20世纪60年代末Horvath等^[1]和Kirkland等^[2]提出了核壳型色谱填料,并因其柱效高、分离快、反压低和耐用性好等特点受到广大色谱研究者的关注,成为近年来解决复杂样品高效、快速分离的研究热点之一。2006年,DeStefano等^[3]开发的HALO核壳填料问世,其粒度为2.7 μm,由1.7 μm无孔硅胶核与0.5 μm介孔壳层组成;随后,Phenomenex推出了2.6 μm和1.7 μm的Kinetex核壳填料,Agilent推出了2.7 μm的Poroshell-120核壳填料^[4]。相较于传统的多孔微球,核壳型色谱固定相具有溶质扩散时间更短、理论塔板高度更小^{[5, 6]}、柱效更高^[7]的优势。然而传统核壳填料的壳层仍较厚,传质阻力相对较大,2010年Polshettiwar等^[8]首次合成了新型具有放射状孔道结构的SiO₂纳米球(KCC-1),该颗粒因其特殊的纤维状结构,具有孔径均一、传质阻力小、反压低和机械强度高等优点。Min等^[9]和Qu等^[10]已率先将其作为新型核壳色谱填料应用于超高效液相色谱(UPLC)和高效液相色谱(HPLC)的分离中,并获得了良好的分离效果,柱效均超过200000块/m。核壳型硅胶材料亦在其他领域得到应用,如Zhao等^[11]采用Accucore核壳填料色谱柱分析了化妆品中的苯并[a]芘,分析时间仅为8 min,比采用常规色谱柱节约了约50%的时间;Chen等^[12]采用HALO核壳型填料色谱柱,建立了HPLC-蒸发光散射检测直接测定20种未衍生氨基酸的分析方法;Yue等^[13]采用Boltimate C18新型核壳型色谱柱对3种人参皂苷进行分离,分析时间为20 min,仅为采用常规全多孔硅胶色谱柱的1/3。但目前仍未见将核壳型色谱固定相应用于空气中醛酮类化合物检测的报道。

醛酮类化合物作为空气污染物,对人体健康危害巨大,动物实验研究显示甲醛等醛酮类化合物具有明显的致癌作用^[14]。在国内外的安全法规中,醛酮类化合物均被列为需要重点控制的有毒有害污染物^[15-18]。常用的检测方法包括分光光度法^[19]、气相色谱法^[20-22]、HPLC法^[23-24]等。其中HPLC法具有受干扰小、灵敏度高和分辨率高的特点,是空气中醛酮类化合物的理想分析手段。

本文在前期工作^[10]的基础上,对制备的新型核壳色谱固定相进行了物理性质表征;考察了基本色谱分离性能;并应用于汽车尾气中醛酮类化合物的快速分离检测，采用2,4-二硝基苯肼(DNPH)进行柱前衍生。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

EClassical 3100高效液相色谱仪,配有P3100高压恒流泵、UV3100紫外-可见检测器、S3100自动进样器、O3100色谱柱温箱和EClassical W3100色谱数据工作站V1.01(大连依利特分析仪器有限公司); S-4800场发射扫描电镜(日本Hitachi公司); Tecnai 12透射电镜(荷兰Philips公司); ASAP 2010比表面和孔径分布测定仪(美国Micromeritics公司); ZNCL-S智能恒温磁力搅拌器(河南爱博特科技发展有限公司); DZF-6020型真空干燥箱(上海新苗医疗器械制造有限公司); ME104电子天平(瑞士Mettler Toledo公司); Synergy超纯水系统(美国Millipore公司); DDY-1.5空气采集器(江苏盐城鑫宝科技有限公司);气体采样袋(20 L,大连德霖气体包装有限公司); CNWBOND DNPH-Silica专用柱(350 mg/1 mL,亦称“DNPH采样管”,上海安谱实验科技股份有限公司)。

