专利名称：聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱单泵柱切换技术联用的方法
技术领域：
本发明涉及一种与聚合物碳纳米管色谱柱联用的离子色谱单泵柱切换技术，特别 是涉及一种简化的，采用聚合物碳纳米管色谱柱作为样品在线前处理的离子色谱柱切换技 术。
背景技术：
柱切换技术作为经典的样品前处理技术被广泛地用于复杂基体的在线消除，样品 的富集，以及多维色谱分离。在离子色谱领域，柱切换技术往往用于分析痕量离子时消除高 浓度的基体干扰。因为过高的基体浓度往往污染离子色谱柱，同时基体峰容易掩盖目标离 子峰；此外，由于目标离子浓度太低，不能用稀释的方法将目标峰与杂质峰分开。除此之外， 柱切换技术还用于同时分离阴阳离子的离子色谱系统，利用切换技术同时使用阴离子柱与 阳离子柱分离。但是所有这些离子色谱柱切换体系中，往往采用的都是两个流路系统，一个 流路用于基体消除，一个流路用于目标离子分离。这就会导致整个分析系统过于复杂化，需 要多个色谱泵，以及众多管路，这对普通的实验室无疑是一个负担。所以需要进一步简化离 子色谱柱切换系统的设备流路，从而节省试剂，更符合绿色化学的目的。此外，一般用于离 子色谱柱切换的前处理柱往往是离子对色谱和离子排斥色谱，这两种色谱柱的应用范围有 限，对所分离的离子往往保留时间较长，所以也需要一种更通用，保留时间更短的前处理柱 来弥补这个不足。
发明内容
本发明提供一种聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法。简化 了离子色谱柱切换系统，节省试剂的使用，减少保留时间，拓宽样品分析范围。本发明提供一种聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法，在离 子色谱单泵柱切换系统中进行，其特征是采用聚合物碳纳米管色谱柱进行样品在线前处 理，与离子色谱单泵柱切换技术联用，分析步骤依次包括基线测绘、样品装载到定量环、基 体消除以及目标离子富集、分离分析目标离子和前处理柱再生；具体步骤为(1)将离子色谱单泵柱切换系统中的各部件连接好，构成离子色谱单泵柱切换系 统，前处理柱为聚合物碳纳米管色谱柱；泵装满流动相后打开，保护用的氮气打开，检测器 打开，开始记录基线信号。(2)样品通过手动进样注入十通阀，定量环控制样品容量，样品装载完毕后，将六 通阀和十通阀切换到相反位置，淋洗液流过定量环进样，前处理柱与富集柱连通，前处理柱 对目标离子无保留，而对基质化合物有保留，因此目标离子直接流出前处理柱富集在富集 柱上。(3)4. 8分钟后，等到前处理柱上的目标离子被完全洗脱后，将六通阀和十通阀再 一起切换到原来的位置，淋洗液发生器产生的淋洗液洗脱富集柱上的目标离子，通过分析柱进行分离分析，电导检测器检测；通过抑制器后，淋洗液变成纯水，用来清洗前处理柱，洗 去残留的基体物质。(4)在前处理柱后再加一个检测器对流入废液瓶前的淋洗液进行监测，所有的目 标离子在经过第一个检测器后会再流经前处理柱，最后进入废液瓶，因此后添加的检测器 记录的基线上在基体峰之后还有目标离子的小峰；等到所有的小峰都出完，表明前处理柱 已经再生完毕，停止检测，开始下一次进样。本发明提供的聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切焕技术的联用，包括样品基 体的在线消除，目标离子的预富集和目标离子的色谱分离分析。本发明的离子色谱单泵柱切换系统中包括一个泵，一个淋洗液发生器，一个六通 阀，一个十通阀，一个定量环，一个抑制器，一个检测器，一个手动进样针，一根浓缩柱，一个 废液瓶，一根前处理柱，一根保护柱，一根分析柱，一个氮气瓶；各部件的连接关系是泵与 淋洗液发生器相连，然后淋洗液经过六通阀，接上保护柱和分析柱，经过抑制器后进入检测 器检测，然后通过十通阀与前处理柱相连，最后进入废液瓶；十通阀上连接有定量环，在六 通阀上连接有浓缩，柱整个系统由氮气瓶提供氮气的保护。本发明提供的聚合物碳纳米管色谱柱，是以苯乙烯-二乙烯基苯为聚合物基质， 多壁碳纳米管作为掺杂相，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，合成聚合物碳纳米管复合微球，抽提除去制孔剂，得到 的色谱填料，用勻浆法装柱，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 1. 