高效液相色譜-間接紫外檢測法分析吡咯烷離子液體陽離子的研究

溫欣竹，張小東，安 瑩，于 泓*

(1.哈爾濱師范大學 化學化工學院，黑龍江 哈爾濱 150025；2.黑龍江省齊齊哈爾礦產(chǎn)勘查開發(fā)總院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

離子液體是由較大體積的有機陽離子和較小體積的無機陰離子或有機陰離子組成的熔鹽，其在室溫下呈液態(tài)，具有優(yōu)異的物理化學性質(zhì)。離子液體種類繁多，在催化、有機合成、電化學、分析化學、食品加工等領域顯示出優(yōu)異的應用價值[1-6]。隨著離子液體應用的逐漸增加，離子液體的分析測定顯得尤為重要[7]。測定離子液體陽離子的主要方法有反相液相色譜法[8-10]、離子對色譜法[11-12]、離子色譜法[13-14]、親水作用色譜法[15-16]和毛細管電泳法[17]等。

現(xiàn)階段，有關分離測定離子液體陽離子的研究主要集中于咪唑與吡啶兩類陽離子。究其原因，主要是高效液相色譜中最常用的檢測器為紫外檢測器，咪唑與吡啶兩類離子液體陽離子對紫外光的吸收較強，可以采用紫外檢測器直接檢測。而吡咯烷類離子液體陽離子無紫外光吸收，不能直接進行紫外檢測，故其分離測定的相關報道較少[18-19]。對于無紫外吸收的物質(zhì)，可采用間接紫外檢測法測定，即通過在流動相中添加含有紫外光吸收基團的物質(zhì)，使無紫外光吸收基團的物質(zhì)在分離過程中可被紫外-可見光檢測器檢測。目前，無紫外光吸收的有機、無機陰陽離子是高效液相色譜-間接紫外檢測的主要分析對象[20-23]。

在前期研究基礎上[18-19]，本文以咪唑離子液體-離子對試劑/有機溶劑作為流動相，建立了用常規(guī)的反相C18色譜柱和紫外檢測器分離檢測無紫外吸收的[MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+吡咯烷離子液體陽離子的方法。與以往的研究[18-19]相比，本方法具有更好的普及和實用價值，同時發(fā)展了咪唑離子液體作為反相色譜-間接紫外檢測的背景紫外吸收試劑和淋洗劑。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

安捷倫1200系列高效液相色譜儀(美國Agilent公司)，配有DAD-G1315D型二極管陣列檢測器、Quat pump-G1311A型四元泵、TCC-G1316A型色譜柱溫箱、ALS-G1329A型自動進樣器、Degasser-G1322A型脫氣機和Rev.B.04.01色譜工作站；Simplicity純水系統(tǒng)(美國Millipore公司)；PHSF-3F型pH計(上海精密科學儀器有限公司)；DOA-P504-BN型無油真空泵(美國IDEX公司)；0.22 μm濾膜(上海市新亞凈化器件廠)。

溴化N-甲基-N-乙基吡咯烷([MEPy][Br])、溴化N-甲基-N-丙基吡咯烷([MPPy][Br])、溴化N-甲基-N-丁基吡咯烷([MBPy][Br])、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([EMIm][BF4])、1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([PMIm][BF4])、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIm][BF4])、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([AMIm][BF4])，純度均不低于99%，購于上海復捷化學有限公司；庚烷磺酸鈉、戊烷磺酸鈉(色譜純，天津市光復精細化工研究所)；甲醇、乙腈(色譜純，Dikma Technologies公司)；鄰苯二甲酸氫鉀、磺基水楊酸、煙酰胺、乙酸(分析純，北京百靈威科技有限公司)。

1.2 溶液制備

標準溶液：以超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)溶解稀釋吡咯烷離子液體，配制1 g/L的吡咯烷離子液體陽離子標準儲備液。移取一定量的上述標準儲備液，稀釋定容得到分析物的標準溶液(質(zhì)量濃度為30 mg/L)，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾待用。

