专利名称：表面接枝型阴离子色谱固定相的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种阴离子色谱柱及其制备方法，特别是涉及表面接枝型阴离子色谱固定相的制备方法。
背景技术：
离子色谱(简称IC)属于高效液相色谱的一种，随着色谱技术的普及，正逐步应用到各个领域，现己在环境监测、电力和能源行业、食品饮料行业、电子行业、生命科学领域、化学工业和制药行业等得到广泛的应用。1975年H. Small及其合作者发表了第一篇离子色谱论文，同年商品仪器问世。离子色谱分离方式可以分为高效离子交换色谱、离子排斥色谱和离子对色谱。离子色谱具有快速、灵敏、选择性好和同时测定多组分的优点，现己成为一种分析阴、阳离子和部分有机物以及生物样品中的糖类、氨基酸、肽、蛋白质等最有效的工 具。与其它类型的色谱分析方法相比，离子色谱的发展速度飞快而且仍有巨大的发展空间。离子色谱填料由不溶性基质和固定的带电离子部分组成，其选择性主要取决于色谱固定相的性质。目前，在离子色谱领域广泛应用的固定相主要包含无机基质和聚合物基质两种。硅胶基质具有优异的力学性能和易于化学修饰的特点，被广泛用于离子色谱固定相体系。但硅胶基质填料最大的不足是其耐受PH值范围有限(通常为2-8);聚合物固定相包括苯乙烯-二乙烯基苯和聚甲基丙烯酸酯类聚合物，往往可以耐受更广泛的PH值范围。其主要缺点在于刚性和耐有机溶剂方面性能较差，进而导致其有限的耐压性及溶胀现象。离子色谱填料离子化的修饰方法主要可分为四种(I)通过疏水吸附作用将两性物质涂覆在基球的表面进行离子化；(2)通过化学修饰如浓硫酸磺化作用，直接在基球的表面进行离子化；(3)将具有较大分子量的化合物通过化学反应与树脂键合，然后对大分子进行修饰；(4)由带有功能基的单层乳胶以静电作用力附着在基质微球上。现在应用最广的色谱填料是乳胶附聚型的色谱填料，表面附聚型阴离子色谱填料具有分离效率高，分析速度快的优点，然而其同时具有制备工艺复杂，填料球径不均匀，阴离子色谱柱的柱容量小，不耐酸碱等弱点。
发明内容
本发明正是针对无机基质填料不耐酸碱，化学稳定性差，容易产生非特异性和不可逆吸附以及有机基质填料刚性不高，孔结构复杂，容易产生膨胀和收缩等缺点，对现有技术进行了改进，提供一种新型的表面接枝型阴离子色谱固定相制备的方法。本发明具有制备工艺简单，填料球径均匀，交换容量可控制，耐酸碱性强等优点。本发明提供表面接枝型色谱固定相的制备方法，包括单分散种子的制备和表面接枝型色谱固定相的制备，本发明的具体技术方案如下
本发明提供的表面接枝型阴离子色谱固定相的制备方法，采用分散聚合法制备单分散的线性聚苯乙烯微球种子，将种子活化后，采用单步种子溶胀法，合成聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，抽提除去致孔剂；采用多步接枝合成法，以甲胺和1，4-丁二醇二缩水甘油醚为原料，在制得的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球表面引入大量带正电荷的季铵基作为阴离子交换功能基团；用匀浆法装柱，具体制备步骤为
a.采用分散聚合法合成单分散的线性聚苯乙烯微球种子
以苯乙烯为单体，聚乙烯吡咯烷酮作为稳定剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在乙醇和水的混合反应介质中通过自由基聚合生成单分散的线性聚苯乙烯微球种子，种子粒径在f 3 μ m之间，粒径均匀，无需分级；
b.采用单步种子溶胀法合成聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球将邻苯二甲酸二丁酯与合成的单分散线性聚苯乙烯微球混合使种子活化，搅拌均匀
后加入单体苯乙烯，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯，交联剂二乙烯基苯，乳化剂十二烷基硫酸钠，稳定剂聚乙烯醇，引发剂过氧化苯甲酰和致孔剂甲苯进行溶胀；而后加热引发反应使单体聚合，制备得到单分散的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球；聚合物微球采用去离子水、乙醇清洗，烘干后需经过甲苯抽提除去乳化剂、稳定剂等；
c.采用多步合成法修饰聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球
