一种季铵化纳米金刚石附聚接枝型阴离子色谱填料的制备方法与流程

本发明涉及一种阴离子色谱柱填料的制备方法。

背景技术：

离子色谱，又分为阳离子交换色谱和阴离子交换色谱，是高效液相色谱的重要分支，其发展迅速，已广泛应用于农业、工业、环境、食品、医药等分析领域。离子色谱的分离主要取决于固定相的性质，其固定相由基质及其表面带电荷的功能基组成。目前应用较为广泛的基质主要是硅胶和有机聚合物，硅胶骨架坚硬，表面易于修饰，而且其孔径、表面积、交换容量等参数容易控制，但由于其ph适用范围窄(一般在2-8之间)主要用于高效液相色谱；有机聚合物基质主要有聚苯乙烯-二乙烯苯、聚乙烯基苯-二乙烯苯、聚甲基丙烯酸酯等，其ph适用范围广(一般在1-14之间)，适合于带酸碱性的流动相，但其机械强度还有一定的欠缺。

有机聚合物基质色谱填料表面离子化的方法主要有三种，一是化学衍生型，二是表面涂覆型，三是静电附聚型。化学衍生型包括通过化学反应、化学接枝或超支化在基质表面引入离子交换位点。直接化学反应对基质微球的损害较大，而且副产物较多。化学接枝及超支化方法由于交换容量可控、分离效率高而应用广泛。表面涂覆型主要是指基质微球与离子交换层通过疏水作用结合，但涂覆层稳定性较差，容易在使用过程中流失。静电附聚型主要是通过静电作用在基质表面附聚一层带电荷的离子交换层，由于稳定性好、分离效率高而被广泛用于商业柱的制备。附聚型色谱填料的附聚物通常是颗粒极小的有机聚合物胶体如聚苯乙烯、聚丙烯酸酯等等，这些胶体粒子表面带电荷需要进行复杂的化学改性，而且胶体粒子的机械强度不足，这也使其应用受到一定限制。纳米金刚石具有耐高压性和有机聚合物耐酸碱性的优点，是作为附聚型色谱填料表面附聚物的良好选择。

技术实现要素：

本发明针对目前乳胶附聚型色谱填料表面乳胶机械强度不足的缺点，结合接枝型色谱填料交换容量可控的优点，提供了一种简单高效的季铵化纳米金刚石附聚接枝型阴离子色谱填料的制备方法，制备的阴离子色谱填料具有简单高效、机械强度好、交换容量可控、分离度高、耐强酸碱性等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种季铵化纳米金刚石附聚接枝型阴离子色谱填料的制备方法，包括下列步骤：

(a)合成粒径在1～3μm之间的单分散的线性聚苯乙烯微球；

(b)采用单步种子溶胀法合成聚苯乙烯-二乙烯基苯微球：将合成的单分散的线性聚苯乙烯微球与邻苯二甲酸二丁酯混合使单分散线性聚苯乙烯微球活化；随后加入单体苯乙烯、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；再经过甲苯抽提除去致孔剂，最后经洗涤得到粒径在6-10μm之间的单分散的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球；

(c)先用浓硫酸与浓硝酸的混合液将纳米金刚石氧化，得到表面带羧基的羧基化纳米金刚石，再以甲胺和1,4-丁二醇二缩水甘油醚为原料对其进行季铵化，然后分散于去离子水中得到季铵化纳米金刚石胶体；

(d)附聚与接枝：先以75～95％的浓硫酸为磺化试剂，对聚苯乙烯-二乙烯基苯微球进行磺化，使其表面带负电荷，再通过静电作用与带正电的季铵化纳米金刚石胶体结合，得到附聚型阴离子交换填料；再以甲胺和1,4-丁二醇二缩水甘油醚为原料在附聚型阴离子交换填料的微球表面进行接枝反应，得到季铵化纳米金刚石附聚接枝型阴离子色谱填料。