8 iim左右，粒径均勻，无需分级；b.采用单步种子溶胀法合成聚合物碳纳米管复合微球在合成的单分散线性聚苯乙烯微球上加入邻苯二甲酸二丁酯将种子活化，随后再 加入单体苯乙烯，交联剂二乙烯基苯，添加剂多壁碳纳米管，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�：椭驴准良妆浇腥苷停欢蠹尤纫⒎从κ沟ヌ寰酆希� 制备得到单分散聚合物碳纳米管复合微球，粒径在5 ym左右，无需筛分和分级。制备的小 球需要经过甲苯抽提除去致孔剂，得到聚合物碳纳米管复合色谱填料。用甲醇，水洗净，勻 浆法装柱。本发明中使用的多壁碳纳米管预先经过混合强酸氧化处理，采用3 l(v/v)的浓 硫酸/浓硝酸作为氧化剂，在35°C将多壁碳纳米管放在混合强酸中进行超声，6小时后停 止，用去离子水洗至中性后干燥。本发明的优点本发明提供的聚合物碳纳米管色谱柱能够用作各种有机化合物的在线样品前处 理柱，包括有机溶剂，有机酸类以及相应的有机酸盐类物质，拓展了柱切焕系统的样品范 围，也简化了色谱柱配备，减轻分析成本。本发明提供的柱切换技术利用阴离子抑制器通过阳离子交换膜的作用，将K0H流 动相电解为纯水，因此抑制器前与抑制器后的流动相完全不同，在同一个流路中能够提供 两种流动相，这大大有利于实验设备的简化，只需要一个色谱泵来提供动力，就能保证两种流动相分别用于基体消除和离子分析。本发明利用一个十通阀和一个六通阀，实现了整个的柱切换过程，同时样品的基 体消除和分析检测同时进行，加快分析速度。跟传统的离子色谱柱切换系统相比，节省了转 换阀的用量，也节省了分析时间。同时，使用本切换技术，完全不用进行样品前处理，所有前 处理过程均在线进行，有助于高通量分析，也节省了前处理过程中的试剂用量，符合绿色化 学的要求。本发明提供一种设备简单，分析快速，无需样品前处理，适合高通量样品测试的离 子色谱单泵柱切换技术。本发明利用聚合物碳纳米管复合色谱柱作为前处理柱，能够分析多种样品基质， 包括有机溶剂，有机酸及其盐类。本发明提供一种简化的与聚合物碳纳米管复合色谱联用的离子色谱单泵柱切换 技术。与传统的柱切换系统相比，该系统所需要的仪器设备更加简化，试剂用量减少，分析 时间减短，无需多余样品前处理步骤，适用样品范围增加，适合在线高通量分析，符合绿色 化学要求。本发明分析方法对常见的七种阴离子进行分析，线性范围为5-2000 y g/L，线性 相关系数在0. 9990以上，检测限小于3. g/L，保留时间，峰面积的相对标准偏差小于 3. 36%。
图1进样加载到定量环(0分钟以前)以及色谱分析示意图(4. 8分钟以后)图2基体消除与目标离子富集示意图(0 4. 8分钟)图1和图2中1为泵，2为淋洗液发生器，3为六通阀，4为十通阀，5为200 iiL定 量环，6为电化学自再生抑制器，7为电导检测器，8为手动进样针，8为浓缩柱，10为废液瓶， 11为前处理柱，12为保护柱，13为分析柱，14为氮气瓶，15为去离子水淋洗液。图3切换时间与目标离子二次进入前处理柱色谱示意3中，1-目标离子混合离子峰，2-基体样品峰，3-目标离子分离后二次进入前处 理柱出峰图4常见7种阴离子标准色谱5乙二醇苯醚中痕量阴离子色谱6辛酸钠中痕量阴离子色谱图
具体实施例方式实施例1 聚合物碳纳米管复合色谱填料的制作过程如下，其步骤为(1)先通过分散聚合法合成1. 8 ym单分散聚苯乙烯种子，单体浓度为20%，稳定 剂浓度为3%，引发剂用量为单体的4%，反应介质为95%乙醇水溶液，反应温度70°C，搅拌 速度在250转/分钟，反应时间24小时。(2)将50mg多壁碳纳米管用200mL浓硫酸/浓硝酸=3 1 (v/v)混合酸溶液氧 化处理，35°C超声6小时，洗至中性后干燥。然后通过种子溶胀法制备得到交联度55%的 单分散聚苯乙烯-二乙烯基苯-碳纳米管复合微球。单体浓度为10%，碳纳米管的含量占单体的1 %，乳化剂用量为1 %，稳定剂用量为3%，引发剂用量为单体的2%，致孔剂用量为 50%，溶胀比为50，乳化温度为25V，反应温度75°C，搅拌速度300转/分钟，反应时间48 小时。(3)将共聚微球用甲苯抽提除去致孔剂，然后用水，乙醇洗净，即得所需填料。制得 的填料用勻浆法装柱。作为柱切换系统中的前处理柱备用。