測定高分子聚合物-金屬配合物穩定常數及平均配位數的新方法

楊士鳳 段華玲 林繼軍 朱建穎 弓振斌

(1廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室，廈門 361102)

(2廈門大學海洋與地球學院，廈門 361102)

(3廈門大學環境與生態學院，廈門 361102)

配合物穩定常數、平均配位數是表征高分子聚合物與金屬離子配合反應的重要參數，也是研究高分子聚合物應用于金屬離子分離、富集過程或工藝參數優化的理論基礎[1-3]。水溶性聚合物因其具有良好的化學穩定性、大量的配位基團以及與金屬離子較好的配位能力[4-5]，得到廣泛應用[6-9]。聚乙烯亞胺(PEI)是最常用的水溶性高分子聚合物，其分子鏈上大量的胺基[4,10]可與金屬離子形成穩定的配合物，廣泛應用于地下水處理[11]、工業廢水中金屬離子的去除及回收[12]，以及海水中痕量/超痕量金屬離子與基體分離研究[13]。

水溶性高分子聚合物-金屬離子配合物穩定常數、配位數的測定方法有電化學法[14-17]、分光光度法[18-19]、超濾法[3,20-22]等。電化學法是基于配合物形成導致溶液電化學性質的改變進行測定，主要有電位滴定法[14-15]、pH 電位法[16]和極譜法[17]等，但測定和計算過程較繁瑣。分光光度法基于金屬離子與配位體形成有色配合物，根據溶液吸光度的變化，確定配合物化學組成及穩定常數，適用于摩爾吸收系數較大且與配位體的摩爾吸收系數有明顯差別的配合物[18-19]。超濾法則通過超濾技術將聚合物-金屬離子配合物與金屬離子的其它形態分離，然后計算穩定常數和平均配位數；黃佳華等[22-23]利用離心超濾技術，結合化學平衡理論模型，測定了PEI-Cd配合物的穩定常數和平均配位數；該方法具有模型簡單、通用的特點，但離心超濾過程費時、繁瑣，容易造成玷污進而影響結果的準確性。為此，本文在研究組建立的化學平衡理論模型基礎上[22-23]，建立一種快速、準確的在線分離、測定技術，提高聚合物與金屬離子配合物穩定常數、平均配位數測定的準確性。

凝膠過濾色譜(GFC)因其操作簡單、分離條件溫和、重現性好、應用范圍廣[24]，在多肽、蛋白質等生化組分的分離、純化及分子量的測定中得到廣泛應用[25-27]。本文嘗試將GFC技術與電感耦合等離子體質譜(ICPMS)結合，建立水溶性高分子聚合物-金屬離子配合物穩定常數和平均配位數測定的新方法。文中以PEI和Cu2+為例，介紹了測定PEI-Cu配合物穩定常數、平均配位數的過程，并研究了溶液pH值對測定結果的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 1100HPLC(美國 Agilent Technologies公司)，TSK-GEL PWH 柱(7.5 mm×7.5 cm,12 μm，日本Tosoh 公 司 )；Agilent 7700x ICPMS(美 國 Agilent Technologies公司)；THZ-82型水浴恒溫振蕩器(金壇市富華儀器有限公司)。儀器優化后的操作條件如表1。

聚乙烯亞胺質量分數為50%的水溶液，平均分子量 Mw=750 kD(美國 Sigma-Aldrich公司)，用超純水稀釋后得到 1 000 mg·L-1的工作液；1 000 mg·L-1Cu2+標準儲備溶液(國家標準物質中心)；硝酸、醋酸和醋酸鈉為優級純(德國Merck公司)；HAc-NaAc緩沖溶液濃度為 0.02 mol·L-1，pH 值分別為 4.1、4.5、4.9、5.3； 實驗用水為超純水(18.2 MΩ·cm，美國Millipore公司)；低密度聚乙烯(LDPE)瓶、聚四氟乙烯(PTFE)瓶(美國 Nalgene 公司)。

表1 GFC-ICPMS工作參數Table 1 Optimum operatiing conditions for GFC-ICPMS

1.2 實驗過程

實驗中使用的LDPE瓶、PTFE瓶等器皿的洗滌步驟[28]：1%洗潔液浸泡1 d，超純水清洗3次；然后用30%HNO3(V/V)浸泡7 d，超純水淋洗3次；最后用10%HNO3(V/V)浸泡7 d，超聲3次，超純水淋洗3次，于潔凈工作臺內風干備用。

