近年来，二维扩散排序谱(Diffusion-Ordered NMR Spectroscopy，DOSY)技术逐渐成为检测混合物溶液中不同分子组分的一种有效手段^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}，被称之为“NMR中色谱技术”(Chromatographic NMR，CNMR)^{[6, 7, 8, 9]}．在DOSY谱中，不同的组分依据不同的分子自扩散系数(D)在扩散维方向显示出相应的NMR信号．D可以用Stokes-Einstein方程来表达：

这里，k为波尔兹曼常数，T为温度，η为粘度，r_s是分子或水合分子的直径．该方程表明D与温度成正比，与粘度成反比．如果混合物中的分析物，其某个分子性质方面差异较大，那么CNMR技术可以完全分离识别出这个混合物中的各个组分．但是当混合物中不同组分的分子间扩散系数差别（ΔD，也被称为分离度^[10]）较小时，DOSY技术便无法使该混合物的不同组分达到基线分离．在NMR转子或NMR样品管中加入色谱填料^{[11, 12, 13]}或高分子物质^{[14, 15, 16]}等虚拟的“色谱固定相(Virtual “Stationary Phases”，VSP)”是增加ΔD值的一个有效方法^[11]，所以发现分离性能好的VSP是促进用CNMR技术分析复杂混合物组分的一项重要工作．

聚二甲基硅氧烷(PDMS)（如图 1所示）是我们新发现的一种VSP^[17]．因为其¹H或¹³C信号位于谱图高场区域，几乎不会干扰其它分析物的信号，加之其良好的分离效果，所以PDMS是一种比较理想的VSP．本工作将利用高分辨液体NMR技术考察样品温度和溶液粘度变化对用PDMS分离正戊烷及其溴代物的影响．

图 1 聚二甲基硅氧烷结构式 Fig. 1 Structure of polydimethylsiloxane

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正戊烷购于成都市科龙化工试剂厂．1-溴戊烷和1,5-二溴戊烷购于成都艾科达化学试剂有限公司．聚二甲基硅氧烷、四氯化碳(CCl₄)购于国药集团化学试剂有限公司．氘代氯仿(CDCl₃) [99.8%纯度，含0.03% TMS(v/v)]购于美国CIL公司．分析物的质量用XS105D1型号电子分析天平（Mettler-toledo公司）进行称重．

所有NMR实验均在配有超低温探头的Bruker Avance III 600型NMR波谱仪上进行，质子共振谱频率为600.13 MHz．实验所用溶剂为CDCl₃，TMS为内标物，样品温度为298 K（注：除变温实验外，其它样品温度都为298 K ）．样品的配制过程如下：用微量移液器取0.5 mL CDCl₃于EP管中，取分析物正戊烷、1-溴戊烷和1,5-二溴戊烷各6 mL溶于其中，混合均匀后移入NMR样品管中，用于DOSY实验；然后称取80 mg PDMS加入上述样品管中，再次混合均匀，用于DOSY实验．在温度变化实验中，样品温度为278 K~303 K，每隔5 K进行一次DOSY实验．在粘度变化实验中，CCl₄含量为10%~50%（占溶液总体积百分比），每隔10%进行一次 DOSY实验．

本工作中所有2D ¹H DOSY实验均采用CPMG-filtered BPPLED脉冲序列^[10]（如图 2所示）进行采集，¹H维谱宽为7 211．539 Hz，时域点数为4 096，延迟时间为1.5 s．扫描次数为8，空扫次数为4．梯度场强度在30步内由2%变化至95%，梯度持续时间为0.6 ms，涡流恢复时间为5 ms．单次CPMG作用时间为1 ms，为压制高分子信号，整个CPMG作用时间为60 ms，根据实际需要分别采集其它参数．实验完成后，所得数据用正弦函数进行截止，F₂维变换点数为16 384，然后进行傅里叶变换．所有2D DOSY谱图由Bruker公司Topspin3.1软件处理．

