色谱  2015, Vol. 33 Issue (3): 314-317   PDF (776 KB)    
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崔朋
方红霞
吴强林
钱晨
超高效聚合物色谱法测定酚化解聚木质素的相对分子质量
崔朋1,2, 方红霞1 , 吴强林1, 钱晨1    
1. 黄山学院应用化学研究所, 安徽 黄山 245041;
2. 黄山学院分析测试中心, 安徽 黄山 245041
收稿日期：2014-10-31
基金项目：安徽省自然科学基金项目(1208085MB33).
通讯作者：方红霞,Tel:(0559)2546650,E-mail:fhx@hsu.edu.cn
摘要：超高效聚合物色谱法(APC)是一种新开发的高分辨聚合物表征技术,能在10 min内完成聚合物的高效分辨分离,同时获得聚合物的平均相对分子质量及其分布参数。实验以水溶性热酚化解聚木质素为研究对象,探索了APC测试水性体系高分子相对分子质量及其分布参数的条件。在以弱碱性磷酸盐缓冲液为流动相,采用Waters水溶性ACQUITY APC AQ 450 Å、200 Å、45 Å 3根色谱柱串联,进样量为10 μL,流速为0.5 mL/min的条件下,获得了复杂水相体系木质素磺酸盐解聚产物的平均相对分子质量及其分布参数,且相对标准偏差(RSD)低于1%。结果表明,与传统的凝胶渗透色谱相比,APC方法具有分辨率高、重现性强的优点。本实验为高性能天然高分子的高效分离、结构分析提供了新的方法和途径,同时为木质素的解聚和液化产物调控机理的研究提供了可行的方法。
关键词： 超高效聚合物色谱     木质素磺酸钠     平均相对分子质量     分散指数     解聚     水相    
Relative molecular mass determination of phenolated depolymerized sodium lignosulfonate by advanced polymer chromatography system
CUI Peng1,2, FANG Hongxia1 , WU Qianglin1, QIAN Chen1    
1. Applied Chemistry Laboratory, Huangshan University, Huangshan 245041, China;
2. Analysis and Test Center, Huangshan University, Huangshan 245041, China
Received: 2014-10-31
Abstract: Advanced polymer chromatography (APC) is a newly developed high resolution polymer characterization technique. Within 10 min, it can separate polymers with high resolution and obtain the average relative molecular mass distribution parameters of the polymers. The Mr distribution of the depolymerized lignin product was well characterized with low relative standard deviation (RSD less than 1%) by APC system using ACQUITY AQ 450 Å, 200 Å, and 45 Å columns in series, with 10 μL injection volume, and weak alkaline phosphate buffer solution as the aqueous mobile phase at a flow rate of 0.5 mL/min. Compared with traditional gel permeation chromatography (GPC), the APC system had the advantages of high sensitivity and good reproducibility. The technique to determine the average relative molecular mass distribution of depolymerized lignin oligomers in aqueous phase described in this paper will pave the way for new methods to separate and analyze high performance natural materials, and the feasible method for the investigation of the mechanism of depolymerization and the regulation for liquefied lignin would also be established.
Key words: advanced polymer chromatography (APC)     sodium lignosulfonate     average relative molecular mass     polydispersity index (PDI)     depolymerization     aqueous phase    

木质素(lignin)是一种无定型、三维天然高分子聚合物,是植物细胞壁中三大主要组分之一,约占细胞壁总含量的10% ～35% ,是自然界唯一能巨量提供可再生芳香基化合物的生物质资源[1]。越来越多的研究结果[2, 3, 4]表明,鉴于天然高分子木质素结构的复杂性和惰性,将木质素通过一定的方法进行
解聚,转化为低分子物质是对其最有效的应用途径,而只有将木质素的结构研究与应用研究真正有机地结合起来,才能突破现有木质素高值利用的局限。其中,测定解聚木质素的平均相对分子质量及其相对分子质量分布,是评价解聚木质素结构、物理特性及化学活性的重要指标之一。测定解聚木质素平均相对分子质量参数的方法有多种,如:光散射法(主要测定重均相对分子质量,Mw)、膜渗透法(主要测定数均相对分子质量,Mn)、黏度法(主要测定黏均相对分子质量,Mv)、超速离心法(主要测定Z及Z+1均相对分子质量,Mz及Mz+1)以及凝胶渗透色谱法(GPC)等。GPC是基于分子在溶液中的相对尺寸差异分离聚合物样品分子,洗脱的样品色谱峰反映了样品的相对分子质量分布趋势。色谱峰的强度与对应的出峰时间范围表示聚合物不同相对分子质量的相对含量,可用来计算聚合物试样的平均相对分子质量参数(Mn、Mv、Mw、Mz及Mz+1)及聚合物的分散指数(PDI=Mw/Mn)。由于GPC既可在较短时间内测定各种平均相对分子质量分布参数,又可提供试样的相对分子质量分布曲线色谱图做定性对比,因而成为一种被广泛认可且有效的聚合物表征方法[5]。然而,随着木质素化学的快速发展,尤其是木质素解聚机理的深入研究,传统的凝胶渗透色谱法已经越来越不能满足人们的需求,特别是对木质素磺酸盐及其解聚产物的相对分子质量的分布测试,传统的GPC法不仅需要根据不同的解聚产物选择不同的色谱柱以及流动相,处理步骤非常繁琐,而且其分离度及重现性较差[6, 7]。

