高效液相色谱-间接紫外检测法分析吡咯烷离子液体阳离子的研究

温欣竹，张小东，安 莹，于 泓*

(1.哈尔滨师范大学 化学化工学院，黑龙江 哈尔滨 150025；2.黑龙江省齐齐哈尔矿产勘查开发总院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

离子液体是由较大体积的有机阳离子和较小体积的无机阴离子或有机阴离子组成的熔盐，其在室温下呈液态，具有优异的物理化学性质。离子液体种类繁多，在催化、有机合成、电化学、分析化学、食品加工等领域显示出优异的应用价值[1-6]。随着离子液体应用的逐渐增加，离子液体的分析测定显得尤为重要[7]。测定离子液体阳离子的主要方法有反相液相色谱法[8-10]、离子对色谱法[11-12]、离子色谱法[13-14]、亲水作用色谱法[15-16]和毛细管电泳法[17]等。

现阶段，有关分离测定离子液体阳离子的研究主要集中于咪唑与吡啶两类阳离子。究其原因，主要是高效液相色谱中最常用的检测器为紫外检测器，咪唑与吡啶两类离子液体阳离子对紫外光的吸收较强，可以采用紫外检测器直接检测。而吡咯烷类离子液体阳离子无紫外光吸收，不能直接进行紫外检测，故其分离测定的相关报道较少[18-19]。对于无紫外吸收的物质，可采用间接紫外检测法测定，即通过在流动相中添加含有紫外光吸收基团的物质，使无紫外光吸收基团的物质在分离过程中可被紫外-可见光检测器检测。目前，无紫外光吸收的有机、无机阴阳离子是高效液相色谱-间接紫外检测的主要分析对象[20-23]。

在前期研究基础上[18-19]，本文以咪唑离子液体-离子对试剂/有机溶剂作为流动相，建立了用常规的反相C18色谱柱和紫外检测器分离检测无紫外吸收的[MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+吡咯烷离子液体阳离子的方法。与以往的研究[18-19]相比，本方法具有更好的普及和实用价值，同时发展了咪唑离子液体作为反相色谱-间接紫外检测的背景紫外吸收试剂和淋洗剂。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

安捷伦1200系列高效液相色谱仪(美国Agilent公司)，配有DAD-G1315D型二极管阵列检测器、Quat pump-G1311A型四元泵、TCC-G1316A型色谱柱温箱、ALS-G1329A型自动进样器、Degasser-G1322A型脱气机和Rev.B.04.01色谱工作站；Simplicity纯水系统(美国Millipore公司)；PHSF-3F型pH计(上海精密科学仪器有限公司)；DOA-P504-BN型无油真空泵(美国IDEX公司)；0.22 μm滤膜(上海市新亚净化器件厂)。

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-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIm][BF4])、1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([PMIm][BF4])、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm][BF4])、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([AMIm][BF4])，纯度均不低于99%，购于上海复捷化学有限公司；庚烷磺酸钠、戊烷磺酸钠(色谱纯，天津市光复精细化工研究所)；甲醇、乙腈(色谱纯，Dikma Technologies公司)；邻苯二甲酸氢钾、磺基水杨酸、烟酰胺、乙酸(分析纯，北京百灵威科技有限公司)。

1.2 溶液制备

标准溶液：以超纯水(电阻率18.2 MΩ·cm)溶解稀释吡咯烷离子液体，配制1 g/L的吡咯烷离子液体阳离子标准储备液。移取一定量的上述标准储备液，稀释定容得到分析物的标准溶液(质量浓度为30 mg/L)，经0.22 μm滤膜过滤待用。

流动相：用超纯水(电阻率18.2 MΩ·cm)配制流动相[PMIm][BF4]/庚烷磺酸钠水溶液，用乙酸调至所需pH值。流动相水溶液和甲醇经0.22 μm滤膜过滤，真空脱气10 min后使用。

1.3 色谱分析条件

美国Agilent公司ZORBAX ODS色谱柱(150 mm × 4.6 mm i.d.,5 μm)，流动相为0.5 mmol/L [PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸钠水溶液(pH 4.5)-甲醇(体积比80∶20)，紫外检测波长为220 nm，流速为1.0 mL/min，柱温为30 ℃，进样体积为20 μL。

2 结果与讨论

2.1 背景紫外吸收试剂及检测波长的选择

由于吡咯烷阳离子([MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+)无紫外-可见光吸收结构，不能进行直接检测，本实验将背景紫外吸收试剂添加到流动相中，通过间接检测的方法进行分离检测。考察了邻苯二甲酸氢钾、磺基水杨酸和烟酰胺3种常用背景紫外吸收试剂对3种吡咯烷阳离子的检测效果，但3种吡咯烷阳离子均未出峰，因此改用离子液体为背景紫外吸收试剂。在常见的离子液体中，咪唑离子液体阳离子含有共轭结构，因此具有较强的紫外吸收。以0.5 mmol/L [EMIm][BF4]水溶液-甲醇(体积比70∶30)为流动相，在咪唑离子液体([EMIm][BF4])的最大吸收波长下(约为210 nm)进行吡咯烷阳离子的检测，色谱图中呈现出吡咯烷阳离子的色谱峰。故采用[EMIm][BF4]作为背景紫外吸收试剂。

