離子對(duì)色譜－間接紫外檢測(cè)法分析哌啶離子液體陽(yáng)離子

王淼煜， 于 泓， 李 萍， 李 杰， 高玉鳳

（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（ionic liquid）是一種在室溫或近于室 溫的情況下以離子為主體的熔融鹽體系［1，2］?，F(xiàn)在主要研究的離子液體是由含氮有機(jī)雜環(huán)陽(yáng)離子（咪唑離子或吡啶離子等）和無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子構(gòu)成的新型離子液體［3－5］。離子液體具有許多突出的特點(diǎn)，這使其在催化、有機(jī)合成、電化學(xué)等領(lǐng)域［6－9］的應(yīng)用研究越來(lái)越受到人們的重視。因此離子液體的分離檢測(cè)顯得尤為重要?，F(xiàn)有的分離分析方法主要有反相高效液相色譜法［10－13］、離子色譜法［14－16］、離子對(duì)色譜法［17－19］、親水相互作用液相色譜法［20］等，其中所檢測(cè)的離子液體大部分是具有紫外吸收的咪唑類和吡啶類離子液體陽(yáng)離子［21，22］。而無(wú)紫外吸收的離子液體，如哌啶離子液體，其分離檢測(cè)方法的報(bào)道很少。

本實(shí)驗(yàn)發(fā)展了無(wú)紫外光吸收的哌啶離子液體陽(yáng)離子的整體柱離子對(duì)色譜－間接紫外檢測(cè)法。研究了影響其保留的因素和保留規(guī)律，建立了離子對(duì)色譜－間接紫外檢測(cè)法分離測(cè)定哌啶離子液體陽(yáng)離子的方法，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室合成的離子液體的分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

1200高效液相色譜儀（美國(guó)Agilent公司），配備G1311A型四元泵、Degasser－G1322A型在線脫氣機(jī)、G1329A標(biāo)準(zhǔn)型自動(dòng)進(jìn)樣器、G1316A型柱溫箱、Revision B.04.01色譜工作站和G1315B DAD檢測(cè)器；PHSF－3F型pH計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；Simplicity純水系統(tǒng)（美國(guó) Millipore公司）；0.22μm 濾 膜；DOA－P504－BN 型 無(wú) 油 真 空 泵（IDEX 公司）。

離子液體：溴化 N－甲基－N－乙基哌啶（［MEPi］Br）（純度99%）；溴化 N－甲基－N－丙基哌啶（［MPPi］Br）（純度 99%）；溴 化 N－甲基－N－丁基 哌 啶（［MBPi］Br）（純度99%）（上海成捷化學(xué)有限公司）。對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽、5－磺基水楊酸、煙酰胺和鄰苯二甲酸氫鉀（分析純，北京百靈威科技有限公司）。乙酸、氫氧化鈉（分析純，上海試劑一廠）。甲醇、乙腈（色譜純，Dikma Technologies公司）。庚烷磺酸鈉、戊烷磺酸鈉（色譜純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）。配制溶液均采用電阻率18.2 MΩ·cm的超純水。

1.2 溶液配制

1.2.1 流動(dòng)相的配制和處理

用超純水配制一定濃度的對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－庚烷磺酸鈉水溶液。實(shí)驗(yàn)所用對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－庚烷磺酸鈉水溶液、甲醇、乙腈和去離子水經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后使用。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

用超純水分別配制3種哌啶離子液體質(zhì)量濃度為1 000 mg／L的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，取3種離子液體的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液各5 mL定容于同一100 mL容量瓶中，配制成質(zhì)量濃度為50 mg／L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，置于樣品瓶中備用。

1.3 色譜分析

色譜柱：Chromolith Speed ROD RP－18e（100 mm×4.6 mm，德國(guó) Merck公司）；流動(dòng)相：0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）；間接紫外檢測(cè)波長(zhǎng)：210 nm；流速：1.0 mL／min；柱溫：30℃；進(jìn)樣體積：20μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件的優(yōu)化

2.1.1 背景紫外吸收試劑的選擇

由于哌啶離子液體陽(yáng)離子無(wú)紫外吸收，因此在進(jìn)行間接紫外檢測(cè)時(shí)，流動(dòng)相需要添加紫外吸收試劑。常用的紫外吸收試劑有對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽、磺基水楊酸、鄰苯二甲酸氫鉀和煙酰胺等。實(shí)驗(yàn)考察了這4種紫外吸收試劑在各自最大吸收波長(zhǎng)對(duì)哌啶類離子液體陽(yáng)離子的檢驗(yàn)。分別以0.5 mmol／L背景紫外吸收試劑水溶液（用乙酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH 4.5）／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相，在其相應(yīng)最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定3種哌啶離子液體陽(yáng)離子（MEPi、MPPi、MBPi），結(jié)果均無(wú)色譜峰出現(xiàn)。