流動相：用超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)配制流動相[PMIm][BF4]/庚烷磺酸鈉水溶液，用乙酸調(diào)至所需pH值。流動相水溶液和甲醇經(jīng)0.22 μm濾膜過濾，真空脫氣10 min后使用。

1.3 色譜分析條件

美國Agilent公司ZORBAX ODS色譜柱(150 mm × 4.6 mm i.d.,5 μm)，流動相為0.5 mmol/L [PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸鈉水溶液(pH 4.5)-甲醇(體積比80∶20)，紫外檢測波長為220 nm，流速為1.0 mL/min，柱溫為30 ℃，進樣體積為20 μL。

2 結果與討論

2.1 背景紫外吸收試劑及檢測波長的選擇

由于吡咯烷陽離子([MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+)無紫外-可見光吸收結構，不能進行直接檢測，本實驗將背景紫外吸收試劑添加到流動相中，通過間接檢測的方法進行分離檢測?？疾炝肃彵蕉姿釟溻洝⒒腔畻钏岷蜔燉０?種常用背景紫外吸收試劑對3種吡咯烷陽離子的檢測效果，但3種吡咯烷陽離子均未出峰，因此改用離子液體為背景紫外吸收試劑。在常見的離子液體中，咪唑離子液體陽離子含有共軛結構，因此具有較強的紫外吸收。以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]水溶液-甲醇(體積比70∶30)為流動相，在咪唑離子液體([EMIm][BF4])的最大吸收波長下(約為210 nm)進行吡咯烷陽離子的檢測，色譜圖中呈現(xiàn)出吡咯烷陽離子的色譜峰。故采用[EMIm][BF4]作為背景紫外吸收試劑。

紫外檢測器一般設定在待測物質(zhì)的最大吸收波長下進行檢測，但本實驗加入的其他試劑可能對目標物的檢測造成干擾，因此以0.5 mmol/L[EMIm][BF4]水溶液-甲醇(70∶30)為流動相，考察了檢測波長(200、210、220、230 nm)對吡咯烷陽離子檢測的影響。結果表明，檢測波長為220 nm時的基線穩(wěn)定，吡咯烷陽離子的色譜峰形較好，故選擇檢測波長為220 nm。

圖1 以4種咪唑離子液體為流動相得到的色譜圖Fig.1 Chromatograms presented with four imidazolium ionic liquids as the mobile phasesa.[EMIm][BF4]，b.[PMIm][BF4]，c.[BMIm][BF4]，d.[AMIm][BF4];peaks：1.[MEPy]+(29.4 mg/L)，2.[MPPy]+(30.8 mg/L),3.[MBPy]+(32.0 mg/L)

2.2 流動相組成的確定

2.2.1咪唑離子液體的影響分別以0.5 mmol/L的不同烷基咪唑離子液體-甲醇(70∶30)為流動相，考察了不同烷基鏈長的咪唑離子液體[EMIm][BF4]、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]、[AMIm][BF4]對待測物質(zhì)分離效果的影響。由圖1可知，3種吡咯烷陽離子的保留時間隨著咪唑陽離子烷基鏈的增長而縮短，以[EMIm][BF4]為流動相時保留時間最長，且[MBPy]+未出峰(曲線a)；以[BMIm][BF4]為流動相時的分離度較好，保留時間較短，但[MEPy]+峰與系統(tǒng)峰重疊(曲線c)；以[AMIm][BF4]為流動相時的保留時間過短，且系統(tǒng)峰、[MEPy]+和[MPPy]+峰未分開(曲線d)。綜合考慮選取[PMIm][BF4]作為流動相組分，系統(tǒng)峰對[MEPy]+不產(chǎn)生干擾，且3種分析物均出峰(曲線b)。

