甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的高效液相色譜分析方法

徐 馨，馬政生，岳 娜

（西北大學 化工學院，陜西 西安 710069）

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（簡稱DMC）屬于季銨鹽型陽離子表面活性劑。DMC的分子鏈中帶有雙鍵，既可以進行均聚，也可以和許多活性單體進行共聚［1-4］，主要用于制備陽離子改性的聚合物。DMC的均聚物和共聚物具有相對分子質量可控、陽離子度可調、水溶性好等優點，因而在油田化學、石油化工、水處理和采煤等行業有著廣泛的應用［5］。將DMC與丙烯酸高碳酯共聚可得到新型聚季銨鹽型油品抗靜電劑［6］；將DMC與丙烯酸低碳酯共聚可制備用于聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯和聚氯乙烯等塑料的抗靜電劑［7］；DMC與丙烯酰胺（AM）和丙烯酸通過分散聚合法可得到“水包水”的乳液型絮凝劑［8］；將DMC與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、AM、苯乙烯磺酸鈉共聚可制備具有較好耐溫抗鹽性能和抗鈣侵能力的鉆井泥漿用降濾失劑［9］；以DMC和AM為單體，采用反相懸浮聚合法可制備陽離子型高吸水性樹脂［10］。以AM為主單體、對苯乙烯磺酸鈉和DMC為改性單體，通過水溶液聚合可制備一種具有抗鹽性、耐高溫性、快速增黏性能的聚合物［11］。

目前，關于DMC的生產工藝及應用研究的報道較多，但關于DMC分析檢測的報道較少。對于陽離子季銨鹽化合物的分析檢測，早期采用的是兩相滴定法、碘量法和銀量法等，但這些方法的靈敏度較低［12］。隨后建立了分光光度法、熒光分析法、毛細管電泳法、色譜法和質譜法等［13-17］。其中，高效液相色譜（HPLC）法多以C8或C18色譜柱為固定相，并在流動相中加入離子對試劑（戊烷磺酸鈉等）［18-19］。

本工作采用AcclaimTMSurfactant Plus色譜柱，以乙酸銨溶液-乙腈為流動相，使用紫外檢測器，建立了DMC的HPLC分析方法。該方法快速、準確、重現性高，且不使用離子對，可用于科研及生產領域中DMC的定性定量分析，也可進一步推廣到其他類型的季銨鹽的分析檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

Thermo Fisher Scientific公司ThermoU3000型高效液相色譜儀，配有VWD-3400RS型紫外檢測器及Chromeleon工作站；Thermo Fisher Scientific公司AcclaimTMSurfactant Plus型色譜柱；Ohaus Corporation公司CP214型電子分析天平。

DMC標準品：質量分數75%，山東西亞化學股份有限公司；DMC檢測品：質量分數約60%，某化工企業生產的工業品；乙腈：色譜純，瑞典Oceanpak公司；乙酸銨：分析純，成都市科龍化工試劑廠；冰醋酸：色譜純，天津市大茂化學試劑廠；實驗用水均為超純水。

1.2 分析方法

1.2.1 色譜條件

色譜柱AcclaimTMSurfactant Plus（4.6 mm×250 mm×5 μm）；流動相0.1 mol/L乙酸銨溶液-乙腈（體積比50∶50，加入適量的冰醋酸使得pH=5.0）；紫外檢測器，檢測波長210 nm；等梯度洗脫，流量1 mL/min；柱溫30 ℃；進樣量20 μL。

1.2.2 標準溶液的配制

稱取0.666 7 g DMC標準品，用流動相溶解，轉移至100 mL容量瓶中，用流動相定容至刻度，搖勻，得到質量濃度為5 000 mg/L的標準儲備溶液（24 h后重新配制）。

標準曲線：準確移取不同體積的標準儲備溶液置于10 mL容量瓶中，以流動相稀釋至刻度，搖勻，配成質量濃度分別為50，75，100，150，250 mg/L的標準溶液。在1.2.1節的色譜條件下，分別取20 μL標準溶液進行HPLC分析。以質量濃度為橫坐標、峰面積為縱坐標，繪制標準曲線。

