咪唑离子液体作为流动相添加剂的整体柱离子对色谱快速分析哌啶阳离子

张 雪， 于 泓， 马亚杰， 黄 旭， 刘泽坤

(哈尔滨师范大学化学化工学院，黑龙江哈尔滨 150025)

离子液体是由离子组成的，在室温或接近室温下呈液态的盐类(熔点≤100 ℃)。由于离子液体具有许多与传统溶剂不同的独特性质，如溶解能力强、稳定、无显著的蒸气压、污染小等，离子液体被认为是一种潜在的可广泛应用于众多领域的优良溶剂。目前离子液体已有广泛的应用报道，其中包括有机合成、催化、电化学和分离科学等[1-8]。因而对于离子液体的分析已成必然[7]。通常选择使用反相色谱法[4]、亲水相互作用色谱法[5]、离子色谱法[6]和离子对色谱法[7]对离子液体阳离子进行分离测定。近年来，对咪唑类离子液体阳离子和吡啶类离子液体阳离子[4-11]，以及吡咯烷类离子液体阳离子[12-14]的分析报道居多。相反，有关哌啶类离子液体阳离子的分离测定报道较少[15]。哌啶类离子液体阳离子结构中没有紫外光吸收基团，用普通的紫外检测器时需采用间接紫外检测方法，即在流动相中加入具有紫外吸收的物质作为背景紫外吸收剂以实现分离检测[16-17]。由于咪唑类离子液体具有较强的紫外吸收，因而具有作为背景紫外吸收剂检测哌啶阳离子的可能。

本工作目的是发展不具有紫外光吸收的哌啶离子液体阳离子的快速测定方法。实验以咪唑离子液体作为流动相添加剂，采用反相硅胶整体柱和常用的紫外检测器，实现了哌啶离子液体阳离子的整体柱离子对色谱-间接紫外检测方法，同时咪唑离子液体的应用范围也得到了扩展。

1 实验部分

1.1 试剂

离子液体购自上海成捷化学有限公司，纯度≥99%。哌啶离子液体包括：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])；咪唑离子液体包括：1-乙基-3-甲基、1-丙基-3-甲基、1-丁基-3-甲基、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm][BF4])、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]、[AMIm][BF4])。庚烷磺酸钠、戊烷磺酸钠购自天津市光复精细化工研究所，甲醇、乙腈购自Dikma Technologies公司，纯度均为色谱纯。

1.2 实验方法

1.2.1标准溶液的制备用超纯水(电阻率18.2 MΩ·cm，美国Millipore公司Simplicity纯水系统)先配制浓度为1 g/L的哌啶阳离子的标准储备液，实验时稀释至不同浓度，然后经0.22 μm滤膜过滤后，用于进样分析。

1.2.2色谱分析条件色谱分析采用美国Agilent公司1200系列高效液相色谱仪，配置包括:G1311A型四元泵、G1329A型自动进样器、G1315D型二极管阵列检测器、Degasser-G1322A型脱气机、G1316A型色谱柱温箱和Rev.B.04.01色谱工作站。色谱柱采用德国Merck公司的(Chromolith Performance RP-18e)反相硅胶整体柱(100×4.6 mm i.d.)；流动相为0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸钠水溶液(乙酸调节pH=4.5)/甲醇(90/10,V/V)，流动相流速：30 mL/min，间接紫外检测波长：210 nm，色谱柱温度：30 ℃，自动进样体积：20 μL。

2 结果与讨论

2.1 流动相对分离测定哌啶阳离子的影响

2.1.1离子对试剂对哌啶阳离子保留的影响咪唑离子液体的最大吸收波长约为210 nm[18]。在检测波长210 nm下，分别以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)为流动相，分离测定3种哌啶阳离子[MEPi]+、[MPPi]+和[MBPi]+。结果表明，[MEPi]+、[MPPi]+和[MBPi]+3种哌啶阳离子的保留时间明显都短，而且与系统峰存在部分重叠现象，达不到完全分离。可能的原因是哌啶阳离子具有较强的极性，在反相柱上保留较弱，使保留时间较短。为了改善这种情况，进一步研究考察在流动相中加入离子对试剂。分别将庚烷磺酸钠、戊烷磺酸钠两种离子对试剂加在流动相中，并对分离检测哌啶阳离子产生的影响进行考察，结果见图1。两种离子对试剂添加在流动相中，相比于加入庚烷磺酸钠的实验结果，加入戊烷磺酸钠时，3种哌啶阳离子的保留时间较短，受系统峰的干扰。产生此现象的原因是，离子对试剂的烷基链越长，形成的离子对的极性越弱，在反相固定相中的保留较强，增长了保留时间。因此，选择加入庚烷磺酸钠离子对试剂。

