反相硅胶整体柱离子对色谱法快速测定吡啶离子液体阳离子

摘 要 建立了整体柱离子对色谱-紫外检测法梯度淋洗快速分离测定4种吡啶离子液体阳离子的方法。分离采用C18反相硅胶整体柱,以离子对试剂（用柠檬酸调节pH值）-乙腈为淋洗液，并采用多级梯度洗脱程序。实验考察了色谱柱、离子对试剂、乙腈浓度、色谱柱温度及流速对吡啶阳离子保留的影响,并讨论了其保留规律。咪唑阳离子的保留符合碳数规律。最佳色谱条件是：在流速3.0 mL/min，柱温30 ℃下，以1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（pH 4.0）（A）＋乙腈（B）为淋洗液进行梯度洗脱。淋洗梯度为0～2.0 min，10% B；2.0～2.5 min，10%～15% B；2.5～4.0 min，15%B；4.0～4.5 min，15%～20%B；4.5～10.0 min，20%B。在此条件下，4种吡啶阳离子可在7 min内基线分离。所测阳离子的检出限（S/N＝3）为0.05～0.17 mg/L；峰面积的相对标准偏差（n＝5）小于0.6%。将本方法用于实验室合成的离子液体样品和污水样品的分析，加标回收率在95.7%～99.0%之间。本方法准确、快速，具有较好的实用性。

关键词 离子对色谱；整体柱；离子液体；吡啶阳离子；紫外检测

2011-06-29收稿；2011-09-05接受

本文系黑龙江省自然科学基金（No. B200909）、黑龙江省教育厅科学技术研究项目（No. 11541088）和黑龙江省高校科技创新团队建设计划项目（No. 2011TD010）资助

* E-mail：yuhong@hrbnu.省略

1 引 言

离子液体是一种由体积较大的特定阳离子（如烷基咪唑离子、烷基吡啶离子、烷基季铵离子等）和体积较小的阴离子（如Br.

Symbolm@@ 等）构成的，在室温或接近室温下呈液态的有机熔盐体。离子液体以其蒸气压低、熔点低、导电性好、特殊的溶解性能等优点成为近年来世界各国研究者共同关注的领域[1]。随着离子液体在催化、有机合成、电化学、分析化学等领域越来越广泛的应用[1～4]，有必要研究与其相关的分离检测方法。

离子液体的分离检测主要包括离子液体阴离子的测定和离子液体阳离子的测定。分离测定离子液体阴离子的方法主要是离子色谱法[5,6]。分离测定离子液体阳离子的方法主要有反相液相色谱法[7～9]、离子色谱法[10～13]、离子对色谱法[14,15]、亲水相互作用液相色谱法[16,17]、毛细管电泳法[18]和超高效液相色谱法[19]。整体柱又称为整体固定相，依据其基质主要分为聚合物整体柱和硅胶整体柱。与传统色谱柱相比，整体柱具有分析速度快、分离效率高等优点。近些年来，整体柱已成为色谱分离领域的研究热点[20～22]。尤其是在快速、高通量分析方面，整体柱的高流速分析使其尽显优势。用整体柱分析离子液体阳离子的报道很少，采用电导检测的方法测定咪唑阳离子[23]已有报道。

本研究发展了吡啶类离子液体阳离子的快速分离分析方法。采用反相硅胶整体柱和紫外检测的离子对色谱法梯度淋洗快速分离测定了4种吡啶类离子液体阳离子，研究了影响吡啶阳离子保留的因素，选择了最佳的色谱分离条件，建立了整体柱离子对色谱快速分离测定吡啶离子液体阳离子的分析方法。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

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、G1311A型四元泵、TCC-G1316A型柱温箱、ALS-G1329A型自动进样器和Degasser-G1322A型脱气机；Simplicity纯水系统（美国Millipore公司）；DOA-P504-BN型无油真空泵（美国IDEX公司）；PHSF-3F型 pH计（上海精密科学仪器有限公司）；0.22