本发明步骤(a)中，推荐采用乳液分散聚合法合成单分散的线性聚苯乙烯微球，具体为：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，粒径在1～3μm之间，粒径均匀，无需分级；所述反应介质为无水乙醇或乙醇和水的混合液。

进一步，步骤(a)所述的单分散的线性聚苯乙烯微球合成中，优选按照如下投料：单体苯乙烯的质量为反应介质质量的5～30％(m/m)，优选为25％；稳定剂聚乙烯吡咯烷酮与反应介质的投料比为0.5～4g：100ml，优选为1.6g：100ml；引发剂偶氮二异丁腈质量用量为单体苯乙烯质量用量的1～5％，优选为2.2％；乙醇和水的混合液中，乙醇体积浓度在75％以上。

进一步，步骤(a)所述的单分散的线性聚苯乙烯微球合成中，优选自由基聚合在搅拌条件下进行，反应温度为40～85℃，优选为80℃；搅拌速度在100～400转/分钟；反应时间为8～24小时，优选为24小时。

本发明步骤(b)中，单分散线性聚苯乙烯微球的活化中，优选线性聚苯乙烯微球与邻苯二甲酸二丁酯的质量比为1：2～4，优选为1:2；活化温度为20～30℃，优选为20℃；活化时间为12～24小时，优选为24小时。

本发明步骤(b)中，所述的单分散的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的粒度是通过致孔剂、交联剂、稳定剂、溶胀温度、反应温度和溶胀比等条件控制的，优选如下：单体苯乙烯质量用量为有机相(由苯乙烯、二乙烯苯、乳化剂、稳定剂、引发剂和致孔剂组成)总质量的10～20％(优选14％)，交联剂二乙烯苯与单体苯乙烯的质量比为1:9～3:1(优选2:1)，乳化剂十二烷基硫酸钠质量用量占有机相总质量的2～4％(优选2.5％)，稳定剂聚乙烯醇质量用量为有机相总质量的0.5～5％(优选1.5％)，引发剂过氧化苯甲酰质量用量为单体苯乙烯质量用量的0.4～6％(优选5-6％)，致孔剂甲苯质量用量为有机相总质量的20～70％(优选50％)；溶胀比为10～70倍，溶胀温度为20～35℃；聚合反应在搅拌下进行，聚合温度为60～85℃(优选80℃)，搅拌速度100～300转/分钟，反应时间12～48小时(优选48小时)。洗涤试剂优选水和乙醇。在上述条件下，合成的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的粒径分布很窄粒径范围在6-10μm之间，所合成的微球均匀高，无需进行分级和筛分。

本发明步骤(c)所述季铵化纳米金刚石胶体的制备中，浓硫酸和浓硝酸的混酸中，浓硫酸和浓硝酸的体积比为1：2～3，氧化处理温度为80～140℃，处理时间为8～12小时。

本发明步骤(c)中，季铵化反应按照如下实施：将羧基化纳米金刚石分散于去离子水中，加入2～10％(v/v)的甲胺水溶液在60～80℃反应1～8h(优选70℃反应2小时)，过滤洗涤后再分散于去离子水中，加入2～20％(v/v)的1,4-丁二醇二缩水甘油醚水溶液于60～80℃反应1～8h(优选70℃反应2小时)，过滤洗涤得到季铵化纳米金刚石，将其分散于一定量的去离子水中得到季铵化纳米金刚石胶体。

进一步，步骤(c)所述季铵化纳米金刚石胶体的制备中，优选羧基化纳米金刚石与甲胺的投料质量比为1：1～2，羧基化纳米金刚石和1,4-丁二醇二缩水甘油醚的投料质量比为1：2～3。

本发明步骤(d)中，所述的附聚按照如下进行：将聚苯乙烯-二乙烯基苯微球置于75～95％的浓硫酸中，在室温下反应1～5min，然后用冰水稀释，过滤，再用去离子水洗至中性，得到磺化后的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球；以去离子水为介质，将磺化后的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球与季铵化纳米金刚石胶体混合，两者由于静电作用结合，过滤洗涤后得到附聚型阴离子交换填料。