确定离子对试剂后，以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-庚烷磺酸钠水溶液(pH=4.0)/甲醇(90/10,V/V)为流动相，对不同浓度的离子对试剂可能产生的作用效果进行了考察研究。考察的浓度分别为0.05、0.10和0.15 mmol/L。结果表明，庚烷磺酸钠浓度从0.05 mmol/L增加到0.15 mmol/L的过程中，哌啶阳离子的保留时间随之增长，这与离子对色谱的保留机理一致。对3个浓度进行比较，在庚烷磺酸钠浓度为0.10 mmol/L时，色谱峰形理想且保留时间较短。所以，最终选定其浓度为0.1 mmol/L。

图1 用戊烷磺酸钠(a)和庚烷磺酸钠(b)离子对试剂获得的色谱图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有机溶剂对哌啶阳离子保留的影响考察甲醇和乙腈对分离测定3种哌啶阳离子的影响。分别以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸钠水溶液(pH=4.0)/乙腈(90/10,V/V)以及0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸钠水溶液(pH=4.0)/甲醇(90/10,V/V)为流动相，对3种哌啶阳离子的分离检测进行实验。结果表明，在选择有机溶剂时，乙腈和甲醇比较而言，使用前者时哌啶阳离子的保留时间明显短一些，易受系统峰干扰，并且[MBPi]+色谱峰严重拖尾。所以选择甲醇为有机溶剂。继续对甲醇含量对哌啶阳离子保留产生的影响进行系列考察。以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸钠水溶液(pH=4.0)/甲醇为流动相，流动相中甲醇体积分数由10%增加到30%。呈现的结果是，增加甲醇含量，阳离子的保留时间变短。原因是流动相中有机溶剂浓度增加时，流动相极性会减弱，导致增加离子对的溶解，从而缩短保留时间。当体积分数是20%的甲醇加入到流动相中时，[MEPi]+的色谱峰与系统峰相距较近，会对分离测定产生干扰。当流动相中甲醇体积分数增加到30%时，可以在色谱图中看到[MEPi]+与[MPPi]+互相存在干扰。为了达到同时分离测定[MEPi]+、[MPPi]+和[MBPi]+3种哌啶阳离子的目的，最后选择在流动相中加入甲醇体积分数是10%。

2.1.3pH值的影响以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸盐水溶液/甲醇(90/10,V/V)为流动相，考察[EMIm][BF4]-庚烷磺酸盐水溶液pH值(3.5、4.0、4.5、5.0)对分离测定3种哌啶阳离子的影响。结果表明，流动相的pH值不断增大时，哌啶阳离子的保留时间不发生明显的改变。当流动相的pH为3.5时，[MBPi]+色谱峰存在严重拖尾。比较了pH分别为4.0、4.5和5.0，结果表明3种哌啶阳离子的色谱峰形基本相同，但pH在4.5时的保留时间会稍微短一些。综合考虑，流动相水溶液的pH选定在4.5。

2.1.4咪唑离子液体对哌啶阳离子分离测定的影响实验以0.5 mmol/L咪唑离子液体-0.1 mmol/L庚烷磺酸盐水溶液(pH=4.5)/甲醇(90/10,V/V)为流动相，考察了咪唑离子液体[EMIm][BF4]、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]、[AMIm][BF4] 4种离子液体对于分离检测哌啶阳离子的影响，结果如图2所示。由图可知，随咪唑离子液体环上烷基链不断加长，哌啶阳离子的保留时间不断缩短。可能的原因是咪唑环上烷基链加长，导致减弱流动相的极性，增强其疏水性，结果被测物质的保留时间缩短。

图2 用链长不相等的咪唑离子液体获取的色谱图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.