将胺基化试剂甲胺与合成的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球充分混合，然后加热引发反应；随后用去离子水清洗微球，加入季铵化试剂1，4-丁二醇二缩水甘油醚，然后加热引发反应；重复以上胺基化与季铵化的步骤，通过调节重复的次数可改变表面带电有机物的层数，从而控制色谱填料的离子交换容量；用去离子水清洗，匀浆法装柱。本发明在单分散的线性聚苯乙烯微球种子合成中，反应介质为乙醇水溶液，浓度为75 100% (v/v)，单体苯乙烯的浓度为总量的5 30% (m/m)，稳定剂聚乙烯吡咯烷酮用量为反应介质的0.5 4% (m/v)，引发剂偶氮二异丁腈用量为单体用量的f 5% (m/m)，反应温度为4(T85°C，搅拌速度在10(Γ400转/分钟，反应时间为8 24小时。本发明在单步种子溶胀法合成聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球的过程中，单体苯乙烯浓度为总有机相的1(T20% (m/m)，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯浓度为总有机相的2 4% (m/m)，通过调节交联剂二乙烯基苯的用量使复合微球的交联度变化范围为1(T75% (m/m)，乳化剂十二烷基硫酸钠用量占总有机相的2 4%(m/m)，稳定剂聚乙烯醇用量为总量的O. 5^5% (m/m)，引发剂过氧化苯甲酰用量为单体用量的O. Π. 5%(m/m)，致孔剂甲苯用量为总有机相的2(T70%(m/m)，溶胀比为10 70倍，乳化温度为2(T35°C，反应温度6(T85°C，搅拌速度10(Γ300转/分钟，反应时间12 48小时，合成的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯基球的粒径分布很窄粒径范围在6-8 μ m之间，所合成的基球均匀高，无需进行分级和筛分(如图I所示)。本发明所述的基球的粒度是通过致孔剂、交联剂、分散稳定剂溶度、溶胀温度、反应温度、弓I发剂浓度以及溶胀比的选择来控制的。本发明在多步合成法修饰聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球的过程中，以甲胺及1，4- 丁二醇二缩水甘油醚为反应原料，胺基化试剂甲胺的浓度为4 10%(ν/ν)，季铵化试剂1，4-丁二醇二缩水甘油醚的浓度为1(Γ30%(ν/ν)，交替重复胺基化与季铵化的步骤，修饰后的微球如图2所示。通过调节重复的次数可改变表面带电有机物的层数，从而控制色谱填料的离子交换容量。
本发明提供的表面接枝型聚合物色谱柱，是以聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球为基质，在微球表面化学共价键合大量季铵基正电荷作为阴离子交换功能团。作为一种改进方法，本发明制备得到的表面接枝型色谱柱能够长期稳定地应用于离子交换色谱中，较好地实现F_，Cl_，NO2-, Br_，N03_，S042_，P043_等常规无机阴离子的分离；与乳胶附聚型色谱填料相比，各离子尤其是氟离子能够与水负峰得到很好的分离。本发明具有如下优点
本发明提供的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球制备方法，成本低，工艺简单，制备的填料粒度均匀无需筛分，粒径分布窄。本发明提供的多步合成法进行表面接枝季铵化修饰，色谱填料的离子交换容量可以按需控制，用于制备不同交换容量的离子色谱柱；制备得到的表面接枝型色谱柱能够长期稳定地应用于离子交换色谱，较好地实现F_，Cl_，NO2-, Br_，N03_，S042_，P043_的分离； 与乳胶附聚型色谱填料相比，各离子尤其是氟离子能够与水负峰得到很好的分离。本发明提供的表面接枝型聚合物色谱填料具有色谱性能稳定，离子选择性好，分离效率高等特点；采用聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球为基质，化学稳定性更好，能够耐受宽广的pH值范围。
图I是聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯填料微球放大10000倍的扫描电镜 图2是表面接枝型聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯苯填料微球放大10000倍的扫描电镜 图3是七种常规阴离子的分离色谱图 3 中，I-F- (2ppm)，2-CF(4ppm)，3-NOf (IOppm)，4-Br_(IOppm)，5-NOf (IOppm)，6_S042 (IOppm), 7_P043 (IOppm)。
具体实施例方式实施例I :表面接枝型聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯填料的制作过程如下，其步骤为