SymbolmA@ m过滤膜（上海市新亚净化器件厂）。

离子液体：碘化N-乙基吡啶、N-丁基吡啶三氟甲磺酸盐、N-丁基-4-甲基吡啶四氟硼酸盐、溴化N-己基吡啶（纯度 ≥ 99%，上海成捷化学有限公司）；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）；乙腈（色谱纯，Dikma Technologies公司）；柠檬酸（优级纯，上海试剂一厂）。配制溶液采用电阻率18.2 MΩ cm的超纯水。

2.2 溶液配制

2.2.1 淋洗液的配制和处理 用超纯水配制一定浓度的庚烷磺酸钠或戊烷磺酸钠溶液，用柠檬酸调至所需pH值。实验所用庚烷磺酸钠或戊烷磺酸钠溶液、乙腈和去离子水经0.22

SymbolmA@ m滤膜过滤。

2.2.2 标准溶液的配制 用超纯水先配制被测离子浓度为1000 mg/L的标准储备液，然后稀释至实验所需浓度，经0.22

SymbolmA@ m滤膜过滤后备用。

2.3 色谱分析

Chromolith Speed ROD RP-18e色谱柱（100 mm×6 mm, 德国Merck公司），ZORBAX Eclipse XDB-C18 （150 mm×6 mm, 美国Agilent公司）。淋洗液：A，1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（用柠檬酸调至pH 4.0）；B，乙腈。淋洗梯度：0～2.0 min，10% B； 2.0～2.5 min，10%～15% B；2.5～4.0 min，15% B；4.0～4.5 min，15%～20% B；4.5～10.0 min，20% B。流速：3.0 mL/min。柱温：30 ℃。进样体积：20

SymbolmA@ L。检测方式：紫外检测，波长260 nm。数据处理采用安捷伦Rev.B.04.01色谱工作站。

3 结果与讨论

3.1 色谱条件的优化实验

3.1.1 色谱柱对离子分离的影响 实验比较了C18反相硅胶整体柱（Chromolith Speed ROD RP-18e column）和C18反相硅胶填充柱（ZORBAX Eclipse XDB-C18 column）对分离的影响。将色谱柱温度控制在30 ℃，流速为1.0 mL/min，以80% 1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（pH 4.0）＋20%乙腈为淋洗液，用两种色谱柱分离4种吡啶离子液体阳离子（N-乙基吡啶阳离子N-ethyl-pyridinium cation （EPy）、N-丁基吡啶阳离子N-butyl-pyridinium cation （BPy）、N-丁基-4-甲基吡啶阳离子N-butyl-4-methyl-pyridinium cation （BMPy）、N-己基吡啶阳离子N-hexyl-pyridinium cation （HPy））的结果见图1。在相同样条件下，分析物在C18反相硅胶填充柱的保留强，色谱峰形差，拖尾现象严重，而且由于硅胶填充柱受流速的限制，不能通过改变流速缩短保留时间。相比之下，使用反相硅胶整体柱更适合进行快速分析。

Fig．1 Chromatograms of separation of pyridinium cations using monolithic and packed column

色谱柱（Column），（a） Chromolith Speed ROD RP-18e, （b） ZORBAX Eclipse XDB-C18; 淋洗液（Eluent），80% 1.0 mmol/L 庚烷磺酸钠（1-Heptanesulfonic acid sodium, pH 4.0）＋20%乙腈（Acetonitrile）; 流速（Flow rate），1.0 mL/min；柱温（Column temperature）， 30 ℃，进样体积（Inject volume）, 20

SymbolmA@ L; 检测波长（Detection）, 260 nm. 色谱峰（Peaks, mg/L）: 1. N-Ethyl-pyridinium cation （EPy） （40.0）; 2. N-Butyl-pyridinium cation （BPy） （100.0）; 3. N-Butyl-4-methyl-pyridinium cation （BMPy） （100.0）; 4. N-Hexyl-pyridinium cation （HPy） （100.0）.