四乙氧基硅烷(TEOS)、氨水、乙醇、甲苯(分析纯,上海国药试剂有限公司);乙腈(色谱纯,美国Tedia公司);十八烷基三氯硅烷(C18,纯度95%,北京百灵威科技有限公司);尿嘧啶、苯乙酮、乙苯、芴(分析纯,天津科密欧试剂有限公司)。空气监测用醛酮-DNPH混合标准品，包括甲醛-DNPH、乙醛-DNPH、丙烯醛-DNPH、丙酮-DNPH、丙醛-DNPH、巴豆醛-DNPH、甲基乙基酮-DNPH、丁醛-DNPH、甲基丙烯醛-DNPH、苯甲醛-DNPH、戊醛-DNPH、对甲基苯甲醛-DNPH和己醛-DNPH，溶于乙腈溶液，除甲醛-DNPH的质量浓度为40 mg/L，其余均为20 mg/L(产品编号AE-00043,北京百灵威科技有限公司)。

1.2 核壳型固定相的制备

在优化的条件下^[10],采用两相溶胶-凝胶法,将一定比例的TEOS、氨水和乙醇通过搅拌、加热、干燥、清洗等工艺,制备粒度约2.3 μm的SiO₂无孔核芯,在其外部包裹厚度仅为0.15 μm的放射状壳层后,键合C18修饰,得到粒度约2.6 μm的核壳型色谱固定相,命名为ETSQ shell C18(2.6 μm)。

1.3 色谱柱的性能评价

将制备好的ETSQ shell C18(2.6 μm)色谱固定相通过高压匀浆填充法制备成液相色谱柱(100 mm×4.6 mm),并对其进行评价。色谱条件:柱温为25 ℃;流动相为60%(v/v)乙腈水溶液;流速为0.9 mL/min;紫外检测波长为254 nm;进样量为10 μL。分析样品为混合标准样品(称取25.0 mg尿嘧啶、97.3 μL苯乙酮、4.34 mL甲苯、3.45 mL乙苯、0.05 g芴，分别置于50 mL容量瓶中，用乙腈溶液溶解；分别量取上述溶液各1.0 mL于100 mL容量瓶中，用60%(v/v)乙腈水溶液溶解，配制质量浓度分别为5.0 mg/L尿嘧啶、20 mg/L苯乙酮、750 mg/L甲苯、600 mg/L乙苯、10 mg/L芴的混合标准样品)。

1.4 汽车尾气样品预处理

参照相关标准^{[25, 26]},将气体采样袋与汽车尾气排气管连接,收集20 L(0.02 m³)汽车尾气样品,密封。将储存气体的采样袋通过硅胶管与空气采集器连接,采集器通过转换接头与DNPH采样管连接,以1.5 mL/min的流速将含醛酮类化合物的气体在DNPH采样柱上富集并衍生,加入5 mL乙腈溶液提取衍生产物,过滤,备用。

1.5 色谱条件

色谱柱:ETSQ shell C18(100 mm×4.6 mm,2.6 μm);柱温:40 ℃;流动相:A为水,B为乙腈。梯度洗脱程序:0～10 min,40%B～54%B;10～18 min,54%B;18～24 min,54%B～60%B;24～30 min,60%B。流速:1.5 mL/min;紫外检测波长:360 nm;进样量:10 μL。

2 结果与讨论

2.1 色谱固定相的表征

采用扫描电镜和透射电镜对制备的固定相进行表面形貌表征(见图 1)。该核壳型色谱固定相粒度单分散性好,壳层呈现明显放射状孔道结构,且孔道结构均一。

图 1

Fig. 1

图 1 2.6 μm核壳型色谱固定相的(a)扫描电镜图和(b)透射电镜图 Fig. 1 (a) Scanning electron microscope and (b) trans-mission electron microscope images of 2.6 μm core-shell chromatographic stationary phase