1、先通过分散聚合法合成粒径广3μ m单分散线性聚苯乙烯种子，反应介质为乙醇水溶液，浓度为75 100% (v/v)，单体苯乙烯的浓度为总量的5 30% (m/m)，稳定剂聚乙烯吡咯烷酮用量为反应介质的O. 5 4%(m/v)，引发剂偶氮二异丁腈用量为单体用量的f5%(m/m)，反应温度4(T85°C，搅拌速度在10(Γ400转/分钟，反应时间8 24小时；
2、然后通过种子溶胀法制备得到交联度为1(Γ75%的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球。单体苯乙烯浓度为总有机相的1(T20% (m/m)，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯浓度为总有机相的2 4% (m/m)，通过调节交联剂二乙烯基苯的用量使复合微球的交联度变化范围为1(T75% (m/m)，乳化剂十二烷基硫酸钠用量占总有机相的2 4%(m/m)，稳定剂聚乙烯醇用量为总量的O. 5^5% (m/m)，引发剂过氧化苯甲酰用量为单体CN 102941074 A
书
明
说
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用量的O. Π. 5%(m/m)，致孔剂甲苯用量为总有机相的2(T70%(m/m)，溶胀比为10 70倍，乳化温度为2(T35°C，反应温度6(T85°C，搅拌速度10(Γ300转/分钟，反应时间12 48小时，得到均匀的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球颗粒，球径为6 8 μ m，无需筛分和分级，将聚合物微球用甲苯抽提除去致孔剂，然后用水，乙醇洗净；
3、以甲胺及1，4-丁二醇二缩水甘油醚为反应原料，采用多步合成法修饰聚苯乙烯-二 乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，胺基化试剂甲胺的浓度为Γ10% (ν/ν)，季铵化试剂1，4- 丁二醇二缩水甘油醚的浓度为1(Γ30% (ν/ν)，胺基化与季铵化的步骤重复一遍；
4、将表面接枝的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯填料用水，乙醇洗净，即得所需填料，制得的填料用匀浆法装柱；
5、采用氢氧化钾水溶液作为流动相，流速为ImL/min，采用抑制电导检测器对常规阴离子进行检测。实施例2 :参照实施例I的方法和步骤
1、先通过分散聚合法合成粒径I.8 μ m单分散聚苯乙烯种子，单体苯乙烯的浓度为总量的25% (m/m)，稳定剂聚乙烯吡咯烷酮用量为反应介质的I. 6% (m/v)，引发剂偶氮二异丁腈用量为单体用量的2. 2% (m/m),反应介质为90%乙醇水溶液，反应温度80°C，搅拌速度在300转/分钟，反应时间24小时；
2、然后通过种子溶胀法制备得到交联度为50%的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球。单体苯乙烯浓度为14% (m/m)，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯浓度为总有机相的3% (m/m)，乳化剂十二烷基硫酸钠用量为2. 5%(m/m)，稳定剂聚乙烯醇用量为I. 5% (m/m),引发剂过氧化苯甲酰用量为O. 8%(m/m)，致孔剂甲苯用量为50%(m/m)，溶胀比为55倍，乳化温度为20°C，反应温度80°C，搅拌速度10(Γ300转/分钟，反应时间48小时，将聚合物微球用甲苯抽提除去致孔剂，然后用水，乙醇洗净；
3、以甲胺及1，4-丁二醇二缩水甘油醚为反应原料，采用多步合成法修饰聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，胺基化试剂甲胺的浓度为Γ10% (ν/ν)，季铵化试剂1，4- 丁二醇二缩水甘油醚的浓度为1(Γ30% (ν/ν)，胺基化与季铵化的步骤重复二遍；
4、将表面接枝的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯填料用水，乙醇洗净，即得所需填料，制得的填料用匀浆法装柱；
5、用实施例1(5)方法对阴离子进行测定，结果与I(5)相一致。实施例3
1、先通过分散聚合法合成粒径I.8 μ m单分散聚苯乙烯种子，单体苯乙烯的浓度为总量的25% (m/m)，稳定剂聚乙烯吡咯烷酮用量为反应介质的I. 6% (m/v)，引发剂偶氮二异丁腈用量为单体用量的2. 2% (m/m),反应介质为90%乙醇水溶液，反应温度80°C，搅拌速度在300转/分钟，反应时间24小时；