2.2.2有機溶劑的影響反相液相色譜常采用甲醇和乙腈作為有機溶劑?？疾炝梭w積比均為70∶30的0.5 mmol/L[PMIm][BF4](pH 4.0)-甲醇和0.5 mmol/L[PMIm][BF4](pH 4.0)-乙腈分別作為流動相對3種吡咯烷陽離子的分離效果。結果表明，以甲醇為有機溶劑時，3種吡咯烷陽離子的色譜峰較好，因此選擇甲醇為流動相的有機溶劑。

2.3 添加離子對試劑作為流動相分離測定吡咯烷陽離子

2.3.1離子對試劑的影響通過以上研究可知，以0.5 mmol/L[PMIm][BF4](pH 4.0)-甲醇(70∶30)為流動相可以分離檢測吡咯烷陽離子，但色譜峰拖尾、峰形展寬，因此實驗考察了在流動相中分別加入0.1 mmol/L的離子對試劑庚烷磺酸鈉和戊烷磺酸鈉時的分離檢測效果。結果表明，以戊烷磺酸鈉為離子對試劑時，[MEPy]+峰與系統(tǒng)峰未完全分離，且色譜圖基線不穩(wěn)定。而以庚烷磺酸鈉為離子對試劑時，分析物的色譜峰完全分離，且色譜峰形及拖尾情況得到改善，基線平穩(wěn)。因此選擇庚烷磺酸鈉為離子對試劑。

實驗還考察了流動相中庚烷磺酸鈉濃度(0.05、0.10、0.15、0.20 mmol/L)對3種分析物保留時間的影響。結果顯示，當庚烷磺酸鈉濃度逐漸增大時，3種分析物的保留時間增長，庚烷磺酸鈉的最佳濃度為0.15 mmol/L。綜上，選擇0.5 mmol/L[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸鈉(pH 4.0)-甲醇(70∶30)作為流動相。

2.3.2加入離子對試劑后4種咪唑離子液體對分析物的影響考察了在流動相中分別加入[EMIm][BF4]、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]和[AMIm][BF4]4種咪唑離子液體對3種分析物分離效果的影響，分別以0.5 mmol/L的上述4種咪唑離子液體/0.15 mmol/L庚烷磺酸鈉(pH 4.0)-甲醇(70∶30)為流動相進行分離測定。結果表明，4種咪唑離子液體對3種分析物的分離效果與“2.2.1”一致。并且3種吡咯烷陽離子的保留時間隨著咪唑陽離子烷基鏈的碳原子數(shù)增加而逐漸縮短，主要原因是烷基咪唑類離子液體陽離子的極性隨著碳原子數(shù)的增加而減小，導致分析物在反相色譜柱的保留時間縮短。表明咪唑離子液體作為流動相成分，既是背景紫外吸收試劑，又是改善分析物分離效果的有效組分。

以[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸鈉(pH 4.0)-甲醇(70∶30)為流動相，考察了[PMIm][BF4]濃度(0.3、0.5、1.0 mmol/L)對3種分析物分離效果的影響。結果表明，3種分析物的保留時間隨著[PMIm][BF4]濃度的增大而縮短，[PMIm][BF4]濃度為0.5 mmol/L時，3種分析物的峰形均較好，因此選擇[PMIm][BF4]的濃度為0.5 mmol/L。

2.3.3甲醇含量的影響以0.5 mmol/L[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸鈉(pH 4.0)-甲醇為流動相，考察了流動相中甲醇含量(10%、15%、20%、25%、30%)對分析物分離效果的影響。結果顯示，3種分析物的保留時間隨著甲醇含量的增加而縮短，且靈敏度得到提高，峰拖尾顯著改善。當甲醇含量為25%時,保留時間雖較短，但3種分析物間的分離度較小；當甲醇含量為30%時，[MEPy]+、[MPPy]+和系統(tǒng)峰的分離度較差。綜合考慮，選擇甲醇體積分數(shù)為20%。