1.2.3 待測樣液的配制

準確稱取0.500 0 g DMC檢測品，用流動相溶解，轉移至100 mL容量瓶中，并用流動相定容至刻度，搖勻；精密移取0.25 mL溶液置于10 mL容量瓶中，用流動相稀釋至刻度，搖勻，超聲溶解10 min，經0.45 μm濾膜過濾，濾液作為待測樣液。

1.2.4 計算

根據峰面積，通過標準曲線計算DMC的質量濃度，最終濃度應在此濃度上乘以稀釋倍數。

2 結果與討論

2.1 檢測波長

DMC含有碳碳雙鍵，在210 nm處有穩定的紫外吸收峰，故選擇檢測波長為210 nm。

2.2 流動相的選擇及優化

考察了緩沖鹽的種類及濃度對色譜分離的影響，實驗結果表明，以0.1 mol/L的磷酸二氫銨為緩沖鹽，保留時間過長，不利于快速分析；以0.1 mol/L的碳酸銨為緩沖鹽，峰形過寬；以0.1 mol/L的乙酸銨為緩沖鹽，則峰形較好。在考察緩沖鹽濃度時發現，隨著緩沖鹽濃度的提高，響應不變，但保留時間縮短。若鹽濃度過高會磨損泵密封墊圈，鹽濃度過低則緩沖能力不足，故本實驗選擇0.1 mol/L的乙酸銨作為緩沖鹽。

以0.1 mol/L的乙酸銨溶液-乙腈為流動相，考察了流動相的配比對保留時間和峰形的影響，實驗結果見圖1。由圖1可見，當乙腈的體積分數大于50%時，峰形較差，拖尾嚴重，與負峰無法分離。經綜合考慮，選擇乙酸銨溶液與乙腈的體積比為 50∶50。

此外，還考察了流動相的pH對分離結果的影響，隨pH的增大DMC的保留時間延長，拖尾因子由0.98增至1.27。在pH=5.00±0.10范圍內，拖尾因子為0.98～1.10，色譜峰對稱性良好。因此，選擇pH=5.00±0.10。在上述優化條件下，DMC標準溶液的HPLC譜圖見圖2。

圖1 流動相的配比對色譜分離的影響Fig.1 Effect of ratio of mobile phase on chromatographic separation.V(Ammonium acetate)∶V(Acetonitrile)：a 40∶60；b 45∶55；c 50∶50

DMC是親水性堿性化合物，在反相HPLC中的行為較復雜［20］。以硅膠為基質的反相鍵合相填料的表面實際上是不均勻的，在分離化合物時（尤其是堿性化合物）容易導致色譜峰拖尾、表觀柱效降低，這可能是色譜柱過載、堿性化合物與填料表面殘余硅醇基的相互作用以及較慢的吸附-解吸等動力學行為造成的。通過調節流動相的離子強度可改善峰形并顯著提高表觀柱效。在低離子強度的緩沖液中（乙酸銨溶液與乙腈體積比為40∶60），吸附在固定相表面被離子化的DMC分子的極性基團之間存在靜電排斥，使色譜柱的表觀柱效顯著降低；隨著緩沖液比例的增加（乙酸銨溶液與乙腈體積比為50∶50），離子化的被測物間的排斥作用減弱，影響了DMC在色譜柱上的吸附行為，從而使得DMC峰形明顯改善，拖尾因子降低，表觀柱效提高。

2.3 回歸方程、線性范圍及檢出限

在1.2.1節的色譜條件下，測定不同質量濃度的標準溶液，得到標準曲線（見圖3）。以信噪比計算定量限（S/N=10）和檢測下限（S/N=3）。DMC的回歸方程、線性相關系數、線性范圍及檢出限見表1。由表1可見，線性相關系數大于0.999，定量限和檢出限分別為0.166 7 mg/L和0.050 5 mg/L，在線性范圍內線性關系良好。

圖3 DMC的標準曲線Fig.3 Standard curve of DMC.