采用BJH法(Barrett、Joyner和Halenda通过Kelvin方程计算介孔材料中孔径分布的经典方法)对制备的核壳型色谱固定相进行孔径分析(见图 2)。其孔径主要分布在9.65 nm左右,表面孔径分布均一。该结果与商品化全多孔球形硅胶的孔径(一般为8.0～12.0 nm)一致,可满足大多数化合物的分析要求。

图 2

Fig. 2

图 2 BJH孔径分布图 Fig. 2 BJH pore size distribution

氮吸附-脱附平衡的等温线见图 3。本实验所制备的核壳型色谱固定相为介孔材料,在低压段主要以单分子层吸附为主,吸附量逐渐增加;当相对压力(p/p₀)在0.6～0.8区间时,发生毛细管凝聚,主要以多层吸附为主,此时吸附量突增;随着介孔孔径的增加,发生毛细管凝聚现象的压力随之增大,主要以外表面吸附为主。脱附等温线与吸附等温线不重合,在吸附等温线的上方产生吸附滞后(adsorption hysteresis),呈现滞后环,说明放射形壳层结构均一。核壳颗粒的比表面约120 m²/g,吸附能力、热力学性质和化学稳定性均较好,满足分析型色谱填料的分离要求。

图 3

Fig. 3

图 3 氮吸附-脱附的等温线 Fig. 3 Isotherm of N2 adsorption-desorption

2.2 色谱性能评价

将混合标准样品在1.3节的色谱条件下进行分析,考察ETSQ shell C18(2.6 μm)色谱固定相的分离性能,其色谱图见图 4。结果表明,以芴的色谱峰计算理论塔板数,可达150000块/m,不对称度为1.09;苯乙酮的保留因子为0.56;甲苯与乙苯保留因子之比为1.45。说明分离主要以疏水性作用为主,亚甲基选择性好,柱效高,峰形好。

图 4

Fig. 4

图 4 混合标准样品的色谱图 Fig. 4 Chromatogram of a mixed standard sample 1. uracil; 2. acetophenone; 3. methylbenzene; 4. ethylbenzene; 5. fluorene.

表 1 (Table 1)

表 1 醛酮类2,4-二硝基苯肼衍生物的线性范围、线性方程、相关系数(r2)和检出限 Table 1 Linear ranges,linear equations,correlation coefficients (r2) and the limits of detection of carbonyl compounds derivatized by 2,4-dinitrophenylhydrazine Compound Linear range/(mg/L) Linear equation r2 LOD/(μg/m3) Formaldehyde-DNPH 0.118-8.0 Y=43.43X-7.47 0.9975 2.63 Acetaldehyde-DNPH 0.059-4.0 Y=44.93X-3.87 0.9975 3.00 Acrolein-DNPH and acetone-DNPH 0.118-8.0 Y=46.75X-7.59 0.9978 not separated Propionaldehyde-DNPH 0.059-4.0 Y=41.40X-3.42 0.9977 3.86 Crotonaldehyde-DNPH 0.059-4.0 Y=47.64X-4.60 0.9969 3.75 Methylethylketone-DNPH and butanal-DNPH 0.118-8.0 Y=40.65X-7.32 0.9974 not separated Methacrolein-DNPH 0.059-4.0 Y=43.44X-3.40 0.9973 6.75 Benzaldehyde-DNPH 0.059-4.0 Y=37.23X-2.52 0.9987 6.13 Pentanal-DNPH 0.059-4.0 Y=39.70X-3.31 0.9980 5.63 p-Tolualdehyde-DNPH 0.059-4.0 Y=34.12X-3.25 0.9973 7.38 Hexanal-DNPH 0.059-4.0 Y=37.36X-3.45 0.9975 7.38 Y: peak area; X: mass concentration,mg/L; DNPH: 2,4-dinitrophenylhydrazine.