紫外检测器一般设定在待测物质的最大吸收波长下进行检测，但本实验加入的其他试剂可能对目标物的检测造成干扰，因此以0.5 mmol/L[EMIm][BF4]水溶液-甲醇(70∶30)为流动相，考察了检测波长(200、210、220、230 nm)对吡咯烷阳离子检测的影响。结果表明，检测波长为220 nm时的基线稳定，吡咯烷阳离子的色谱峰形较好，故选择检测波长为220 nm。

图1 以4种咪唑离子液体为流动相得到的色谱图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 流动相组成的确定

2.2.1咪唑离子液体的影响分别以0.5 mmol/L的不同烷基咪唑离子液体-甲醇(70∶30)为流动相，考察了不同烷基链长的咪唑离子液体[EMIm][BF4]、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]、[AMIm][BF4]对待测物质分离效果的影响。由图1可知，3种吡咯烷阳离子的保留时间随着咪唑阳离子烷基链的增长而缩短，以[EMIm][BF4]为流动相时保留时间最长，且[MBPy]+未出峰(曲线a)；以[BMIm][BF4]为流动相时的分离度较好，保留时间较短，但[MEPy]+峰与系统峰重叠(曲线c)；以[AMIm][BF4]为流动相时的保留时间过短，且系统峰、[MEPy]+和[MPPy]+峰未分开(曲线d)。综合考虑选取[PMIm][BF4]作为流动相组分，系统峰对[MEPy]+不产生干扰，且3种分析物均出峰(曲线b)。

2.2.2有机溶剂的影响反相液相色谱常采用甲醇和乙腈作为有机溶剂。考察了体积比均为70∶30的0.5 mmol/L[PMIm][BF4](pH 4.0)-甲醇和0.5 mmol/L[PMIm][BF4](pH 4.0)-乙腈分别作为流动相对3种吡咯烷阳离子的分离效果。结果表明，以甲醇为有机溶剂时，3种吡咯烷阳离子的色谱峰较好，因此选择甲醇为流动相的有机溶剂。

2.3 添加离子对试剂作为流动相分离测定吡咯烷阳离子

2.3.1离子对试剂的影响通过以上研究可知，以0.5 mmol/L[PMIm][BF4](pH 4.0)-甲醇(70∶30)为流动相可以分离检测吡咯烷阳离子，但色谱峰拖尾、峰形展宽，因此实验考察了在流动相中分别加入0.1 mmol/L的离子对试剂庚烷磺酸钠和戊烷磺酸钠时的分离检测效果。结果表明，以戊烷磺酸钠为离子对试剂时，[MEPy]+峰与系统峰未完全分离，且色谱图基线不稳定。而以庚烷磺酸钠为离子对试剂时，分析物的色谱峰完全分离，且色谱峰形及拖尾情况得到改善，基线平稳。因此选择庚烷磺酸钠为离子对试剂。

实验还考察了流动相中庚烷磺酸钠浓度(0.05、0.10、0.15、0.20 mmol/L)对3种分析物保留时间的影响。结果显示，当庚烷磺酸钠浓度逐渐增大时，3种分析物的保留时间增长，庚烷磺酸钠的最佳浓度为0.15 mmol/L。综上，选择0.5 mmol/L[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸钠(pH 4.0)-甲醇(70∶30)作为流动相。

2.3.2加入离子对试剂后4种咪唑离子液体对分析物的影响考察了在流动相中分别加入[EMIm][BF4]、[PMIm][BF4]、[BMIm][BF4]和[AMIm][BF4]4种咪唑离子液体对3种分析物分离效果的影响，分别以0.5 mmol/L的上述4种咪唑离子液体/0.15 mmol/L庚烷磺酸钠(pH 4.0)-甲醇(70∶30)为流动相进行分离测定。结果表明，4种咪唑离子液体对3种分析物的分离效果与“2.2.1”一致。并且3种吡咯烷阳离子的保留时间随着咪唑阳离子烷基链的碳原子数增加而逐渐缩短，主要原因是烷基咪唑类离子液体阳离子的极性随着碳原子数的增加而减小，导致分析物在反相色谱柱的保留时间缩短。表明咪唑离子液体作为流动相成分，既是背景紫外吸收试剂，又是改善分析物分离效果的有效组分。