表1 DMC的回歸方程、線性相關系數、線性范圍及檢出限Table 1 Regression equation，linear correlation coefficient(R2)，limit of detection(LOD) and limit of quantitation(LOQ) of DMC

2.4 精密度

取質量濃度分別為50，100，200 mg/L的標準溶液，在1.2.1節的色譜條件下，重復測定5次，測定值的平均值、標準偏差和相對標準偏差見表2。由表2可知，標準偏差和相對標準偏差較小，均小于0.5%，表明該方法的準確性和重現性均較好。

表2 方法的精密度Table 2 Precision of the method

2.5 加標回收率

稱取同一試樣，分別加入100，150，200，250 mg/L的標準溶液，在1.2.1節的色譜條件下，進行加標回收實驗。每個試樣測6次，扣除空白后，計算加標回收率，實驗結果見表3。由表3可知，DMC的加標回收率在91.3%～108.4%之間，相對標準偏差為0.25%～0.34%，表明該分析方法具有較高的準確性。

表3 不同質量濃度下加標回收率的測定(n=6)Table 3 Determination of the standard recovery rate in different mass concentrations(n=6)

2.6 試樣的測定

取不同批次的試樣，按照1.2.3節的方法平行制備3份待測樣液，在1.2.1節的色譜條件下測定，通過回歸方程計算試樣中DMC的質量分數，并與產品的標示含量進行比較，結果見表4。

表4 試樣的測定結果（n=3）Table 4 Determination results of the samples(n=3)

由表4可見，相對標準偏差為0.32%～0.66%，說明測定結果與標示含量基本一致。

2.7 色譜柱的特性

分析表面活性劑的色譜柱是利用化學鍵合作用將反相色譜與離子交換色譜相結合的一種混合型色譜柱。為了解決C18色譜柱的強疏水性對極性陽離子化合物保留不夠充分的缺陷，可以在硅膠表面鍵合C18基團，再鍵合一些其他的基團制備出混合型的硅膠基質色譜填料。相對于單一模式的C18色譜柱，增強了色譜的分離能力，同時也具有可操控的分離選擇性［21-22］。本實驗選用的AcclaimTMSurfactant Plus色譜柱是一種新型的商品化色譜柱，它的填料結構及交換保留機制受到相關專利保護，在公開文獻中未見披露，主體結構可參考圖4。

圖4 分析表面活性劑的色譜柱的結構Fig.4 The structure of chromatographic column for surfactant analysis.

該色譜柱不僅適合測定陽離子表面活性劑，還可以結合蒸氣發光散射檢測器中的單一色譜分離陰離子、非離子、兩性表面活性劑，提高乙氧基化表面活性劑中低聚物的分離度，并與質譜檢測器、抑制型電導檢測器及紫外檢測器有較好的兼容性［23］。

3 結論

1）采用HPLC法測定了DMC的含量，分離效果良好，運行時間小于7 min。在50～250 mg/L的范圍內，具有良好的線性關系，相關系數大于0.999，定量限和檢出限分別為0.166 7 mg/L和0.050 5 mg/L，加標回收率為91.3%～108.4%，相對標準偏差為0.25%～0.34%。實驗結果表明，選用特定的色譜柱，可實現HPLC快速、準確地分析DMC。

2）建立的分析方法可應用于其他不飽和烷基季銨鹽類陽離子表面活性劑的測定，檢測更為快速，彌補了現有測定方法的不足。

［1］ Jaeger W，Bohrisch J，Laschewsky A. Synthetic polymers with quaternary nitrogen atoms—Synthesis and structure of the most used type of cationic polyelectrolytes［J］.Progress Polym Sci，2010，35（5）：511-577.