超高效聚合物色谱系统(advanced polymer chromatography,APC)是一种基于体积排阻色谱(SEC)分离的新技术,色谱柱的填充材料为采用新的亚乙基桥杂化(BEH)技术合成的亚3 μ m杂化颗粒,其增强了系统的稳定性并能在更高压力下确保流速的准确性,总体扩散度低,因而可获得高重现性和高分辨率的色谱峰及平均相对分子质量分布,尤其适于低相对分子质量聚合物的分析。另外,通过测试数据对比,使用APC获得聚合物平均相对分子质量信息的速度比传统GPC和SEC方法快数倍甚至十多倍,并能通过减少溶剂消耗量和废液处置量降低分析成本[8]。本文以水溶性木质素磺酸盐的解聚产物为研究对象,采用APC技术测定其相对分子质量及其分布,探索和优化高效分离和解析水溶性天然高分子低聚物的方法和条件,并对测试结果重现性进行了探讨,以期获得高效、快速、准确的水溶性高分子低聚物测试新技术。

1 实验部分
1.1 主要仪器、试剂及原料

超高效聚合物色谱仪(Waters公司),采用ACQUITY APC AQ 450 Å色谱柱(有效相对分子质量范围为 20 000～400 000(孔径为45 nm(450 Å)),30 mm×4.6 mm,2.5 μ m)、200 Å色谱柱(有效相对分子质量范围为 3 000～70 000(孔径为20 nm(200 Å)),15 mm×4.6 mm,2.5 μ m)、45 Å色谱柱(有效相对分子质量范围为200～5 000(孔径为4.5 nm(45 Å)),150 mm×4.6 mm,1.7 μ m);葡聚糖标准品(峰位相对分子质量(Mp): 180～401 000,Waters公司);NaOH、NaH2PO4均为分析纯;高纯水,由HITECH Master-Q型去离子水机制备后经上海申生科技1810D型自动双重纯水蒸馏器蒸馏。热酚化解聚木质素(phenolated lignin,PL)为黄山学院应用化学研究所采用热化学酚化解聚技术[9, 10]解聚木质素磺酸钠(sodium lignosulfonate,SL)(北京嘉禾木科技有限公司提供)制备而成。

1.2 色谱条件

色谱柱:3根Waters ACQUITY APC AQ色谱柱串联;柱温:40 ℃;流动相:NaH2PO4-NaOH缓冲液(pH 7.5);进样量:10 μ L;待测样品含量:0.5%(质量分数);流速:0.5 mL/min。

1.3 测试方法

采取单标准进样方式,即选取系列葡聚糖标准品,分别用流动相溶解,于室温下静置3 h后置于自动进样瓶中进样测试,并用窄分布标准品作APC标准曲线,标准溶液含量为0.2% ～0.5%(质量分数)。

用流动相溶解PL,室温下静置3 h后过0.45 μ m滤膜,置于自动进样瓶中,使用宽分布未知样法进行测试。同时用制备PL的SL作对比实验。

2 结果与讨论

PL是由工业产品SL经热化学酚化技术制备而成。PL和SL均具有强烈的亲水性,因此选用与APC配套的水溶性聚合物分离用的ACQUITY APC AQ色谱柱。另外,PL和SL在水溶性流动相中表现出较为明显的聚电解质性质[7],因此为了尽量避免因离子吸附等效应造成的出峰延迟现象,本文结合已有的研究及前期工作[1, 5, 6, 9, 10],对PL及SL在不同流动相中的离子强度与分离因子进行了初步的探索,最终选用pH为7.5的NaH2PO4-NaOH缓冲溶液作流动相。考虑到PL和SL均具有亲水性和大量支链结构,且官能团多样、组分复杂(含有一定量的糖类)等特点,同时兼顾标准品在流动相以及色谱中的分离度、稳定性以及重现性,综合确定选用葡聚糖作为标准品。

2.1 葡聚糖标准品的测试及标准曲线的绘制
2.1.1 葡聚糖标准品的测试

用流动相溶解系列葡聚糖标准品,利用1.3节所述测试方法采用上述3根串联的Waters ACQUITY APC AQ色谱柱分离。标准品测试结果显示,相对分子质量范围为180～401 000 的葡聚糖经过串联色谱柱得到了有效且快速的分离,其出峰时间随着相对分子质量的递增而递减,分析时间仅需10 min左右;而传统GPC若使用3根不同相对分子质量范围的色谱柱串联,不仅分离效果较差,且一个样品的分析时间至少需要30 min。