进一步，步骤(d)所述附聚过程中，优选磺化后的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球与季铵化纳米金刚石的投料质量比为2:0.5～2，优选为3:1。

本发明步骤(d)中，所述的接枝反应按照如下进行：将附聚型阴离子交换填料分散于去离子水中，加入2～10％(v/v)的甲胺水溶液在50～70℃反应1～8h，过滤洗涤后再分散于去离子水中，加入2～20％(v/v)的1,4-丁二醇二缩水甘油醚水溶液于50～70℃反应1～8h，附聚型阴离子交换填料与甲胺水溶液和1,4-丁二醇二缩水甘油醚水溶液按上述步骤交替反应，并通过调整与甲胺以及与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的反应次数来控制色谱填料的交换容量，最后用去离子水洗涤得到季铵化纳米金刚石附聚接枝型阴离子色谱填料。

进一步，步骤(d)所述接枝反应中，每步反应中优选阴离子交换填料与甲胺的投料质量比为1：0.2～1，优选为1:0.4，每步反应中阴离子填料与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的投料质量比为1：2～4，优选为1:3。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用聚苯乙烯-二乙烯基苯微球为基质，提供了一种色谱性能稳定、分离效率高的新型表面附聚接枝型色谱填料，制备工艺简单，成本低，粒径均匀无需筛分，填料耐酸碱性好，在ph值1～14的范围内适用。

(2)本发明提供的季铵化纳米金刚石胶体制备方法简单，与小颗粒的有机聚合物胶体相比，纳米金刚石胶体的硬度强，因此本发明制得的阴离子交换色谱填料具有更好的机械强度。

(3)本发明提供的阴离子交换色谱填料的制备方法，采用先附聚再接枝的方式，其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，并能快速分离f^-，cl^-，so4^2-，no2^-，br^-，po4^3-，no3^-七种阴离子。

附图说明

图1是实施例1合成的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的扫描电镜图(放大4000倍)。

图2是实施例1合成的附聚纳米金刚石后的填料微球扫描电镜图(放大4000倍)。

图3是实施例1合成的填料分离7种阴离子的色谱图；其中，(1)f^-2ppm，(2)cl^-5ppm，(3)no2^-10ppm，(4)br^-20ppm，(5)no3^-20ppm，(6)po4^3-30ppm，(7)so4^2-10ppm。

图4是实施例2合成的填料分离7种阴离子的色谱图；其中，(1)f^-2ppm，(2)cl^-5ppm，(3)no2^-10ppm，(4)br^-20ppm，(5)no3^-20ppm，(6)po4^3-30ppm，(7)so4^2-10ppm。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1：阴离子交换填料的合成

1、单分散聚苯乙烯种子的合成：在烧瓶中加入90％的乙醇水溶液，再加入稳定剂聚乙烯吡咯烷酮，水浴升温至80℃，然后分别加入苯乙烯单体和引发剂偶氮二异丁腈，搅拌反应24小时。其中单体苯乙烯的质量为乙醇水溶液质量的25％(m/m)，稳定剂聚乙烯吡咯烷酮质量为乙醇水溶液体积的1.6％(m/v)，引发剂偶氮二异丁腈质量为单体苯乙烯质量的2.2％(m/m)，反应介质为90％乙醇水溶液，搅拌速度在300转/分钟，过滤洗涤后得到粒径为2μm的聚苯乙烯种子。