移取 20 mL pH=4.1的 HAc-NaAc緩沖溶液于30 mL LDPE 瓶中，加入 100 μL 1 000 mg·L-1PEI溶液和 20 μL 10 mg·L-1Cu2+標準溶液，置于 25 ℃水浴恒溫振蕩器中振蕩反應25 min，直至溶液反應完全；反應后的混合溶液用GFC分離及ICPMS測定，流動相為pH值與上述反應液一致的HAc-NaAc緩沖液，流速為 0.5 mL·min-1，進樣量 100 μL；分離后的流出物直接引入ICPMS進行測定。改變溶液的pH 值分別為 4.5、4.9、5.3，研究溶液酸度對 PEI與Cu2+配合反應平衡的影響，流動相為相應pH值的HAc-NaAc緩沖液。

2 結果與討論

2.1 溶液中的配合反應-化學平衡理論模型

若溶液中僅含Cu2+，加入PEI后，溶液中發生的反應主要有PEI與Cu2+的配合、PEI的質子化以及Cu-氫氧配合物的形成；實驗中使用HAc-NaAc緩沖液控制溶液pH值，溶液中還存在Cu2+與Ac-的配合反應。在上述所有反應中，PEI與Cu2+的配合反應為主反應，其它反應均為副反應。

溶液中的主反應方程式為：

Cu2++nPEI?Cu(PEI)n

為簡單起見，反應方程式中忽略了電荷平衡。當溶液的反應達到平衡時，反應常數即為形成PEI-Cu配合物的穩定常數(KPEI-Cu):

式中，cCu2+和cCu(PPEI)n為配合反應達到平衡時，溶液中分別以自由離子和高分子配合物形式存在的濃度；cPEI為反應達到平衡時，未形成PEI-Cu配合物的中性胺基基團的濃度；n為溶液中Cu2+與PEI分子中配位的胺基基團的個數，即PEI-Cu配合物的平均配位數。

溶液同時還存在副反應，即PEI的質子化、Cu2+與OH-或Ac-的配合等副反應，反應方程式為：

PEI+H+? PEI·H

Cu2++iOH?Cu(OH)i

Cu2++jAc-?Cu(Ac)j

上述各副反應方程式中，同樣忽略了電荷平衡。PEI·H表示PEI分子中的一個胺基基團與H+的質子化反應，其濃度cPEI·H是PEI分子中質子化胺基的濃度。各副反應的反應常數分別為：

式(6)中，僅有n、KCu(PEI)n是未知的。實驗設計時，通過改變溶液中參與反應的Cu2+和PEI初始濃度的比值，得到不同的lgY值；而lgY與lgcPEI之間呈線性關系，待測的平均配位數n為直線的斜率，而KCu(PEI)n則包含在直線的截距中。此即為本文實驗中使用的化學理論模型。

上述理論模型中，以下過程影響測定結果的準確性，實驗中需要進行控制：

(1)色譜柱材料與溶液中的PEI-Cu及Cu的其它化學形態不能發生化學反應，且在分離過程中沒有化學形態的改變[29-30]；實驗選擇聚甲基丙烯酸酯填料的分離柱，并控制流動相的離子強度大于0.1 mmol·L-1，可達到此要求[29]。

(2)控制溶液的pH值在合適范圍，以減少Cu(OH)i的形成，降低由于其形成沉淀影響測定結果的準確性。實驗中控制pH＜6.0，可以認為沒有Cu(OH)i形 成[31]。

(3)PEI-Cu配合物與溶液中PEI中性分子、質子 化 的 PEI·H 的保留時間相同[3]；Cu2+、Cu(OH)i、Cu(Ac)j的保留時間也相同。實驗中選擇極低分離能力的GFC保護柱進行，僅能將大分子量的聚合物、聚合物-金屬配合物與小分子量金屬配合物及自由態Cu2+分離開，而分子量相差1～2個數量級的化合物保留時間近似。

2.2 PEI-Cu配合物穩定常數的測定

依照上述化學平衡理論模型及GFC-ICPMS測定方法，實驗中采用以下2種實驗方案測定PEI-Cu配合物的穩定常數：

(1)在 10 μg·L-1的 Cu2+溶液中加入濃度分別為0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mg·L-1的 PEI溶液，得到一系列不同Cu2+、PEI濃度比的混合溶液，待配合反應達到平衡后，測定溶液中cCu(PEI)n與cCu2++cCu(OH)i+cCu2+的濃度比值，依照式(6)處理數據并進行線性擬合，求得PEI-Cu配合物的穩定常數和平均配位數。圖1、圖2分別為該方案得到的GFC-ICPMS譜圖及數據線性擬合結果。