考慮到在流動(dòng)相中加入適當(dāng)?shù)碾x子對(duì)試劑對(duì)測(cè)定有一定的影響，實(shí)驗(yàn)又在流動(dòng)相中加入離子對(duì)試劑進(jìn)行考察。當(dāng)以0.5 mmol／L背景紫外吸收試劑－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液（pH4.5）／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相時(shí)，在各自最大吸收波長(zhǎng)下進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅在對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－庚烷磺酸鈉水溶液為流動(dòng)相時(shí)，哌啶類離子液體陽(yáng)離子有色譜峰出現(xiàn)，且色譜峰形較好。因此選定對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽為背景紫外吸收試劑。

2.1.2 檢測(cè)波長(zhǎng)的選擇

對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽的最大吸收波長(zhǎng)約為240 nm。實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試波長(zhǎng)（200、210、220、230、240、250 nm）的變化對(duì)測(cè)定的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在210 nm時(shí)基線噪聲值最小，峰形最好。故選擇210 nm。

2.1.3 離子對(duì)試劑對(duì)哌啶陽(yáng)離子保留的影響

較為常見(jiàn)的離子對(duì)試劑有庚烷磺酸鈉和戊烷磺酸鈉。實(shí)驗(yàn)分別以0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L戊烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）和 0.5 mmol／L 對(duì) 氨 基 苯 酚 鹽 酸 鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相分離3種哌啶陽(yáng)離子（見(jiàn)圖1）。當(dāng)使用戊烷磺酸鈉為離子對(duì)試劑時(shí)，看不到3種哌啶陽(yáng)離子的色譜峰。

在選定離子對(duì)試劑為庚烷磺酸鈉后，又考察了庚烷 磺 酸 鈉 濃 度 從 0.05 mmol／L 增 大 至 0.3 mmol／L時(shí)對(duì)分離測(cè)定哌啶陽(yáng)離子的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯S著庚烷磺酸鈉濃度的增大，3種哌啶陽(yáng)離子的保留時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，這符合離子對(duì)色譜的保留規(guī)律。在濃度為0.05 mmol／L時(shí)，雖然保留時(shí)間較短，但是MEPi的色譜峰與系統(tǒng)峰有部分重疊。因此選擇庚烷磺酸鈉的濃度為0.1 mmol／L，此時(shí)哌啶陽(yáng)離子的保留時(shí)間較短、峰形較好。

圖1 分別使用離子對(duì)試劑（a）戊烷磺酸鈉和（b）庚烷磺酸鈉得到的色譜圖Fig.1 Chromatograms obtained using ion－pair reagents of（a）1－pentanesulfonic acid sodium and（b）1－h(huán)eptanesulfonic acid sodium

2.1.4 對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽濃度對(duì)哌啶陽(yáng)離子保留的影響

以對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相，考察了對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽濃度分別為0.3、0.5、0.7、1.0 mmol／L時(shí)，對(duì)分離測(cè)定3種哌啶陽(yáng)離子的影響，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯S著對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽濃度的增大，保留時(shí)間略有縮短，檢出限增大。引起檢出限增大的主要原因是：對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽作為背景紫外吸收試劑，當(dāng)其濃度增加時(shí)，背景吸收增加，導(dǎo)致基線噪聲值增大。由于在對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽濃度為0.3 mmol／L時(shí)，系統(tǒng)峰干擾 MBPi的測(cè)定，因此選擇對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽的濃度為0.5 mmol／L。

圖2 用0.05～0.3 mmol／L庚烷磺酸鈉作為流動(dòng)相得到的色譜圖Fig.2 Chromatograms obtained using0.05－0.3 mmol／L 1－h(huán)eptanesulfonic acid sodium as mobile phases Other chromatographic conditions and peak marks as in Fig.1.