当用[PMIm][BF4]离子液体为流动相添加剂时，[MEPi]+与[MPPi]+两种阳离子的色谱峰形相对较好，但[MBPi]+的色谱峰拖尾严重；用[BMIm][BF4]离子液体为流动相添加剂时，系统峰与[MEPi]+色谱峰部分重叠，但[MBPi]+的色谱峰形比较理想，在只测定[MBPi]+时可以选择流动相中离子液体组分使用[BMIm][BF4]；当用[AMIm][BF4]离子液体时，系统峰与[MEPi]+的色谱峰部分重叠，无法实现全部分离，且[MPPi]+色谱峰形亦变差。综合考虑，适宜的离子液体为[EMIm][BF4]。考察了浓度分别为0.3、0.5、0.7和1.0 mmol/L的[EMIm][BF4]对3种阳离子分离测定的效果，结果见表1。由表1可知，当[EMIm][BF4]溶液浓度由0.3 mmol/L增至1.0 mmol/L时，哌啶阳离子的保留时间不断缩短，但同时检测限变差。综合比较，选择[EMIm][BF4]溶液浓度为0.5 mmol/L。

表1 保留时间、检出限与流动相中[EMIm][BF4]浓度的关系

2.2 流速对哌啶阳离子保留时间的影响

以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]-0.1 mmol/L庚烷磺酸钠水溶液(pH=4.5)/甲醇(90/10,V/V)为流动相，考察流速对3种哌啶阳离子的保留时间、柱压和柱效的影响。考察的流速分别为1、2、3、4 mL/min，结果见表2。由表2可知，流速增加，柱压不断升高，而保留时间却减小，但对于柱效而言没有很明显的变化。流速超过3 mL/min后，柱压与保证整体柱正常使用的最大压力20 MPa接近。为了达到快速理想的分离效果，实验采用3 mL/min的流速。

表2 流速与柱压、保留时间和柱效之间的关系

2.3 哌啶阳离子保留的碳数规律

图3 3种哌啶阳离子标准溶液的色谱图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).

同系物的保留因子与碳原子数间存在碳数规律，表达式为:lgk=anC+b[4](式中k为保留因子，nC为同系物的碳原子数)。在1.2.2色谱条件下测定3种哌啶阳离子[MEPi]+、[MPPi]+、[MBPi]+，将得到的3种哌啶阳离子的保留因子与其烷基侧链的碳原子数作图，其曲线线性方程为：lgk=0.2993nC-0.5297，相关系数r=0.9891。由方程可知，lgk和nC之间线性关系良好，表明在选定的色谱条件下，哌啶阳离子的保留符合碳数规律。

2.4 定量分析参数

通过上面的研究，在选定的色谱条件下，进行分离测定[MEPi]+、[MPPi]+、[MBPi]+3种哌啶阳离子标样，色谱图如图3。3种哌啶阳离子在3 min内可以达到基线分离。检出限、线性和重现性数据见表3。表3中的定量参数说明本方法有较好的线性、检出限和重现性，完全可以满足哌啶离子液体的定量分析。

表3 线性回归方程、检出限及精密度

2.5 样品分析

用上述实验方法对实验室自制备的2种实际离子液体样品进行分析检测。包括[MEPi][Br]和[MBPi][Br]离子液体样品。准确称取这两种离子液体各0.1178 g和0.1328 g，用超纯水溶解后，定容在100 mL容量瓶中，称作浓溶液。再从上述制备好的两种离子液体的浓溶液中分别取出1 mL，稀释至25 mL 进行色谱分析。稀释液在进行实验前要经0.22 μm滤膜过滤。本实验采用标准加入法，通过测定加标分析物来评估回收率，样品分析结果和加标回收率列于表4。表中数据为5次测定平均值，其相对标准偏差低于3.0%。结果说明，此方法准确性高、精密度好，完全能满足哌啶离子液体的定量分析要求。

表4 合成样品中哌啶阳离子的回收率和分析结果(n=5)

3 结论

实现了以咪唑离子液体为流动相添加剂的整体柱离子对色谱与间接紫外检测联用测定不具有紫外光吸收的哌啶离子液体的方法。流动相中的咪唑离子液体既起到了背景紫外吸收试剂的作用，又改善了被测物质的分离效果。在选定的色谱条件下，三种哌啶阳离子在3 min内达到完全分离，检出限低于1 mg/L。本方法简便快速、准确可靠，可以满足哌啶离子液体阳离子的定量分析要求。