2.1.2 葡聚糖标准曲线的绘制

葡聚糖标准品的相对分子质量与对应的出峰时间如表1所示。以相对分子质量的对数为纵坐标,出峰时间为横坐标,由Waters APC自带的Empower软件拟合曲线。如图1所示,其曲线判定系数r=0.996 2,该标准曲线的相对分子质量测试范围为180～401 000,能满足热酚化解聚木质素及工业木质素磺酸钠相对分子质量的测试要求。

表1 葡聚糖标准品的相对分子质量与出峰时间的关系 Table 1 Relationship between the relative molecular mass and retention time for the glucan standards

图1 葡聚糖标准品的相对分子质量标准曲线 Fig.1 Standard curve for the relative molecular masses of the glucan standards
2.2 木质素及其解聚产物的相对分子质量测试

用流动相溶解PL配成0.5%(质量分数)的待测液,在优化实验条件下按1.3节方法进行测试。同时以SL作对比实验。结果见图2、图3和表2。

图2 SL的APC图谱 Fig.2 APC chromatogram of SL

图3 PL的APC图谱 Fig.3 APC chromatogram of PL

表2 PL及SL的平均相对分子质量及其分散指数 Table 2 Average relative molecular masses and poly-dispersity indices (PDIs) of PL and SL

由表2可知,APC对PL及SL进行了有效的分离。相对于原料SL,经热化学酚化技术解聚所得的PL的分散指数(polydispersity index,PDI)为SL的2.35倍,说明相对分子质量分布变得更宽。但其Mw及Mn均明显减小,其中Mw为 14 749,仅相当于SL的1/4; Mn为 1 839,仅相当于SL的1/9,证明了SL经热化学酚化技术处理后发生了一定程度的解聚。

采用传统的GPC进行分离,使用3根水溶性GPC色谱柱串联(有效相对分子质量测试范围为200～400 000),以NaH2PO4-NaOH缓冲液(pH 7.5)为流动相,利用1.3节所述测试方法对用流动相溶解配成的0.5%(质量分数) PL待测液进行GPC对比测试,结果见图4。

图4 PL的GPC图谱 Fig.4 GPC chromatogram of PL

对比图3和图4可以发现:使用APC及其配套色谱柱检测PL待测液,不仅耗时仅为GPC的1/3,而且APC所得图谱信息比GPC更为丰富且清晰。因此,在优化实验条件下使用APC及其配套色谱柱测试热酚化解聚木质素样品,其分离度及其分离效率均优于普通GPC。

2.3 PL相对分子质量的重现性测试

为了验证APC方法测试PL的重现性,对上述所测的PL进行4次平行重复进样测试,结果如表3 所示。可见其平均相对分子质量分布及其PDI等均有良好的重现,其Mw、Mn、Mz及PDI的RSD均低于1% ,这是传统GPC测试PL难以达到的重现性效果(本文采用GPC对同一PL样品进行测试的RSD在4% ～10%之间)。

表3 PL平均相对分子质量及其分散指数测定的重现性 Table 3 Determination reproducibilities (RSDs) of the average relative molecular masses and PDIs of a PL sample
3 结论

本文在选定的条件下,采用APC方法,利用3根不同相对分子质量测试范围的色谱柱串联,对葡聚糖标准品及待测物PL进行了快速有效的分离,获得了复杂天然高分子PL的相对分子质量及其分布的测试方法。与PL的传统GPC测试方法相比,使用APC方法测试更加快速高效,且灵敏度更高、重现性更好。本研究为复杂天然高分子PL的解聚机理及分离纯化研究提供了良好的实验方法和理论基础,也为其他天然高分子产物相对分子质量及其分布的测试提供了一定的参考依据。

参考文献
[1]Qiu W H, Chen H Z. Journal of Cellulose Science and Technology (邱卫华, 陈洪章. 纤维素科学与技术), 2006, 14(1): 52
[2]Kang S M, Li X L, Fan J, et al. Renew Sust Energ Rev, 2013, 27: 546  
[3]Pandey M P, Kim C S. Chem Eng Tech, 2011, 34(1): 29  
[4]Ye Y Y. [PhD Dissertation]. Guangzhou: South China University of Technology (叶跃元. [博士论文]. 广州: 华南理工大学), 2012
[5]Zhang Q Q, Kang J W. Chinese Journal of Chromatography (张倩倩, 康经武. 色谱), 2013, 31(7): 684
[6]Chen F G, Li J. Journal of Cellulose Science and Technology (谌凡更, 李静. 纤维素科学与技术), 1999, 7(3): 47
[7]Berek D. J Sep Sci, 2010, 33: 315  
[8]Janco M, Alexander J N, Bouvier E S P, et al. J Sep Sci, 2013, 36: 2718  
[9]Fang H X, Wu Q L, Yan X N, et al. China Patent (方红霞, 吴强林, 晏秀男, 等. 中国专利), ZL201410264173.4. 2014-08-27
[10]Wu Q L, Fang H X, Ding Y S, et al. Engineering Plastics Application (吴强林, 方红霞, 丁运生, 等. 工程塑料应用), 2012, 40(11): 69