［2］ Song B K，Cho M S，Yoon K J，et al. Dispersion polymerization of acrylamide with quaternary ammonium cationic comonomer in aqueous solution［J］.J Appl Polym Sci，2003，87（7）：1101-1108.

［3］ 張彥昌，王冬梅，趙獻增，等. 聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的合成研究［J］.現代化工，2013，33（4）：52-53，55.

［4］ 唐莉，張躍軍. 聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的合成［J］.精細化工，2014，31（11）：1324-1328.

［5］ 李素真，張博，岳秀英. 高效液相色譜法分析甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨中的阻聚劑［J］.山東化工，2004（3）：34-35.

［6］ 西北大學. 一種具有油品抗靜電性能的聚季銨鹽的制備方法：104193892 A［P］.2014-07-31.

［7］ 四川東材科技集團股份有限公司. 丙烯酸酯與不飽和季銨鹽無規共聚抗靜電劑及其制備方法：101353390 A［P］.2008-06-29.

［8］ 吉春艷，李宇，楊俊峰，等. 分散聚合法制備兩性聚丙烯酰胺“水包水”乳液絮凝劑［J］.石油化工，2014，43（1）：61-67.

［9］ 馬喜平，朱忠祥，侯代勇，等. 抗高溫鉆井液降濾失劑的評價及其作用機理［J］.石油化工，2016，45（4）：453-460.

［10］ 程振平，路建美. 高吸液性樹脂的合成及性能［J］.石油化工，2000，29（9）：667-670.

［11］ 李旭暉，郭麗梅，管保山，等. 一種抗鹽型丙烯酰胺共聚物的合成與評價［J］.石油化工，2017，46（10）：1313-1318.

［12］ 盧姝，紀然. 高效液相色譜法測定微量季銨鹽的改進方法［J］.工業水處理，2011，31（9）：76-78.

［13］ 劉吉起，翟志雷，張向兵，等. 季銨鹽分析技術研究進展［J］.中國消毒學雜志，2012，29（1）：51-54.

［14］ 田青平，李文英，謝克昌. 離子對分離和抑制電導檢測法測定四乙基銨和四丁基銨根離子［J］.分析試驗室，2009，28（2）：21-23.

［15］ 朱會卷，張衛強，楊艷偉，等. 高效液相色譜分析化妝品中的防腐劑氯苯甘醚［J］.色譜，2014，32（1）：95-99.

［16］ 何東. UPLC-MS/MS法測定冰淇淋與雪糕中3種季銨鹽類化合物［J］.分析測試學報，2016，35（5）：609-613.

［17］ 陳志兵，劉夏，馬鳳俠，等. CdTe量子點熒光法測定陽離子表面活性劑［J］.分析試驗室，2010，29（9）：9-11.

［18］ 楊艷偉，張衛強，朱英. 高效液相色譜法同時測定消毒劑中的4種季銨鹽［J］.中國衛生檢驗雜志，2006，16（7）：823-824.

［19］ 解楠，冷桃花，陳貴宇，等. 高效液相色譜法測定化妝品中5種季銨鹽類防腐劑［J］.分析試驗室，2015，34（2）：222-226.

［20］ 劉浩，王紅武，丁建英，等. 流動相的離子強度對RPHPLC中抗生素色譜峰形的影響［J］.中國抗生素雜志，2007，32（1）：25-32.

［21］ Zhong Yingying，Zhou Wenfang，Zhang Peimin，et al.Preparation，characterization，and analytical applications of a novel polymer stationary phase with embedded or grafted carbon fibers［J］.Talanta，2010，82（4）：1439-1447.

［22］ Kim Byoung-Hyoun，Jang Jae Bum，Moon Dong Cheul.Analysis of ionic surfactants by HPLC with evaporative light scattering detection and charged aerosol detection［J］.J Liq Chromatogr Relat Technol，2013，36（8）：1000-1012.

［23］ Liu Xiaodong，Pohl C A，Weis J. New polar-embedded stationary phase for surfactant analysis［J］.J Chromatogr，A，2006，1118（1）：29-34.