，采用反相硅膠整體柱和常用的紫外檢測器，實現(xiàn)了哌啶離子液體陽離子的整體柱離子對色譜-間接紫外檢測方法，同時咪唑離子液體的應(yīng)用范圍也得到了擴(kuò)展。

1 實驗部分

1.1 試劑

離子液體購自上海成捷化學(xué)有限公司，純度≥99%。哌啶離子液體包括：溴化N-甲基-N-乙基、N-甲基-N-丙基、N-甲基-N-丁基哌啶([MEPi][Br]、[MPPi][Br]、[MBPi][Br])；咪唑離子液體包括：1-乙基-3-甲基、1-丙基-3-甲基、1-丁基-3-甲基、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([EMIm][BF4])、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]、[AMIm][BF4])。庚烷磺酸鈉、戊烷磺酸鈉購自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，甲醇、乙腈購自Dikma Technologies公司，純度均為色譜純。

1.2 實驗方法

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備用超純水(電阻率18.2 MΩ·cm，美國Millipore公司Simplicity純水系統(tǒng))先配制濃度為1 g/L的哌啶陽離子的標(biāo)準(zhǔn)儲備液，實驗時稀釋至不同濃度，然后經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后，用于進(jìn)樣分析。

1.2.2色譜分析條件色譜分析采用美國Agilent公司1200系列高效液相色譜儀，配置包括:G1311A型四元泵、G1329A型自動進(jìn)樣器、G1315D型二極管陣列檢測器、Degasser-G1322A型脫氣機、G1316A型色譜柱溫箱和Rev.B.04.01色譜工作站。色譜柱采用德國Merck公司的(Chromolith Performance RP-18e)反相硅膠整體柱(100×4.6 mm i.d.)；流動相為0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸鈉水溶液(乙酸調(diào)節(jié)pH=4.5)/甲醇(90/10,V/V)，流動相流速：30 mL/min，間接紫外檢測波長：210 nm，色譜柱溫度：30 ℃，自動進(jìn)樣體積：20 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動相對分離測定哌啶陽離子的影響

2.1.1離子對試劑對哌啶陽離子保留的影響咪唑離子液體的最大吸收波長約為210 nm[18]。在檢測波長210 nm下，分別以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]水溶液(pH=4.0)/甲醇(90/10,V/V)和0.5 mmol/L [PMIm][BF4]水溶液(pH=4.0)/甲醇(90/10,V/V)為流動相，分離測定3種哌啶陽離子[MEPi]+、[MPPi]+和[MBPi]+。結(jié)果表明，[MEPi]+、[MPPi]+和[MBPi]+3種哌啶陽離子的保留時間明顯都短，而且與系統(tǒng)峰存在部分重疊現(xiàn)象，達(dá)不到完全分離?？赡艿脑蚴沁哙り栯x子具有較強的極性，在反相柱上保留較弱，使保留時間較短。為了改善這種情況，進(jìn)一步研究考察在流動相中加入離子對試劑。分別將庚烷磺酸鈉、戊烷磺酸鈉兩種離子對試劑加在流動相中，并對分離檢測哌啶陽離子產(chǎn)生的影響進(jìn)行考察，結(jié)果見圖1。兩種離子對試劑添加在流動相中，相比于加入庚烷磺酸鈉的實驗結(jié)果，加入戊烷磺酸鈉時，3種哌啶陽離子的保留時間較短，受系統(tǒng)峰的干擾。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，離子對試劑的烷基鏈越長，形成的離子對的極性越弱，在反相固定相中的保留較強，增長了保留時間。因此，選擇加入庚烷磺酸鈉離子對試劑。

確定離子對試劑后，以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-庚烷磺酸鈉水溶液(pH=4.0)/甲醇(90/10,V/V)為流動相，對不同濃度的離子對試劑可能產(chǎn)生的作用效果進(jìn)行了考察研究?？疾斓臐舛确謩e為0.05、0.10和0.15 mmol/L。結(jié)果表明，庚烷磺酸鈉濃度從0.05 mmol/L增加到0.15 mmol/L的過程中，哌啶陽離子的保留時間隨之增長，這與離子對色譜的保留機理一致。對3個濃度進(jìn)行比較，在庚烷磺酸鈉濃度為0.10 mmol/L時，色譜峰形理想且保留時間較短。所以，最終選定其濃度為0.1 mmol/L。

圖1 用戊烷磺酸鈉(a)和庚烷磺酸鈉(b)離子對試劑獲得的色譜圖Fig.1 Chromatograms obtained by using ion pair reagents of 1-pentanesulfonic acid sodium(a) and 1-heptanesulfonic acid sodium(b)Conditions:using 0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L ion pair reagent aqueous solution (pH=4.0)/methanol (90/10,V/V) as mobile phase;flow rate 1.0 mL/min;column temperature 30 ℃;indirect UV detection at 210 nm;inject volumn 20 μL.Peaks (mg/L):1.[MEPi]+(30.8);2.[MPPi]+(32.0);3.[MBPi]+(33.0).