实施例2 聚合物碳纳米管复合色谱与离子色谱单泵柱切换联用具体检测步骤 为1)将系统按照图1连接好泵1与淋洗液发生器2相连，然后淋洗液经过六通阀3， 接上保护柱12和分析柱13，经过抑制器6后进入检测器7检测，然后通过十通阀4与前处 理柱11相连，最后进入废液瓶10。十通阀4上接有200 y L的定量环5，整个系统有氮气的 保护，14为氮气瓶，在六通阀3上连接有浓缩柱8。泵1装满流动相后打开，流速为0. 5mL/ min。将保护用的氮气14打开，开到压力为5psi左右。检测器7打开，开始记录基线信号。2)样品通过手动进样8注入十通阀4，定量环5的样品容量为200微升。样品装 载完毕后，将六通阀3和十通阀4切换到相反位置，淋洗液流过定量环进样。前处理柱与富 集柱连通，前处理柱对目标离子无保留，而对基质化合物有保留，因此目标离子直接流出前 处理柱富集在富集柱上(图2)。3)4. 8分钟后，等到前处理柱上的目标离子被完全洗脱后，将六通阀3和十通阀4 再一起切换到原来的位置，淋洗液发生器2产生的K0H淋洗液洗脱富集柱上的目标离子，通 过分析柱进行分离分析，电导检测器检测(图1)。而前处理柱仍旧用经过抑制器6转化的 淋洗液冲洗，洗去残留的基体物质。4)在前处理柱后再加一个泵，会发现所有的目标离子在经过检测器后还会经过前 处理柱，再进入废液瓶，因此基线上在基体峰之后还有目标离子的小峰(如图3)。等到所有 的小峰都出完，才能够停止检测，开始下一次进样。参见附图3切换时间与目标离子二次进入前处理柱色谱示意图1-目标阴离子混合峰，2-样品基质峰，3-二次洗脱目标离子分离峰，切换时间 4. 8分钟。实施例3 本实施例是对七种常见无机阴离子混合标样用柱切换技术进行分析使用的仪器离子色谱仪；色谱泵；电导检测器；色谱工作站；六通阀一个；十通 阀一个；高纯氮气瓶；分析柱；保护柱；富集柱；200 y L进样量；电化学自再生抑制器。前处理柱采用实施例1的聚合物碳纳米管复合填料填装于4. 6 X 150mm不锈钢 柱。洗脱液H20，K0H淋洗液发生器浓度18mM，抑制器电流90mA，流速为0. 65mL/ min。分析步骤(1)基线测绘将洗脱液用泵输送入色谱分离柱使其达到平衡，从色谱分离柱输出的洗脱液流过 电导流通池时由电导检测器转化为电信号，从而形成基线被测绘。(2)切换时间优化在聚合物碳纳米管复合色谱柱后接一电导检测器，通过谱图观察常规阴离子完全分离从基体中被洗脱所需时间，作为切换时间。本实验中确定的切换时间为4. 8分钟。(附 图3)(3)标样分析确定好切换时间后，按照实施例2所述的分析步骤进行操作。7中常规无机阴离子 混合标样的谱图(图4)。分析结果标样中的各种无机阴离子的线性范围为5-2000 y g/L，线性相关系数 在0. 9990以上，检测限小雨3. 17 ii g/L，保留时间，峰面积的相对标准偏差小于3. 36%。参见附图4常见7种无机阴离子的色谱图1-F_(lppm)，2-Br(V(lppm)，3_Cr(lppm)，4-N02"(lppm)，5-Br"(lppm)， 6-NCV (lppm)，7-S0, (lppm)实施例4 本实施例是乙二醇苯醚样品中痕量无机阴离子的分析使用的仪器与实施例3相同。前处理柱与实施例3相同
洗脱液与实施例3相同。分析步骤同实施例3。所测绘的谱图见图5。分析结果是乙二醇苯醚中氟离子浓度为1. 53mg/Kg，氯离子浓度为4. 90mg/Kg, 硝酸根离子浓度为5. 63mg/Kg，硫酸根离子浓度为41.27mg/Kg。其它离子未检出。7种无机 阴离子的加标回收率范围在85. 4 119. 0%之间。参见附图5苯甲醇中痕量无机阴离子的色谱图l-r，2-Cr，3_N(V，4-S042-实施例5 本实施例是辛酸钠样品中痕量无机阴离子的分析使用的仪器与实施例3相同。前处理柱与实施例3相同洗脱液与实施例3相同。分析步骤同实施例3。所测绘的谱图见图6。分析结果是辛酸钠中氟离子浓度为16. 54mg/Kg，氯离子浓度为26. 18mg/Kg，亚 硝酸根离子浓度为2. 12mg/Kg，硝酸根离子浓度为2. 77mg/Kg，硫酸根离子浓度为21. 06mg/ Kg。其它离子未检出。7种无机阴离子的加标回收率范围在88. 3 119. 5%之间。参见附图6苯甲酸中痕量无机阴离子的色谱图1-r，2-Cr, 3-NCV，4-NCV，5_S042\
权利要求