表 1 醛酮类2,4-二硝基苯肼衍生物的线性范围、线性方程、相关系数(r2)和检出限 Table 1 Linear ranges,linear equations,correlation coefficients (r2) and the limits of detection of carbonyl compounds derivatized by 2,4-dinitrophenylhydrazine

2.3 在醛酮类化合物分离分析中的应用

参考相关标准和文献资料^[23-26],按1.4节的样品预处理方法,在1.5节的色谱条件下,采用ETSQ shell C18色谱柱(100 mm×4.6 mm,2.6 μm)对醛酮类化合物的DNPH衍生物进行分析(见图 5)。除丙酮与丙烯醛,甲基乙基酮、丁醛与甲基丙烯醛外,其余化合物均达到基线分离。

图 5

Fig. 5

图 5 空白样品、标准溶液和实际样品中2,4-二硝基苯肼衍生醛酮类化合物的色谱图 Fig. 5 Chromatograms of carbonyl compounds derivatized by 2,4-dinitrophenylhydrazine in a blank sample,standard solutions and a real sample 1. formaldehyde-DNPH,8 mg/L; 2. acetaldehyde-DNPH,4 mg/L; 3. acrolein-DNPH,4 mg/L; acetone-DNPH,4 mg/L; 4. propionaldehyde-DNPH,4 mg/L; 5. crotonaldehyde-DNPH,4 mg/L; 6. methylethylketone-DNPH,4 mg/L; butanal-DNPH,4 mg/L; 7. methacrolein-DNPH,4 mg/L; 8. benzaldehyde-DNPH,4 mg/L; 9. pentanal-DNPH,4 mg/L; 10. p-tolualdehyde-DNPH,4 mg/L; 11. hexanal-DNPH,4 mg/L.

取1 mL空气监测用醛酮类-DNPH衍生物混合标准品,用50%(v/v)乙腈水溶液稀释并配制系列质量浓度(0.059～8.0 mg/L)的醛酮类-DNPH衍生物标准溶液。在1.5节色谱条件下进行分析,分别考察线性关系和检出限(S/N=3)。结果表明,醛酮类-DNPH衍生物在0.059～8.0 mg/L范围内线性关系良好,检出限为2.63～7.38 μg/m³(见表 1)。连续进样分析,样品保留时间和峰面积的相对标准偏差均小于1%(n=5),重复性良好。

应用本文方法对收集的某品牌汽车尾气样品进行测定(见图 5)。结果表明,实际样品中检出了甲醛(0.021 mg/m³)、乙醛(0.296 mg/m³)和丙烯醛、丙酮混合物(0.051 mg/m³),其余化合物均未检出。该方法能够实现汽车尾气中醛酮类化合物的检测分析,亦可应用于车内、室内和大气质量的检测。

2.4 不同色谱柱的比较

采用本实验制备的ETSQ shell C18 (2.6 μm)色谱柱和其他不同规格的商品化全多孔硅胶基质C18色谱柱在相同的色谱条件下,对相同的醛酮类DNPH衍生物混合标准品进行分析,结果见图 6。采用本实验制备的ETSQ shell C18 (2.6 μm)色谱柱时,分析时间短、反压低,可在普通高效液相色谱仪上实现对醛酮类化合物的分离分析。

图 6

Fig. 6

图 6 醛酮类2,4-二硝基苯肼衍生物在不同色谱柱上的色谱图 Fig. 6 Chromatograms of carbonyl compounds derivatized by 2,4-dinitrophenylhydrazine from the different chromatographic columns

3 结论

本实验对制备的新型放射状孔道核壳型色谱固定相进行了物理参数表征及色谱性能评价。其固定相单分散性好,外表面结构、孔径均一,色谱分离性能好。本实验将其应用于汽车尾气的检测分析,醛酮类DNPH衍生化合物短时间内可获得较好的分离,与较传统的全多孔固定相相比具有明显的优势。本方法制备的固定相可在常规高效液相色谱仪上实现高效、快速的分离分析,为环境、食品、医药、生物等领域的高通量分析检测提供了技术参考。

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