3.1.2 离子对试剂对离子保留的影响及其选择 比较了两种离子对试剂戊烷磺酸钠和庚烷磺酸钠对分离的影响，实验分别采用15%乙腈 ＋85% 1.0 mmol/L戊烷磺酸钠或庚烷磺酸钠（pH 4.0）为淋洗液，分离4种吡啶离子液体阳离子，结果见图2。戊烷磺酸钠做流动相时，对吡啶阳离子的保留较弱，使得3种短链的吡啶阳离子分离较差。为了提高吡啶阳离子的保留以便优化分离，实验选用庚烷磺酸钠作为离子对试剂。

Fig．2 Chromatograms obtained using different ion-pair reagents

淋洗液（Eluent），（a） 80% 1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（1-Heptanesulfonic acid sodium，pH 4.0） ＋20%乙腈（Acetonitrile）; （b） 80% 1.0 mmol/L戊烷磺酸钠（1-Pentanesulfonic acid sodium，pH 4.0） ＋20%乙腈（Acetonitrile）; 色谱柱（Column）: Chromolith Speed ROD RP-18e. 其它色谱条件和色谱峰号同图1 （The other chromatographic conditions and peak marks as in Fig．1）。

选定离子对试剂后，以80%庚烷磺酸钠（pH 4.0）-20%乙腈为淋洗液，考察了庚烷磺酸钠浓度分别为0.5, 1.0和1.5 mmol/L时，对4种阳离子保留的影响。结果表明，4种阳离子的保留因子均随着庚烷磺酸钠浓度的增大而不同程度增大。其中，长碳链的吡啶阳离子受到离子对试剂浓度的影响较大，此现象符合离子对色谱的保留规律。当庚烷磺酸钠浓度为0.5 mmol/L时，阳离子的保留较弱，不利于进一步改善分离；而当离子对试剂浓度过大时也会对柱子造成一定污染，因此，实验采用1.0 mmol/L庚烷磺酸钠。

3.1.3 乙腈浓度对离子保留的影响 实验固定色谱柱温度30 ℃，流速1.0 mL/min，分别以相应体积分数的1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（pH 4.0）＋10%， 15%， 20%， 25%和30%乙腈为淋洗液，考察乙腈含量变化对4种阳离子保留的影响。结果表明，随着乙腈体积分数的增加，4种阳离子的保留因子均不同程度地减小。由此可知，可以通过改变乙腈体积分数的梯度洗脱来优化吡啶阳离子之间的分离。在液相色谱

中，用乙腈作为流动相时，分析物保留因子与乙腈浓度之间有如下关系： logk＝cφ（CAN）＋d[7]。将4种吡啶阳离子保留因子的对数值logk与乙腈体积分数值φ（CAN）作图，所得曲线的线性回归数据见表1。由表1可知，logk与φ（CAN）之间呈现良好的线性关系，这表明吡啶阳离子的保留符合反相液相色谱模式。

3.1.4 淋洗液流速对离子保留的影响 实验采用90% 1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（pH 4.0）-10%乙腈作为淋洗液，柱温30 ℃，将淋洗液流速分别设定为1, 2, 3和4 mL/min，考察淋洗液流速变化对离子保留时间的影响。总体而言，阳离子的保留时间随流速的增大而缩短，且增大流速对色谱柱效基本没有影响。在流速逐渐增大过程中，柱压会随之增大，考虑到色谱仪可承受的最大压力为20 MPa，实验选取3 mL/min作为实验流速。