圖1 不同PEI濃度時的GFC-ICPMS色譜圖Fig.1 GFC-ICPMS chromatogram at different concentration of PEI

圖2 lgY與lgcPEI的線性擬合曲線Fig.2 Linear Regression curve of lgY and lgcPEI

(2)在 5.0 mg·L-1PEI溶液中加入濃度分別為10、20、30、50、70 μg·L-1的 Cu2+，得到一系列不同Cu2+、PEI濃度比的混合溶液，測定配合反應達到平衡時溶液中cCu(PEI)n與cCu2++cCu(OH)i+cCu(Ac)j的濃度比值，利用方案(1)得到的平均配位數和式(6)計算得到PEI-Cu配合物的穩定常數。圖3為該方案得到的GFC-ICPMS譜圖。

圖3 不同Cu濃度時的GFC-ICPMS色譜圖Fig.3 GFC-ICPMS chromatogram at different concentration of Cu2+

在25℃，pH=4.1時，依據上述2種方案測定了PEI-Cu配合物的穩定常數及平均配位數，如表2示。實驗結果表明，上述2種方案測得PEI-Cu穩定常數基本一致，可采用其中任一種方法測定穩定常數。

表 3 列出了 25 ℃、pH=4.1～5.3 時，本法測得PEI-Cu配合物的穩定常數與文獻報道結果的比較。盡管本文使用的PEI的平均分子量、采用的測定方法以及使用的化學理論模型等與已有報道存在差異，但實驗測得的穩定常數、平均配位數與報道結果相當接近，且重復性好、準確度高，說明本實驗建立的方法合理、可靠。

表2 PEI-Cu配合物的穩定常數及平均配位數(25℃,pH=4.1,I=0.003 mol·L-1)Table 2 Complexation stability constant and coordination number of PEI-Cu complex(25 ℃,pH=4.1,I=0.003 mol·L-1)

表3 PEI-Cu配合物的穩定常數和平均配位數Table 3 Complexation stability Constants and coordination numbers of PEI-Cu

2.3 pH值對PEI-Cu配合反應平衡的影響

實驗選用HAc-NaAc緩沖體系，以保證PEI與Cu2+的配合反應在固定的pH條件下進行。當溶液pH 值分別為 4.1、4.5、4.9、5.3 時，溶液 pH 值對 PEICu配合反應平衡的影響如圖4示。實驗結果表明，pH對Cu2+與PEI配合反應平衡的影響顯著，PEI-Cu配合穩定常數及平均配位數均隨pH的增大而增加。產生這種影響的主要原因是pH值影響PEI分子中胺基的質子化，表現為以下兩個方面：

圖4 pH值對PEI與Cu2+配合反應的影響Fig.4 Effect of pH on the reaction of PEI and Cu2+

(1)溶液中存在金屬離子與質子的競爭反應。實驗條件下(pH=4.1～5.3)，PEI 質子化程度相當嚴重；研究表明[14]，pH=3.0時只有約10-7的胺基未發生質子化，pH=5.0 時約為 0.001%； 即使 pH=7.0，仍有99.91%質子化。因此，溶液中存在金屬離子與質子對PEI分子中胺基基團上孤對電子的競爭。pH值較低時，溶液中質子的競爭占優勢，降低了與Cu2+配合的PEI分子中中性胺基的含量；隨pH值增加，金屬離子的競爭占優勢，PEI與金屬離子的配合作用加強。

(2)影響了PEI分子的結構。在較低的pH值時，PEI分子強烈的質子化，由于帶正電荷胺基基團的靜電排斥作用，聚合物鏈延伸至相對較大的空間范圍[3]，不利于配合作用的發生；隨著pH值的升高，PEI分子中因質子化而帶正電荷的基團數量減少，PEI分子產生較小的排斥作用，甚至可能會發生分子與分子之間的纏繞，增強了聚合物的配合作用[34]。

3 結 論

本實驗將GFC分離與ICPMS技術相結合應用于聚合物-金屬離子配合物穩定常數及平均配位數的研究，利用化學平衡理論模型，實現了PEI-Cu配合物穩定常數及平均配位數的測定；研究并考察了不同pH值對配合反應平衡的影響，結果表明，25 ℃、pH=4.1～5.3 時，PEI-Cu 配合物穩定常數及平均配位數均隨pH的增加而增加。

文中建立的新方法實現了高分子聚合物-金屬離子配合物及金屬元素其它形態的在線分離及測定，降低了實驗過程中可能的玷污，方法簡便、快速、可靠；可以應用于不同金屬離子與PEI以及其它水溶性高分子聚合物形成的配合物穩定常數、平均配

位數的準確測定。

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