2、聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的合成：取步骤1中的聚苯乙烯种子与邻苯二甲酸二丁酯于烧瓶中混合，20℃下搅拌24小时，搅拌速度为200转/分钟，其中聚苯乙烯种子与邻苯二甲酸二丁酯的质量比为2:4；配置有机相，该有机相中单体苯乙烯质量为有机相总质量的14％(m/m)，交联剂二乙烯基苯与苯乙烯的质量比为2：1，乳化剂十二烷基硫酸钠的质量为有机相总质量的2.5％(m/m)，稳定剂聚乙烯醇的质量为有机相总质量的1.5％(m/m)，引发剂过氧化苯甲酰的质量为有机相总质量的0.8％(m/m)，致孔剂甲苯的质量为有机相总质量的50％(m/m)；将配置好的有机相加入烧瓶，20℃搅拌24小时，搅拌速度为200转/分钟，溶胀比为55；然后升温至80℃反应，搅拌速度200转/分钟，反应时间48小时，得到粒径在6～10μm聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，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95％的浓硫酸为磺化试剂与步骤2中合成的聚苯乙烯二乙烯苯微球在室温下混合反应3min，用冰水稀释，过滤，再用去离子水洗至中性。

4、将浓硫酸与浓硝酸按体积比1:2混合于烧瓶中得到强氧化性的混酸液，加入纳米金刚石升温至100℃反应12小时，过滤洗涤得到羧基化纳米金刚石；将羧基化纳米金刚石分散于一定量去离子水中，加入4％的甲胺水溶液，其中羧基化纳米金刚石和甲胺的质量比为1：1，升温至70℃反应2小时，过滤洗涤后再分散于一定量去离子水中，加入15％的1,4-丁二醇二缩水甘油醚的水溶液，其中羧基化纳米金刚石与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的质量比为1：2，升温至70℃反应2小时，过滤洗涤后得到季铵化的纳米金刚石，将季铵化纳米金刚石分散于一定量的去离子水中得到季铵化纳米金刚石胶体，将该胶体与步骤3中磺化的微球按照季铵化纳米金刚石与微球质量比1:3混合在室温下搅拌24小时，过滤洗涤得到附聚纳米金刚石的微球；将该微球分散于一定量的去离子水中，升温至70℃，加入浓度为4％(v/v)的甲胺水溶液，使微球与甲胺的投料质量比为1:0.4，反应1小时，过滤洗涤后再将微球分散于一定量的去离子水中，升温至70℃，加入浓度为15％(v/v)的1,4-丁二醇二缩水甘油醚水溶液，使微球与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的的投料质量比为1:3，反应1小时；按上述步骤依次用甲胺和1,4-丁二醇二缩水甘油醚再交替反应一次，得到接枝2次的阴离子交换填料，将所得到的填料用去离子水洗净，再用匀浆法装柱；

5、采用碳酸钠碳酸氢钠体系的流动相，流速为1ml/min对7种常规阴离子进行分析。

实施例2：参照实施例1的方法和步骤

1、单分散聚苯乙烯种子的合成：在烧瓶中加入90％的乙醇水溶液，再加入稳定剂聚乙烯吡咯烷酮，水浴升温至80℃，然后分别加入苯乙烯单体和引发剂偶氮二异丁腈，搅拌反应24小时。其中单体苯乙烯的质量为乙醇水溶液质量的25％(m/m)，稳定剂聚乙烯吡咯烷酮质量为乙醇水溶液体积的1.6％(m/v)，引发剂偶氮二异丁腈质量为单体苯乙烯质量的2.2％(m/m)，反应介质为90％乙醇水溶液，搅拌速度在300转/分钟，过滤洗涤后得到粒径为2μm的聚苯乙烯种子。

2、聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的合成：取步骤1中的聚苯乙烯种子与邻苯二甲酸二丁酯于烧瓶中混合，20℃下搅拌24小时，搅拌速度为200转/分钟，其中聚苯乙烯种子与邻苯二甲酸二丁酯的质量比为2:4；配置有机相，该有机相中单体苯乙烯质量为有机相总质量的14％(m/m)，交联剂二乙烯基苯与苯乙烯的质量比为2：1，乳化剂十二烷基硫酸钠的质量为有机相总质量的2.5％(m/m)，稳定剂聚乙烯醇的质量为有机相总质量的1.5％(m/m)，引发剂过氧化苯甲酰的质量为有机相总质量的0.8％(m/m)，致孔剂甲苯的质量为有机相总质量的50％(m/m)；将配置好的有机相加入烧瓶，20℃搅拌24小时，搅拌速度为200转/分钟，溶胀比为55；然后升温至80℃反应，搅拌速度200转/分钟，反应时间48小时，得到粒径在6～10μm聚苯乙烯-二乙烯基苯微球，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95％的浓硫酸为磺化试剂与步骤2中合成的聚苯乙烯二乙烯苯微球在室温下混合反应3min，用冰水稀释，过滤，再用去离子水洗至中性。