3.1.5 淋洗液梯度对离子分离的影响 考察乙腈浓度对分离的影响。通过改变乙腈体积分数的梯度淋洗改进分离。将色谱柱温度设定为30 ℃，流速为3.0 mL/min，以（A）1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（pH 4.0）＋（B）乙腈为淋洗液，实验考察了以下4个淋洗梯度对吡啶阳离子分离的影响。梯度1: 0～2.0 min, 10% B; 2.0～2.5 min, 10%～15% B; 2.5～4.0 min, 15% B; 4.0～4.5 min, 15%～20% B; 4.5～10.0 min, 20% B。梯度2: 0～4.0 min, 10% B; 4.0～4.5 min, 10%～15% B; 4.5～10.0 min, 15% B。梯度3: 0～2.0 min, 15% B; 2.0～2.5 min, 15%～20% B; 2.5～4.0 min, 20% B; 4.0～4.5 min, 20%～25% B; 4.5～10 min, 25% B。梯度4: 0～2.0 min, 10% B; 2.0～2.5 min, 10%～20% B; 2.5～4.5 min, 20% B; 4.5～5.0 min, 20%～25% B; 5.0～10.0 min, 25% B。结果表明，梯度2中，乙腈含量总体较低，所以保留时间较长，长碳链的阳离子峰形较差；梯度3和梯度4中，基线不稳，且长碳链的阳离子峰形较差。综合考虑，实验选定梯度1作为分离条件。

3.1.6 色谱柱温度对离子保留的影响 在选定的最佳梯度条件下，流速3.0 mL/min，将色谱柱温度设定在25， 30， 35和40 ℃，考察了色谱柱温度变化对离子保留的影响。结果表明，随着色谱柱温度升高，4种阳离子的保留时间仅略有缩短，但长碳链阳离子的色谱峰形会变差，又考虑到色谱柱的最高使用温度为45 ℃，因此，实验选取接近室温的30 ℃为适宜温度。

3.2 吡啶阳离子同系物保留的碳数规律

同系物的保留因子与碳原子数之间存在有碳数规律：logk＝anC ＋b[7]（k为保留因子，nC为同系物的碳原子数），将最佳色谱条件下所得的3种吡啶阳离子（EPy, BPy, HPy）的保留因子与吡啶阳离子烷基侧链的碳原子数作图，所得曲线的线性方程为logk＝0.2337nC

Symbolm@@ 0.3588，r＝0.9820。由此可知，logk和 nC之间呈现良好的线性关系，说明用整体柱在梯度淋洗条件下吡啶阳离子的保留符合碳数规律。

3.3 定量分析参数

通过以上研究，选择最佳色谱条件为：用Chromolith Speed ROD RP-18e 反相硅胶整体柱，以（A）1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（pH 4.0）＋（B）乙腈为淋洗液，在流速3.0 mL/min和柱温30 ℃下，进行梯度淋洗。淋洗梯度是0～2.0 min，10% B； 2.0～2.5 min，10%～15% B；2.5～4.0 min，15% B；4.0～4.5 min，15%～20% B；4.5～10.0 min，20% B。在此条件下，对4种吡啶阳离子系列标样进行测定，色谱图见图3。采用峰面积定量，以峰面积（积分值）对离子质量浓度（mg/L）求得线性回归方程，以3倍信噪比计算检出限（噪音为0.0396 mAU），连续5次重复测定EPy（40.0 mg/ L）， BPy（100.0 mg/L）， BMPy（100.0 mg/L）， HPy（100.0 mg/L）混合标样计算相对标准偏差（RSD），得到检出限、线性和重现性数据，结果见表2。

图3 离子液体标准溶液的色谱图

Fig．3 Chromatogram of a standard solution of ionic liquids

淋洗梯度（Elution gradient）: 0～2.0 min, 10% B; 2.0～2.5 min, 10%～15% B; 2.5～4.0 min, 15% B; 4.0～4.5 min, 15%～20% B; 4.5～10.0 min, 20% B。 淋洗液（Eluent）: A, 1.0 mmol/L庚烷磺酸钠（1-Heptanesulfonic acid sodium, pH 4.0）; B, 乙腈（Acetonitrile）. 色谱柱（Column）: Chromolith Speed ROD RP-18e. 流速（Flow rate）: 3.0 mL/min。 其它色谱条件和色谱峰号同图1（The other chromatographic conditions and peak marks as in Fig．1）。