2、然后通过种子溶胀法制备得到交联度为50%的单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，单体苯乙烯浓度为14% (m/m)，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯浓度为总有机相的2% (m/m)，乳化剂十二烷基硫酸钠用量为2. 5%(m/m)，稳定剂聚乙烯醇用量为
I.5% (m/m),引发剂过氧化苯甲酰用量为O. 8%(m/m)，致孔剂甲苯用量为50%(m/m)，溶胀比为55倍，乳化温度为20°C，反应温度80°C，搅拌速度10(Γ300转/分钟，反应时间48小时，将聚合物微球用甲苯抽提除去致孔剂，然后用水，乙醇洗净；
73、以甲胺及1，4-丁二醇二缩水甘油醚为反应原料，采用多步合成法修饰聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，胺基化试剂甲胺的浓度为4% (v/v)，季铵化试剂1，4-丁二醇二缩水甘油醚的浓度为10% (v/v)，胺基化与季铵化的步骤重复三遍；
4、将表面接枝的聚苯乙烯-二乙烯基苯填料用水，乙醇洗净，即得所需填料，制得的填料用匀浆法装柱；
5、用实施例1(5)方法对阴离子进行测定，结果与I(5)相一致。实施例4 :色谱柱性能测试
仪器Dionex ICS 2000 离子色谱仪，Dionex 电导检测器，Dionex ASRS-ULTRA (4mm)自再生抑制器；
试样F_，CF, N02_，Br^, N03_，S042—，P043_ (均为分析纯)；
淋洗液氢氧化钾水溶液；
分离柱自制的填料填装于4. 6 X 150mm不锈钢柱；
流速1 mL/min。参见附图3，为七种常规阴离子的色谱图，色谱图中l-r(2ppm)，2-Cr(4ppm)，3-NO2- (IOppm), 4-Br- (IOppm), 5-N03 (IOppm), 6-S042 (IOppm), 7-PO43 (IOppm)。下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明
图I是聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球的扫描电镜图(放大10000倍)，通过对扫描电镜图的观察，合成的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯基球的粒径分布很窄且粒径范围在6-8 μ m之间，所合成的基球均匀高，无需进行分级和筛分。图2是表面接枝型聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球的扫描电镜图(放大10000倍)，通过对扫描电镜图的观察，多步接枝季铵化修饰后的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯基球未受损坏，保持较好的完整性。图3是七种常规阴离子的色谱图，以Dionex ICS 2000离子色谱仪，配Dionex电导检测器和Dionex ASRS-ULTRA (4mm)自再生抑制器,对自制的离子色谱柱进行性能检测。色谱图中 I-F- (2ppm)，2_Cr (4ppm)，3-NO2^(IOppm)，4-Br- (IOppm)，5-N03 (IOppm)，6-S042_ (IOppm), 7-PO43-(IOppm)能够得到基线分离,尤其是氟离子能够与水负峰完全分离，可满足分析时的定性与定量检测要求。
权利要求
1.一种表面接枝型阴离子色谱固定相的制备方法，其特征是以聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯为基质，采用分散聚合法制备得到单分散的线性聚苯乙烯微球种子，将种子活化后，采用单步种子溶胀法，合成聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，抽提除去致孔剂；采用多步合成法，以甲胺和1，4-丁二醇二缩水甘油醚为原料，在制得的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球表面引入大量带正电荷的季铵基作为阴离子交换功能基团；用匀浆法装柱，具体制备步骤为 a.采用分散聚合法合成单分散的线性聚苯乙烯微球种子 以苯乙烯为单体，聚乙烯吡咯烷酮作为稳定剂，偶氮二异丁腈为引发剂，在乙醇和水的混合反应介质中通过自由基聚合生成单分散的线性聚苯乙烯微球种子，种子粒径在f 3 μ m之间，粒径均匀，无需分级； b.