測定高分子聚合物-金屬配合物穩(wěn)定常數(shù)及平均配位數(shù)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(huán)境科學國家重點實驗室，廈門 361102)

(2廈門大學海洋與地球?qū)W院，廈門 361102)

(3廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院，廈門 361102)

配合物穩(wěn)定常數(shù)、平均配位數(shù)是表征高分子聚合物與金屬離子配合反應的重要參數(shù)，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(shù)優(yōu)化的理論基礎[1-3]。水溶性聚合物因其具有良好的化學穩(wěn)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(wěn)定的配合物，廣泛應用于地下水處理[11]、工業(yè)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(wěn)定常數(shù)、配位數(shù)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(zhì)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(jù)溶液吸光度的變化，確定配合物化學組成及穩(wěn)定常數(shù)，適用于摩爾吸收系數(shù)較大且與配位體的摩爾吸收系數(shù)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(tài)分離，然后計算穩(wěn)定常數(shù)和平均配位數(shù)；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(wěn)定常數(shù)和平均配位數(shù)；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(wěn)定常數(shù)、平均配位數(shù)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(xiàn)性好、應用范圍廣[24]，在多肽、蛋白質(zhì)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(zhì)譜(ICPMS)結合，建立水溶性高分子聚合物-金屬離子配合物穩(wěn)定常數(shù)和平均配位數(shù)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(wěn)定常數(shù)、平均配位數(shù)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(yōu)化后的操作條件如表1。

聚乙烯亞胺質(zhì)量分數(shù)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(zhì)中心)；硝酸、醋酸和醋酸鈉為優(yōu)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(shù)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(nèi)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?nèi)芤旱膒H 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(fā)生的反應主要有PEI與Cu2+的配合、PEI的質(zhì)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(shù)即為形成PEI-Cu配合物的穩(wěn)定常數(shù)(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(shù)，即PEI-Cu配合物的平均配位數(shù)。

溶液同時還存在副反應，即PEI的質(zhì)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(zhì)子化反應，其濃度cPEI·H是PEI分子中質(zhì)子化胺基的濃度。各副反應的反應常數(shù)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?nèi)芤褐袇⑴c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(shù)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(tài)不能發(fā)生化學反應，且在分離過程中沒有化學形態(tài)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(zhì)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(tài)Cu2+分離開，而分子量相差1～2個數(shù)量級的化合物保留時間近似。

2.2 PEI-Cu配合物穩(wěn)定常數(shù)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(wěn)定常數(shù)：

(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(shù)據(jù)并進行線性擬合，求得PEI-Cu配合物的穩(wěn)定常數(shù)和平均配位數(shù)。圖1、圖2分別為該方案得到的GFC-ICPMS譜圖及數(shù)據(jù)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(shù)和式(6)計算得到PEI-Cu配合物的穩(wěn)定常數(shù)。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(jù)上述2種方案測定了PEI-Cu配合物的穩(wěn)定常數(shù)及平均配位數(shù)，如表2示。實驗結果表明，上述2種方案測得PEI-Cu穩(wěn)定常數(shù)基本一致，可采用其中任一種方法測定穩(wěn)定常數(shù)。

表 3 列出了 25 ℃、pH=4.1～5.3 時，本法測得PEI-Cu配合物的穩(wěn)定常數(shù)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(wěn)定常數(shù)、平均配位數(shù)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(wěn)定常數(shù)及平均配位數(shù)(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(wěn)定常數(shù)和平均配位數(shù)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(wěn)定常數(shù)及平均配位數(shù)均隨pH的增大而增加。產(chǎn)生這種影響的主要原因是pH值影響PEI分子中胺基的質(zhì)子化，表現(xiàn)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(zhì)子的競爭反應。實驗條件下(pH=4.1～5.3)，PEI 質(zhì)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(fā)生質(zhì)子化，pH=5.0 時約為 0.001%； 即使 pH=7.0，仍有99.91%質(zhì)子化。因此，溶液中存在金屬離子與質(zhì)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(zhì)子的競爭占優(yōu)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(yōu)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(zhì)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(fā)生；隨著pH值的升高，PEI分子中因質(zhì)子化而帶正電荷的基團數(shù)量減少，PEI分子產(chǎn)生較小的排斥作用，甚至可能會發(fā)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(wěn)定常數(shù)及平均配位數(shù)的研究，利用化學平衡理論模型，實現(xiàn)了PEI-Cu配合物穩(wěn)定常數(shù)及平均配位數(shù)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(wěn)定常數(shù)及平均配位數(shù)均隨pH的增加而增加。

文中建立的新方法實現(xiàn)了高分子聚合物-金屬離子配合物及金屬元素其它形態(tài)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(wěn)定常數(shù)、平均配