表1 流動(dòng)相中對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽濃度與保留時(shí)間、檢出限的關(guān)系Table 1 Relationships between the mobile phases containing different concentrations of 4－aminophenol hydrochloride and retention times and detection limits of piperidinium cations

2.1.5 流動(dòng)相水溶液pH值對(duì)哌啶陽(yáng)離子保留的影響

以0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相，考察流動(dòng)相水溶液pH值（乙酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)）分別為3、3.5、4.0、4.5（此流動(dòng)相未調(diào)pH 時(shí)的自身值）和5.0時(shí)對(duì)分離測(cè)定3種哌啶陽(yáng)離子的影響。結(jié)果表明，隨著流動(dòng)相水溶液的pH值增大，基線噪聲值降低，保留時(shí)間在pH3到4.5時(shí)逐漸延長(zhǎng)，在pH為5時(shí)縮短，但總體變化不大。因此，選擇流動(dòng)相水溶液pH值為4.5，即流動(dòng)相不需調(diào)節(jié)pH值。

2.1.6 有機(jī)溶劑對(duì)哌啶陽(yáng)離子保留的影響

甲醇和乙腈是反相液相色譜流動(dòng)相中常用的有機(jī)溶劑，實(shí)驗(yàn)分別以0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）和0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／乙腈（80∶20，v／v）為流動(dòng)相分離測(cè)定3種哌啶陽(yáng)離子，色譜圖見(jiàn)圖3?？梢钥闯觯?dāng)選用乙腈作為有機(jī)溶劑時(shí)，看不到3種哌啶陽(yáng)離子的色譜峰?？赡茉蚴且译鎸?duì)哌啶陽(yáng)離子的洗脫能力強(qiáng)，使哌啶陽(yáng)離子的保留時(shí)間明顯縮短，與系統(tǒng)峰重合，辨別不出。因此選擇甲醇為流動(dòng)相的有機(jī)組分。

圖3 分別使用含有有機(jī)溶劑（a）乙腈和（b）甲醇的流動(dòng)相獲得的色譜圖Fig.3 Chromatograms obtained with mobile phases containing organic solvents of （a）acetonitrile and（b）methanol

選定甲醇作為有機(jī)溶劑后，以0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇為流動(dòng)相，考察流動(dòng)相中甲醇體積分?jǐn)?shù)變化（10%、15%、20%、25%）對(duì)哌啶陽(yáng)離子分離測(cè)定的影響。結(jié)果表明，在甲醇體積分?jǐn)?shù)為15%和20%時(shí)，3種哌啶陽(yáng)離子的檢出限最低，并且僅當(dāng)甲醇體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，MEPi的色譜峰與系統(tǒng)峰分開(kāi)，峰形最好。因此選擇甲醇體積分?jǐn)?shù)為20%。

在液相色譜中，分析物的保留因子與流動(dòng)相中有機(jī)溶劑（乙腈或甲醇）含量之間有如下關(guān)系：lg k＝cφ（MeOH）＋d［9］。式中k 是分析物的保留因子，φ（MeOH）是流動(dòng)相中甲醇的體積分?jǐn)?shù)。將3種哌啶陽(yáng)離子保留因子的對(duì)數(shù)值lg k與流動(dòng)相中甲醇的體積分?jǐn)?shù)值φ（MeOH）作圖，所得曲線的線性回歸數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可知，lg k與φ（MeOH）之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，表明這3種哌啶陽(yáng)離子的保留符合反相液相色譜模式。

表2 哌啶陽(yáng)離子的lg k與流動(dòng)相中甲醇體積分?jǐn)?shù)φ（MeOH）之間關(guān)系曲線的線性回歸方程Table 2 Linear equations for the lg k vsφ（MeOH）obtained with the retention of piperidinium cations

2.1.7 流速對(duì)測(cè)定哌啶陽(yáng)離子的影響

以0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相，考察流速為1.0、2.0、3.0 mL／min時(shí)對(duì)3種哌啶陽(yáng)離子保留時(shí)間、柱效和柱壓的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，隨著流速的增加，哌啶陽(yáng)離子的保留時(shí)間縮短，柱壓逐漸增大。由于在流速1.0 mL／min時(shí)，3種哌啶陽(yáng)離子的保留時(shí)間已經(jīng)比較短（最長(zhǎng)的不到3.6 min），雖然提高流速會(huì)使保留時(shí)間進(jìn)一步縮短，但亦使MEPi的色譜峰與系統(tǒng)峰靠得太近，產(chǎn)生干擾，而且當(dāng)流速為3.0 mL／min時(shí)，柱壓將接近色譜柱的極限壓力20 MPa，所以本實(shí)驗(yàn)的適宜流速是1.0 mL／min。如只測(cè)定 MBPi組分，可以提高流速。