4、将浓硫酸与浓硝酸按体积比1:2混合于烧瓶中得到强氧化性的混酸液，加入纳米金刚石升温至100℃反应12小时，过滤洗涤得到羧基化纳米金刚石；将羧基化纳米金刚石分散于一定量去离子水中，加入4％的甲胺水溶液，其中羧基化纳米金刚石和甲胺的质量比为1：1，升温至70℃反应2小时，过滤洗涤后再分散于一定量去离子水中，加入15％的1,4-丁二醇二缩水甘油醚的水溶液，其中羧基化纳米金刚石与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的质量比为1：2，升温至70℃反应2小时，过滤洗涤后得到季铵化的纳米金刚石，将季铵化纳米金刚石分散于一定量的去离子水中得到季铵化纳米金刚石胶体，将该胶体与步骤3中磺化的微球按照季铵化纳米金刚石与微球质量比1:3混合在室温下搅拌24小时，过滤洗涤得到附聚纳米金刚石的微球；将该微球分散于一定量的去离子水中，升温至70℃，加入浓度为4％(v/v)的甲胺水溶液，使微球与甲胺的投料质量比为1:0.4，反应1小时，过滤洗涤后再将微球分散于一定量的去离子水中，升温至70℃，加入浓度为15％(v/v)的1,4-丁二醇二缩水甘油醚水溶液，使微球与1,4-丁二醇二缩水甘油醚的的投料质量比为1:3，反应1小时；按上述步骤依次用甲胺和1,4-丁二醇二缩水甘油醚再交替反应两次，得到接枝3次的阴离子交换填料，将所得到的填料用去离子水洗净，再用匀浆法装柱；

5、采用碳酸钠碳酸氢钠体系的流动相，流速为1ml/min对7种常规阴离子进行分析。

实施例3：色谱柱性能测试

仪器：dionexics-1100

试样：氟化钠，溴化钠，硝酸钠，亚硝酸钠，磷酸钠，硫酸铵和氯化钠

分离柱：不锈钢柱(150×4.6mm)

淋洗液：2mmol/l碳酸钠和2mmol/l碳酸氢钠

流速：1ml/min

检测器：电导检测器

抑制器：dionexasrs^@3004-mm,抑制电流50ma

分离色谱图参见图3和图4，其中(1)f^-2ppm，(2)cl^-5ppm，(3)no2^-10ppm，(4)br^-20ppm，(5)no3^-20ppm，(6)po4^3-30ppm，(7)so4^2-10ppm。

图1是实施例1制得的聚苯乙烯-二乙烯基苯微球的扫描电镜图(放大4000倍)，图中可以看到其表面比较光滑，而且粒径在6-8μm。

图2是实施例1制得的附聚纳米金刚石后的填料微球扫描电镜图(放大4000倍)，与图1相比，很明显的可以看出其表面有一层均匀的纳米金刚石形成的壳，说明附聚成功，能起到阴离子交换的作用。

图3是实施例1制得的附聚了纳米金刚石后又接枝反应了2次的填料微球分离七种阴离子的色谱图，能在15min内成功分离7种阴离子，分离速度快且能满足定性和定量检测的要求。

图4是实施例2制得的附聚了纳米金刚石后又接枝反应了3次的填料微球分离七种阴离子的色谱图，能在25min内成功分离7种阴离子，与图3比较可以发现随接枝反应次数的增加，柱子的交换容量和分离度都有所提高。