2.3.4流動相pH值的影響以0.5 mmol/L[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸鈉-甲醇(80∶20)為流動相，考察了其pH值分別為3.0、3.5、4.0、4.5和4.8時3種分析物的分離效果。結果表明，當流動相的pH值逐漸增大時，3種分析物的保留時間略微延長，基線噪音先下降而后升高。在pH 3.0、3.5時，保留時間較短，但[MEPy]+與系統(tǒng)峰相連，產(chǎn)生干擾；在pH 4.0、4.5時，基線噪音略低，系統(tǒng)峰不干擾分析物峰，且pH 4.5時的[MBPy]+峰形較優(yōu)。綜合考慮，選擇流動相pH值為4.5。

2.4 吡咯烷陽離子的保留因子與烷基碳數(shù)的關系

同系物的保留因子與碳原子數(shù)之間遵循碳數(shù)規(guī)律，可用下式表示：lgk=αnC+β[9]，其中k為保留因子，nC為碳數(shù)。在“1.3”色譜條件下，以[MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+的保留因子與其碳原子數(shù)進行線性分析，得到方程lgk=0.238 5nC -0.222 8，相關系數(shù)(r)為0.997 3。表明[MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+的保留因子與其碳原子數(shù)之間呈較好的線性關系，符合碳數(shù)規(guī)律。

圖2 吡咯烷離子液體陽離子的標樣色譜圖Fig.2 Chromatogram of standard mixture solution for three pyrrolidinium ionic liquid cations1.[MEPy]+(29.4 mg/L);2.[MPPy]+(30.8 mg/L);3.[MBPy]+(32.0 mg/L)

2.5 定量分析參數(shù)

在最佳色譜條件下，對3種吡咯烷離子液體陽離子的混合標準溶液進行測定(圖2)，3種吡咯烷離子液體陽離子在13 min內(nèi)被分離檢測。以峰面積(y)對離子液體的質(zhì)量濃度(x，mg/L)求得線性回歸方程，以3倍信噪比(S/N=3)計算檢出限(LOD)；連續(xù)5次重復測定[MEPy]+(41.2 mg/L)、 [MPPy]+(43.1 mg/L)和[MBPy]+(44.8 mg/L)混合標樣，計算峰面積的相對標準偏差(RSD)。由表1可知,[MEPy]+、[MPPy]+、[MBPy]+的線性范圍分別為0.6～100 mg/L、1.3～230 mg/L和3.6～250 mg/L,相關系數(shù)大于0.999，檢出限不大于1.1 mg/L，RSD不大于1.5%。本方法的重現(xiàn)性、線性等均能滿足定量分析要求。

表1 吡咯烷陽離子的線性方程、相關系數(shù)、線性范圍、檢出限及相對標準偏差Table 1 Regression equations,correlation coefficients,linear ranges,LODs and RSDs of pyrrolidinium cations

2.6 樣品分析

采用本方法檢測實驗室合成的[MEPy][Br]、[MPPy][Br]、[MBPy][Br]離子液體樣品中的陽離子。分別稱取上述離子液體0.100 8、0.101 1、0.102 4 g，用超純水定容至100 mL后，分別取2.5 mL再定容至50 mL。該溶液過0.22 μm濾膜后進行色譜分析。以標準加入法測定回收率，實驗結果見表2。吡咯烷陽離子的回收率為92.2%～96.7%，RSD不大于1.5%，方法的準確度和精密度良好。

表2 吡咯烷陽離子樣品的分析結果及回收率(n=5)Table 2 Analysis results and recoveries of the pyrrolidinium cations samples(n=5)

3 結 論

本文建立了以咪唑離子液體/離子對試劑-有機溶劑為流動相，高效液相色譜-間接紫外檢測法分析測定同系物吡咯烷類離子液體陽離子的方法，并將此方法應用于吡咯烷離子液體樣品的實際檢測。咪唑離子液體作為流動相的添加劑，既是背景紫外吸收試劑，又是改善分析物分離效果的有效組分。在最佳色譜條件下，3種吡咯烷離子液體陽離子在13 min內(nèi)被有效地分離檢測；方法檢出限為0.2～1.1 mg/L，加標回收率為92.2%～96.7%。本方法準確、實用，符合樣品的定量分析要求。