一种聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法，在离子色谱单泵柱切换系统中进行，其特征是采用聚合物碳纳米管色谱柱进行样品在线前处理，与离子色谱单泵柱切换技术联用，分析步骤依次包括基线测绘、样品装载到定量环、基体消除以及目标离子富集、分离分析目标离子、前处理柱再生；具体步骤为(1)将离子色谱单泵柱切换系统各部件连接好，构成离子色谱单泵柱切换系统，前处理柱为聚合物碳纳米管色谱柱；泵装满流动相后打开，保护用的氮气打开，检测器打开，开始记录基线信号；(2)样品通过手动进样注入十通阀，定量环控制样品容量，样品装载完毕后，将六通阀和十通阀切换到相反位置，淋洗液流过定量环进样，前处理柱与富集柱连通，前处理柱对目标离子无保留，而对基质化合物有保留，因此目标离子直接流出前处理柱富集在富集柱上；(3)4.8分钟后，等到前处理柱上的目标离子被完全洗脱后，将六通阀和十通阀再一起切换到原来的位置，淋洗液发生器产生的淋洗液洗脱富集柱上的目标离子，通过分析柱进行分离分析，电导检测器检测；通过抑制器后，淋洗液变成纯水，用来清洗前处理柱，洗去残留的基体物质，将前处理柱再生；(4)在前处理柱后再加一个检测器对流入废液瓶前的淋洗液进行监测，所有的目标离子在经过第一个检测器后会再流经前处理柱，最后进入废液瓶，因此后添加的检测器记录的基线上在基体峰之后还有目标离子的小峰；等到所有的小峰都出完，表明前处理柱已经再生完毕，停止检测，开始下一次进样。
2.根据权利要求1所述的聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法， 其特征是离子色谱单泵柱切换系统中包括一个泵，一个淋洗液发生器，一个六通阀，一个 十通阀，一个定量环，一个抑制器，一个检测器，一个手动进样针，一根浓缩柱，一个废液瓶， 一根前处理柱，一根保护柱，一根分析柱，一个氮气瓶；各部件的连接关系是色谱泵与淋 洗液发生器相连，然后淋洗液经过六通阀，接上保护柱和分析柱，经过抑制器后进入检测器 检测，然后通过十通阀与前处理柱相连，最后进入废液瓶；十通阀上连接有定量环，在六通 阀上连接有浓缩，柱整个系统由氮气瓶提供氮气的保护。
3.根据权利要求1所述的聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法， 其特征是所述聚合物碳纳米管色谱柱，是以苯乙烯_ 二乙烯基苯为聚合物基质，多壁碳纳 米管作为掺杂相，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，合成聚合物碳纳米管复合微球，抽提除去制孔剂，得到的色谱填 料，色谱填料用勻浆法装柱。
4.根据权利要求1所述的聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法， 其特征是聚合物碳纳米管色谱柱在线样品前处理柱，处理包括有机溶剂，有机酸类以及相 应的有机酸盐类物质。
5.根据权利要求1所述的聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法， 其特征是离子色谱单泵柱切换系统中，利用阴离子抑制器通过阳离子交换膜的作用，将K0H 流动相电解为纯水，抑制器前与抑制器后的流动相完全不同，在同一个流路中能够提供两 种流动相。
全文摘要
一种聚合物碳纳米管色谱柱与离子色谱柱切换技术联用的方法，在离子色谱单泵柱切换系统中进行，其特征是采用聚合物碳纳米管色谱柱进行样品在线前处理，与离子色谱单泵柱切换技术的联用，分析步骤依次包括基线测绘、样品装载到定量环、基体消除以及目标离子富集、分离分析目标离子；与传统的柱切换系统相比，该系统所需要的仪器设备更加简化，试剂用量减少，分析时间减短，无需多余样品前处理步骤，适用样品范围增加，适合在线高通量分析。本发明成本低，制作工艺简单，性能优异，能够有效用于各种有机化合物的分离分析，包括有机溶剂，有机酸以及有机酸盐类等。
文档编号G01N30/02GK101858896SQ20101020295
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月17日 优先权日2010年6月17日
发明者朱岩, 钟莺莺 申请人:浙江大学
专业数控铣床产品供应商
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