以[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸钠(pH 4.0)-甲醇(70∶30)为流动相，考察了[PMIm][BF4]浓度(0.3、0.5、1.0 mmol/L)对3种分析物分离效果的影响。结果表明，3种分析物的保留时间随着[PMIm][BF4]浓度的增大而缩短，[PMIm][BF4]浓度为0.5 mmol/L时，3种分析物的峰形均较好，因此选择[PMIm][BF4]的浓度为0.5 mmol/L。

2.3.3甲醇含量的影响以0.5 mmol/L[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸钠(pH 4.0)-甲醇为流动相，考察了流动相中甲醇含量(10%、15%、20%、25%、30%)对分析物分离效果的影响。结果显示，3种分析物的保留时间随着甲醇含量的增加而缩短，且灵敏度得到提高，峰拖尾显著改善。当甲醇含量为25%时,保留时间虽较短，但3种分析物间的分离度较小；当甲醇含量为30%时，[MEPy]+、[MPPy]+和系统峰的分离度较差。综合考虑，选择甲醇体积分数为20%。

2.3.4流动相pH值的影响以0.5 mmol/L[PMIm][BF4]/0.15 mmol/L庚烷磺酸钠-甲醇(80∶20)为流动相，考察了其pH值分别为3.0、3.5、4.0、4.5和4.8时3种分析物的分离效果。结果表明，当流动相的pH值逐渐增大时，3种分析物的保留时间略微延长，基线噪音先下降而后升高。在pH 3.0、3.5时，保留时间较短，但[MEPy]+与系统峰相连，产生干扰；在pH 4.0、4.5时，基线噪音略低，系统峰不干扰分析物峰，且pH 4.5时的[MBPy]+峰形较优。综合考虑，选择流动相pH值为4.5。

2.4 吡咯烷阳离子的保留因子与烷基碳数的关系

同系物的保留因子与碳原子数之间遵循碳数规律，可用下式表示：lgk=αnC+β[9]，其中k为保留因子，nC为碳数。在“1.3”色谱条件下，以[MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+的保留因子与其碳原子数进行线性分析，得到方程lgk=0.238 5nC -0.222 8，相关系数(r)为0.997 3。表明[MEPy]+、[MPPy]+和[MBPy]+的保留因子与其碳原子数之间呈较好的线性关系，符合碳数规律。

图2 吡咯烷离子液体阳离子的标样色谱图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 定量分析参数

在最佳色谱条件下，对3种吡咯烷离子液体阳离子的混合标准溶液进行测定(图2)，3种吡咯烷离子液体阳离子在13 min内被分离检测。以峰面积(y)对离子液体的质量浓度(x，mg/L)求得线性回归方程，以3倍信噪比(S/N=3)计算检出限(LOD)；连续5次重复测定[MEPy]+(41.2 mg/L)、 [MPPy]+(43.1 mg/L)和[MBPy]+(44.8 mg/L)混合标样，计算峰面积的相对标准偏差(RSD)。由表1可知,[MEPy]+、[MPPy]+、[MBPy]+的线性范围分别为0.6～100 mg/L、1.3～230 mg/L和3.6～250 mg/L,相关系数大于0.999，检出限不大于1.1 mg/L，RSD不大于1.5%。本方法的重现性、线性等均能满足定量分析要求。

表1 吡咯烷阳离子的线性方程、相关系数、线性范围、检出限及相对标准偏差Table 1 Regression equations,correlation coefficients,linear ranges,LODs and RSDs of pyrrolidinium cations

2.6 样品分析

采用本方法检测实验室合成的[MEPy][Br]、[MPPy][Br]、[MBPy][Br]离子液体样品中的阳离子。分别称取上述离子液体0.100 8、0.101 1、0.102 4 g，用超纯水定容至100 mL后，分别取2.5 mL再定容至50 mL。该溶液过0.22 μm滤膜后进行色谱分析。以标准加入法测定回收率，实验结果见表2。吡咯烷阳离子的回收率为92.2%～96.7%，RSD不大于1.5%，方法的准确度和精密度良好。

表2 吡咯烷阳离子样品的分析结果及回收率(n=5)Table 2 Analysis results and recoveries of the pyrrolidinium cations samples(n=5)

3 结 论

本文建立了以咪唑离子液体/离子对试剂-有机溶剂为流动相，高效液相色谱-间接紫外检测法分析测定同系物吡咯烷类离子液体阳离子的方法，并将此方法应用于吡咯烷离子液体样品的实际检测。咪唑离子液体作为流动相的添加剂，既是背景紫外吸收试剂，又是改善分析物分离效果的有效组分。在最佳色谱条件下，3种吡咯烷离子液体阳离子在13 min内被有效地分离检测；方法检出限为0.2～1.1 mg/L，加标回收率为92.2%～96.7%。本方法准确、实用，符合样品的定量分析要求。