2.1.2有機溶劑對哌啶陽離子保留的影響考察甲醇和乙腈對分離測定3種哌啶陽離子的影響。分別以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸鈉水溶液(pH=4.0)/乙腈(90/10,V/V)以及0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸鈉水溶液(pH=4.0)/甲醇(90/10,V/V)為流動相，對3種哌啶陽離子的分離檢測進(jìn)行實驗。結(jié)果表明，在選擇有機溶劑時，乙腈和甲醇比較而言，使用前者時哌啶陽離子的保留時間明顯短一些，易受系統(tǒng)峰干擾，并且[MBPi]+色譜峰嚴(yán)重拖尾。所以選擇甲醇為有機溶劑。繼續(xù)對甲醇含量對哌啶陽離子保留產(chǎn)生的影響進(jìn)行系列考察。以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸鈉水溶液(pH=4.0)/甲醇為流動相，流動相中甲醇體積分?jǐn)?shù)由10%增加到30%。呈現(xiàn)的結(jié)果是，增加甲醇含量，陽離子的保留時間變短。原因是流動相中有機溶劑濃度增加時，流動相極性會減弱，導(dǎo)致增加離子對的溶解，從而縮短保留時間。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)是20%的甲醇加入到流動相中時，[MEPi]+的色譜峰與系統(tǒng)峰相距較近，會對分離測定產(chǎn)生干擾。當(dāng)流動相中甲醇體積分?jǐn)?shù)增加到30%時，可以在色譜圖中看到[MEPi]+與[MPPi]+互相存在干擾。為了達(dá)到同時分離測定[MEPi]+、[MPPi]+和[MBPi]+3種哌啶陽離子的目的，最后選擇在流動相中加入甲醇體積分?jǐn)?shù)是10%。

2.1.3pH值的影響以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸鹽水溶液/甲醇(90/10,V/V)為流動相，考察[EMIm][BF4]-庚烷磺酸鹽水溶液pH值(3.5、4.0、4.5、5.0)對分離測定3種哌啶陽離子的影響。結(jié)果表明，流動相的pH值不斷增大時，哌啶陽離子的保留時間不發(fā)生明顯的改變。當(dāng)流動相的pH為3.5時，[MBPi]+色譜峰存在嚴(yán)重拖尾。比較了pH分別為4.0、4.5和5.0，結(jié)果表明3種哌啶陽離子的色譜峰形基本相同，但pH在4.5時的保留時間會稍微短一些。綜合考慮，流動相水溶液的pH選定在4.5。

2.1.4咪唑離子液體對哌啶陽離子分離測定的影響實驗以0.5 mmol/L咪唑離子液體-0.1 mmol/L庚烷磺酸鹽水溶液(pH=4.5)/甲醇(90/10,V/V)為流動相，考察了咪唑離子液體[EMIm][BF4]、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]、[AMIm][BF4] 4種離子液體對于分離檢測哌啶陽離子的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，隨咪唑離子液體環(huán)上烷基鏈不斷加長，哌啶陽離子的保留時間不斷縮短?？赡艿脑蚴沁溥颦h(huán)上烷基鏈加長，導(dǎo)致減弱流動相的極性，增強其疏水性，結(jié)果被測物質(zhì)的保留時間縮短。

圖2 用鏈長不相等的咪唑離子液體獲取的色譜圖Fig.2 Chromatograms obtained by using imidazolium ionic liquids with different length of alkyl chaina:[EMIm][BF4];b:[PMIm][BF4];c:[BMIm][BF4];d:[AMIm][BF4].Mobile phase:0.5 mmol/L ionic liquid-0.1 mmol/L 1-heptanesulfonic acid sodium aqueous solution (pH=4.5)/methanol(90/10,V/V).The other conditions and peak marks are the same as in Fig.1.

當(dāng)用[PMIm][BF4]離子液體為流動相添加劑時，[MEPi]+與[MPPi]+兩種陽離子的色譜峰形相對較好，但[MBPi]+的色譜峰拖尾嚴(yán)重；用[BMIm][BF4]離子液體為流動相添加劑時，系統(tǒng)峰與[MEPi]+色譜峰部分重疊，但[MBPi]+的色譜峰形比較理想，在只測定[MBPi]+時可以選擇流動相中離子液體組分使用[BMIm][BF4]；當(dāng)用[AMIm][BF4]離子液體時，系統(tǒng)峰與[MEPi]+的色譜峰部分重疊，無法實現(xiàn)全部分離，且[MPPi]+色譜峰形亦變差。綜合考慮，適宜的離子液體為[EMIm][BF4]?？疾炝藵舛确謩e為0.3、0.5、0.7和1.0 mmol/L的[EMIm][BF4]對3種陽離子分離測定的效果，結(jié)果見表1。由表1可知，當(dāng)[EMIm][BF4]溶液濃度由0.3 mmol/L增至1.0 mmol/L時，哌啶陽離子的保留時間不斷縮短，但同時檢測限變差。綜合比較，選擇[EMIm][BF4]溶液濃度為0.5 mmol/L。