采用单步种子溶胀法合成聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球 将邻苯二甲酸二丁酯与合成的单分散线性聚苯乙烯微球混合使种子活化，搅拌均匀后加入单体苯乙烯，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯，交联剂二乙烯基苯，乳化剂十二烷基硫酸钠，稳定剂聚乙烯醇，引发剂过氧化苯甲酰和致孔剂甲苯进行溶胀；而后加热引发反应使单体聚合，制备得到单分散的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球；聚合物微球采用去离子水、乙醇清洗，烘干后需经过甲苯抽提除去乳化剂、稳定剂； c.采用多步合成法修饰聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球 将胺基化试剂甲胺与合成的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球充分混合，然后加热引发反应；随后用去离子水清洗微球，加入季铵化试剂1，4-丁二醇二缩水甘油醚，然后加热引发反应；重复以上胺基化与季铵化的步骤，通过调节重复的次数可改变表面带电有机物的层数，从而控制色谱填料的离子交换容量；用去离子水清洗，匀浆法装柱。
2.根据权利要求I所述的表面接枝型阴离子色谱填料的制备方法，其特征是所述的步骤(a)中，单体苯乙烯的质量m为总质量m的5 30%，稳定剂聚乙烯吡咯烷酮的质量m为反应介质体积V的O. 5 4%，引发剂偶氮二异丁腈的质量m为单体质量m的1、％,反应介质为乙醇水溶液，体积V浓度为75 100%，反应温度为4(T85°C，搅拌速度在10(Γ400转/分钟，反应时间为8 24小时。
3.根据权利要求I所述的表面接枝型阴离子色谱填料的制备方法，其特征是所述的步骤(b)中，单体苯乙烯质量m为总有机相质量m的1(Γ20%，单体甲基丙烯酸缩水甘油酯质量m为总有机相质量m的2 4%，通过调节交联剂二乙烯基苯的用量使复合微球的交联度质量m浓度变化范围为1(Γ75%，乳化剂十二烷基硫酸钠质量m占总有机相质量m的2 4%，稳定剂聚乙烯醇质量m为总质量m的O. 5 5%，引发剂过氧化苯甲酰质量m为单体质量m的O.ri. 5%，致孔剂甲苯质量m为总有机相质量m的20 70%，溶胀比为1(Γ70倍，乳化温度为20^350C，反应温度6(T85°C，搅拌速度10(Γ300转/分钟，反应时间12 48小时，合成的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯基球的粒径分布很窄粒径范围在6-8 μ m之间，所合成的基球均匀高，无需进行分级和筛分。
4.根据权利要求3所述的表面接枝型阴离子色谱填料的制备方法，其特征是所述的基球的粒度是通过致孔剂或交联剂或分散稳定剂溶度或溶胀温度或反应温度或引发剂浓度或溶胀比的选择来控制的。
5.根据权利要求I所述的表面接枝型阴离子色谱填料的制备方法，其特征是所述的步骤(c)中，以甲胺及1，4- 丁二醇二缩水甘油醚为反应原料，胺基化试剂甲胺的体积V浓度为4 10%，季铵化试剂1，4- 丁二醇二缩水甘油醚的体积V浓度为1(Γ30%，交替重复胺基化与季铵化的步骤，通过调节重复的次数可改变表面带电有机物的层数，从而控制色谱填料的离子交换容量。
6.根据权利要求I或2或3或4或5所述的表面接枝型阴离子色谱填料的制备方法，其特征是所制备得到的表面接枝型色谱柱能够长期稳定地应用于离子交换色谱，较好地实现F_，Cl_，NO2-, Br-, N03_，S042_，P043_的分离，各离子尤其是氟离子能够与水负峰得到很好的分离。
全文摘要
本发明涉及一种阴离子色谱柱及其制备方法，特别是涉及表面接枝型阴离子色谱固定相的制备方法。本发明提供的表面接枝型阴离子色谱固定相的制备方法，采用分散聚合法制备单分散的线性聚苯乙烯微球种子，将种子活化后，采用单步种子溶胀法，合成聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球，抽提除去致孔剂；采用多步接枝合成法，以甲胺和1,4-丁二醇二缩水甘油醚为原料，在制得的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球表面引入大量带正电荷的季铵基作为阴离子交换功能基团；用匀浆法装柱，本发明提供的聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球制备方法，成本低，工艺简单，制备的填料粒度均匀无需筛分，粒径分布窄。
文档编号B01J20/281GK102941074SQ201210426489
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者黄忠平, 朱岩 申请人:浙江大学