3.4 样品分析

采用本方法测定了实验室合成的离子液体N-丁基-4-甲基吡啶四氟硼酸盐和污水中的上述4种阳离子。污水样品经过2次定量滤纸过滤和2次0.22

SymbolmA@ m滤膜过滤后进行色谱分析,色谱图见图4。采用标准加入法检验了方法的回收率，样品分析结果及回收率数据见表3。表中数据为5次测定平均值，其相对标准偏差小于2.5%。

图4 污水样品的色谱图

Fig．4 Chromatograms of sewage water sample

a. 污水样品（Sewage water sample）; b. 加标污水样品（Sewage water sample spiked with Epy 20.0 mg/L, BPy 40.0 mg/L, BMPy 40.0 mg/L, HPy 40.0 mg/L）。 色谱条件和色谱峰号同图3 （Chromatographic conditions and peak marks as in Fig． 3）。

表3 样品分析结果及回收率

Table 3 Analytical results and recoveries of pyridinium cations found in samples

样品Sample离子Ion含量Original（mg/L）加标量Added（mg/L）总测得量Found（mg/L）回收率Recovery（%）样品中含量Content in sample（%）

合成的N-丁基-4-甲基吡啶四氟硼酸盐离子液体 Synthesized N-butyl-4-methyl-pyridinium tetrafluoroborate ionic liquidEPyBPyBMPyHPy－－52.80－20.040.040.040.019.6838.2691.4838.9598.495.796.797.4

44.0

污水Sewage waterEPyBPyBMPyHPy－－－－20.040.040.040.019.4439.61

38.9938.4597.299.097.596.1

3.5 小结

本方法采用较高流速下的梯度洗脱程序优化分离，4种吡啶离子液体阳离子可达到基线分离，且检出限较低。以庚烷磺酸钠-乙腈作为流动相，增大离子对试剂庚烷磺酸钠的浓度，阳离子保留时间延长；增加乙腈含量，阳离子保留时间缩短，并且色谱峰形有所改善。吡啶阳离子同系物的保留遵循碳数规律。将此方法应用于合成离子液体和污水样品分析，结果准确。

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Rapid Determination of Pyridinium Ionic Liquid Cations by Ion-Pair

Chromatography Using a Reversed Phase Silica-Based Monolithic Column

MENG Ling-Min, YU Hong.*, HUANG Xu, MA Ya-Jie

（College of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin Normal University, Harbin 150025， China）

Abstract A fast and gradient ion-pair chromatographic method was developed for the determination of four pyridinium ionic liquid cations using a reversed phase silica-based monolithic column and ultraviolet detection. Chromatographic separations were performed on a Chromolith Speed ROD RP-18e column with 1-heptanesulfonic acid sodium solution（pH 4.0 adjusted by citric acid）＋acetonitrile as eluent and gradient elution. The effects of chromatographic column, eluent, flow rate and column temperature on retention and separation of the cations were investigated. The retention rules of pyridinium cations on the monolithic column were discussed. The retention of imidazolium cations accords with carbon number rule. The gradient elution procedure was optimized using 1.0 mmol/L 1-heptanesulfonic acid sodium（pH 4.0）＋acetonitrile as eluent, and simultaneous separation of four pyridinium cations within 7 min was achieved under the optimum gradient conditions. Detection limits（S/N＝3） for the cations were 0.05－0.17 mg/L. Relative standard deviations（n＝5） for peak areas were less than 0.6%. The method has been applied to analyze the ionic liquid synthesized by chemical laboratory and sewage water with spiked recoveries of 95.7%－99.0%. The method is accurate, reliable and rapid, and has better practicability.

Keywords Ion-pair chromatography; Monolithic column; Ionic liquids; Pyridinium cations; Ultraviolet detection

（Received 29 June 2011; accepted 5 September 2011）