表1 保留時間、檢出限與流動相中[EMIm][BF4]濃度的關(guān)系

2.2 流速對哌啶陽離子保留時間的影響

以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸鈉水溶液(pH=4.5)/甲醇(90/10,V/V)為流動相，考察流速對3種哌啶陽離子的保留時間、柱壓和柱效的影響?？疾斓牧魉俜謩e為1、2、3、4 mL/min，結(jié)果見表2。由表2可知，流速增加，柱壓不斷升高，而保留時間卻減小，但對于柱效而言沒有很明顯的變化。流速超過3 mL/min后，柱壓與保證整體柱正常使用的最大壓力20 MPa接近。為了達(dá)到快速理想的分離效果，實驗采用3 mL/min的流速。

表2 流速與柱壓、保留時間和柱效之間的關(guān)系

2.3 哌啶陽離子保留的碳數(shù)規(guī)律

圖3 3種哌啶陽離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖Fig.3 Chromatogram of a standard solution containing three piperidinium cationsConditions:mobile phase is 0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L 1-heptanesulfonic acid sodium aqueous solution (pH=4.5)/methanol(90/10,V/V);flow rate is 3.0 mL/min;column temperature is 30 ℃;indirect UV detection at 210 nm;inject volumn is 20 μL.Peaks(mg/L):1.[MEPi]+(30.8);2.[MPPi]+(32.0);3.[MBPi]+(33.0).

同系物的保留因子與碳原子數(shù)間存在碳數(shù)規(guī)律，表達(dá)式為:lgk=anC+b[4](式中k為保留因子，nC為同系物的碳原子數(shù))。在1.2.2色譜條件下測定3種哌啶陽離子[MEPi]+、[MPPi]+、[MBPi]+，將得到的3種哌啶陽離子的保留因子與其烷基側(cè)鏈的碳原子數(shù)作圖，其曲線線性方程為：lgk=0.2993nC-0.5297，相關(guān)系數(shù)r=0.9891。由方程可知，lgk和nC之間線性關(guān)系良好，表明在選定的色譜條件下，哌啶陽離子的保留符合碳數(shù)規(guī)律。

2.4 定量分析參數(shù)

通過上面的研究，在選定的色譜條件下，進(jìn)行分離測定[MEPi]+、[MPPi]+、[MBPi]+3種哌啶陽離子標(biāo)樣，色譜圖如圖3。3種哌啶陽離子在3 min內(nèi)可以達(dá)到基線分離。檢出限、線性和重現(xiàn)性數(shù)據(jù)見表3。表3中的定量參數(shù)說明本方法有較好的線性、檢出限和重現(xiàn)性，完全可以滿足哌啶離子液體的定量分析。

表3 線性回歸方程、檢出限及精密度

2.5 樣品分析

用上述實驗方法對實驗室自制備的2種實際離子液體樣品進(jìn)行分析檢測。包括[MEPi][Br]和[MBPi][Br]離子液體樣品。準(zhǔn)確稱取這兩種離子液體各0.1178 g和0.1328 g，用超純水溶解后，定容在100 mL容量瓶中，稱作濃溶液。再從上述制備好的兩種離子液體的濃溶液中分別取出1 mL，稀釋至25 mL 進(jìn)行色譜分析。稀釋液在進(jìn)行實驗前要經(jīng)0.22 μm濾膜過濾。本實驗采用標(biāo)準(zhǔn)加入法，通過測定加標(biāo)分析物來評估回收率，樣品分析結(jié)果和加標(biāo)回收率列于表4。表中數(shù)據(jù)為5次測定平均值，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差低于3.0%。結(jié)果說明，此方法準(zhǔn)確性高、精密度好，完全能滿足哌啶離子液體的定量分析要求。

表4 合成樣品中哌啶陽離子的回收率和分析結(jié)果(n=5)

3 結(jié)論

實現(xiàn)了以咪唑離子液體為流動相添加劑的整體柱離子對色譜與間接紫外檢測聯(lián)用測定不具有紫外光吸收的哌啶離子液體的方法。流動相中的咪唑離子液體既起到了背景紫外吸收試劑的作用，又改善了被測物質(zhì)的分離效果。在選定的色譜條件下，三種哌啶陽離子在3 min內(nèi)達(dá)到完全分離，檢出限低于1 mg/L。本方法簡便快速、準(zhǔn)確可靠，可以滿足哌啶離子液體陽離子的定量分析要求。