位數(shù)的準確測定。

[1]Rumeau M,Persin F,Sciers V,et al.J.Membr.Sci.,1992,73(2/3):313-322

[2]Juang R S,Liang J F.J.Membr.Sci.,1993,82(1):163-174

[3]Juang R S,Chen M N.Ind.Eng.Chem.Res.,1996,35(6):1935-1943

[4]Geckeler K,Lange G,Eberhardt H,et al.Pure Appl.Chem.,1980,52(7):1883-1905

[5]Rivas B L,Pereira E D,Moreno-Villoslada I.Prog.Polym.Sci.,2003,28(2):173-208

[6]Geckeler K E,Volchek K.Environ.Sci.Technol.,1996,30(3):725-734

[7]Uludag Y,?zbelge H ?,Yilmaz L.J.Membr.Sci.,1997,129(1):93-99

[8]Juang R S,Chiou C H.J.Membr.Sci.,2000,177(1):207-214

[9]Molinari R,Argurio P,Poerio T.Desalination,2004,162:217-228

[10]Rivas B L,Geckeler K E.Polymer Synthesis Oxidation Processes.Berlin Heidelberg:Springer,1992:171-188

[11]Ca?izares P,Pérez á,Camarillo R.Desalination,2002,144(1):279-285

[12]Molinari R,Poerio T,Argurio P.J.Membr.Sci.,2007,295(1):139-147

[13]LIN Ji-Jun(林繼軍),DUAN Hua-Ling(段華玲),GONG Zhen-Bin(弓 振 斌).Chinese J.Anal.Chem.(分 析 化 學 ),2011,39(6):906-910

[14]Kobayashi S,Hiroishi K,Tokunoh M,et al.Macromolecules,1987,20(7):1496-1500

[15]Jarvis N V,Wagener J M.Talanta,1995,42(2):219-226

[16]LUO Qin-Hui(羅勤慧),SHEN Meng-Chang(沈孟長),DING Yi(丁益),et al.Acta Chim.Sinica(化學學報),1982,40(2):125-133

[17]?aykara T,I˙nam R,?ztürk Z,et al.Colloid Polym.Sci.,2004,282(11):1282-1285

[18]Leyte J C,Zuiderweg L H,Van Reisen M.J.Phys.Chem.,1968,72(4):1127-1132

[19]Yamaoka K,Masujima T.Bull.Chem.Soc.Jpn.,1979,52(2):1286-1296

[20]Tomida T,Hamaguchi K,Tunashima S,et al.Ind.Eng.Chem.Res.,2001,40(16):3557-3562

[21]Islamoglu Kadioglu S,Yilmaz L,Onder Ozbelge H.Sep.Sci.Technol.,2009,44(11):2559-2581

[22]HUANG Jia-Hua(黃佳華),GONG Zhen-Bin(弓振斌),LIN Ji-Jun(林繼軍),et al.Chem.J.Chinese U.(高等學校化學學報),2012,33(12):2633-2637

[23]HUANG Jia-Hua(黃佳華).Thesis for the Master Degree of Xiamen University(廈門大學碩士學位論文).2012.

[24]Striegel A,Yau W W,Kirkland J J,et al.Modern Size-ex Clusion Liquid Chromatography:Practice of Gel Permeation and Gel Filtration Chromatography.New York:Wiley,2009.

[25]YeungB,MarecakD.J.Chromatogr.,A,1999,852(2):573-581

[26]Rojas E E G,Reis Coimbra dos JS,Minim L A,et al.Process Biochem.,2004,39(11):1751-1759

[27]Vasudevan P T,Palekar A A,Yan S.Biocatal.Biotransform.,2002,20(3):189-199

[28]Achterberg E P,Holland T W,Bowie A R,et al.Anal.Chim.Acta,2001,442(1):1-14

[29]Liu M,Xie C,Xu W,et al.J.Chromatogr.,A,2004,1046(1):121-126

[30]Cutié S S,Martin S J.J.Appl.Polym.Sci.,1995,55(4):605-609

[31]ZHANG Han-Qi(張寒琦),TIE Yuan(鐵元),WANG Da-Ning(王大寧),et al.Brief Handbook of Analytical Chemistry(分析化學簡明教程).Changchun:Jilin University Press,1996.

[32]Thiele H,Gronau K H.Makromol.Chem.,1963,59:207-221

[33]Molinari R,Poerio T,Argurio P.Chemosphere,2008,70(3):341-348

[34]Bekturov E A,Bakauova Z K.Synthetic Water-soluble Polymers in Solution.Basel,Heidelberg,New York:Hüthig&Wepf Verlag,1986.