表3 流速對(duì)柱壓、離子保留時(shí)間和柱效的影響Table 3 Effect of flow rate on column back－pressure，retention time of ions and column efficiency

2.1.8 色譜柱溫度對(duì)哌啶陽(yáng)離子保留的影響

流速為1.0 mL／min，以0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相，考察柱溫為20、25、30、35、40℃時(shí)對(duì)哌啶離子保留時(shí)間的影響。結(jié)果可知，隨著柱溫的逐漸升高，3種哌啶陽(yáng)離子的保留時(shí)間均縮短；MEPi的保留時(shí)間從2.364 min逐漸縮短至2.134 min，MPPi的保留時(shí)間從2.707 min縮短至2.388 min，MBPi的保留時(shí)間從3.836 min縮短至3.224 min，總體影響不大。因此，實(shí)驗(yàn)選取接近室溫的30℃為適宜的溫度。

2.2 定量分析參數(shù)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，選擇最佳色譜條件為：用Chromolith Speed ROD RP－18e反相硅膠整體柱，以0.5 mmol／L對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－0.1 mmol／L庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇（80∶20，v／v）為流動(dòng)相，間接紫外檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm，流速1.0 mL／min，柱溫30℃。在此條件下，對(duì)3種哌啶陽(yáng)離子系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，色譜圖見(jiàn)圖1b。

采用峰面積定量，以峰面積（積分值）對(duì)離子質(zhì)量濃度（mg／L）求得線性回歸方程，以3倍信噪比計(jì)算檢出限（噪聲為0.310 6 mAU），連續(xù)5次重復(fù)測(cè)定 MEPi（30.81 mg／L）、MPPi（32.02 mg／L）和MBPi（33.09 mg／L）混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），得到檢出限、線性關(guān)系和重現(xiàn)性數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 3種哌啶陽(yáng)離子的線性回歸方程、檢出限及精密度Table 4 Linear regression equations，limits of detection（LOD）and relative standard deviations（RSDs）of the three piperidinium cations

2.3 樣品分析

采用本方法測(cè)定了3種化學(xué)實(shí)驗(yàn)室合成的離子液體溴化N－甲基－N－乙基哌啶、溴化N－甲基－N－丙基哌啶和溴化 N－甲基－N－丁基哌啶中的陽(yáng)離子。分別準(zhǔn)確稱取0.101 1 g溴化 N－甲基－N－乙基哌啶、0.100 7 g溴化 N－甲基－N－丙基哌啶和0.101 4 g溴化N－甲基－N－丁基哌啶離子液體，配成100 mL溶液。分別取2.5 mL溴化N－甲基－N－乙基哌啶、2.5 mL溴化 N－甲基－N－丙基哌啶和2.5 mL溴化N－甲基－N－丁基哌啶濃溶液稀釋至50 mL。稀釋液經(jīng)0.22μm濾膜過(guò)濾后進(jìn)行色譜分析，色譜圖見(jiàn)圖4。采用標(biāo)準(zhǔn)加入法檢驗(yàn)了方法的回收率，樣品分析結(jié)果及回收率數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。表中數(shù)據(jù)為5次測(cè)定平均值，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.5%。

圖4 離子液體樣品的色譜圖Fig.4 Chromatograms of ionic liquid samples

表5 樣品分析結(jié)果及加標(biāo)回收率（n＝5）Table 5 Analytical results and spiked recoveries of piperidinium cations in samples（n＝5）

3 結(jié)論

本工作建立了以對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽為背景紫外吸收試劑的整體柱離子對(duì)色譜－間接紫外檢測(cè)快速分析無(wú)紫外光吸收的哌啶類離子液體陽(yáng)離子的方法。采用反相硅膠整體柱，以對(duì)氨基苯酚鹽酸鹽－庚烷磺酸鈉水溶液／甲醇為流動(dòng)相，N－甲基－N－乙基哌啶陽(yáng)離子、N－甲基－N－丙基哌啶陽(yáng)離子和 N－甲基－N－丁基哌啶陽(yáng)離子在4 min之內(nèi)達(dá)到基線分離；3種哌啶陽(yáng)離子的檢出限均低于0.1 mg／L。將該方法應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室合成的哌啶離子液體的分析，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。本方法簡(jiǎn)便、快速，重現(xiàn)性、線性關(guān)系等均能滿足哌啶類離子液體陽(yáng)離子的定量分析要求。

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