图 2 CPMG-filtered BPPLED脉冲序列 Fig. 2 Pulse sequence for CPMG-filtered BPPLED

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实验中选取PDMS作为VSP，考察CDCl₃溶液中正戊烷、1-溴戊烷和1,5-二溴戊烷3个组分在添加VSP前后的分离效果（如图 3所示）．从图 3(a)的谱图中可以发现，未添加PDMS时，混合物中3个组分很难被分离，并且难以对各个信号进行归属；相反，当溶液中添加PDMS后，3个组分得到了较好的分离，并且依据3个组分的结构特点，可以较容易对谱图的信号进行归属：在图 3(b)中，3个组分从上而下依次为1,5-二溴戊烷、1-溴戊烷和正戊烷．其原因可能是：1,5-二溴戊烷具有较大分子极性，能够与VSP作用地更加紧密，所以它的表观自扩散系数最小；相较之下，1-溴戊烷具有较小分子极性，但大于正戊烷，所以中间的组分应该为1-溴戊烷，而下面的组分应该为正戊烷．上述理想的分离结果表明，对于正戊烷及其溴代物这组混合物来说，PDMS确实是一种比较适用的VSP．

图 3 由1,5-二溴戊烷(6 mL)、1-溴戊烷(6 mL)和正戊烷(6 mL)组成的混合物的1H DOSY谱(600 MHz)．(a) 没有添加PDMS；(b) 添加80 mg PDMS．溶剂：CDCl3 Fig. 3 1H DOSY spectra (600 MHz) of a mixture containing 1,5-dibromopentane (6 mL),1-bromopentane (6 mL),and n-pentane (6 mL) before (a) and after (b) the addition of 80 mg PDMS in CDCl3

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由Stokes-Einstein方程可知，温度是扩散系数的一个重要影响因素，所以本工作考察了样品温度对PDMS分离能力的影响（如图 4所示）．从图 4中可以看出，随着样品温度升高，混合物中3个组分的D值呈现出线性增加，并且它们的增加幅度与这3个组分的极性成反比，即极性最小的正戊烷随着温度升高，其D值变化最快（斜率大小：S_正戊烷 = 0.250 > S_1-溴戊烷 = 0.198 > S_{1,5-二溴戊烷} = 0.180）；相较之下，极性最大的1,5-二溴戊烷的D值变化最慢．由图 4中还可以看出，随着温度升高，混合物中3个组分之间的ΔD值（这里，ΔD₁ = D_正戊烷 - D_{1,5-二溴戊烷}，ΔD₂ = D_正戊烷 - D_1-溴戊烷，图 5中ΔD₁和ΔD₂采用同样定义）也有所增加．这表明，对于本分离体系来说，样品温度升高有利于提高PDMS对组分的分离效果．

图 4 扩散系数及分离度随温度变化的趋势图．混合物：1,5-二溴戊烷(6 mL)、1-溴戊烷(6 mL)和正戊烷(6 mL)；PDMS：80 mg；溶剂：CDCl3 Fig. 4 Influence of sample temperature (T) on the diffusion coefficient and the diffusion resolution. Mixture: 1,5-dibromopentane (6 mL),1-bromopentane (6 mL),and n-pentane (6 mL); PDMS : 80 mg; Solvent: CDCl3

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图 5 扩散系数及分离度随溶液粘度变化的趋势图．混合物：1,5-二溴戊烷(6 mL)、1-溴戊烷(6 mL)和正戊烷(6 mL)；PDMS：80 mg；溶剂：CDCl3和CCl4 Fig. 5 Influence of solvent viscosity on the diffusion coefficient and the diffusion resolution. Mixture: 1,5-dibromopentane (6 mL),1-bromopentane (6 mL),and n-pentane (6 mL); PDMS: 80 mg; Solvent: CDCl3 and CCl4

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对于CNMR技术，粘度是另一个重要影响因素．溶液粘度的变化会较大影响混合物中各组分与VSP的相互作用，过大的粘度可能导致溶液中的组分分子难以扩散，从而使得CNMR技术的分离效果不佳，所以考察粘度变化对于优化CNMR技术和改进分离性能有非常重要的意义．本工作考察了粘度变化对PDMS分离能力的影响（如图 5所示）．当实验温度为25 ℃时，CDCl₃和CDCl₄的粘度系数分别为0.54 MPa∙s和0.91 MPa∙s，所以当CDCl₃中CCl₄含量增加时，则相应的溶液粘度也增加．从图 5中可以看出，粘度增加使得3个组分的D值逐渐减小，并且极性最小的正戊烷的D值下降最快．这说明正戊烷与PDMS之间的相互作用较弱，更易受到粘度变化的影响．另外，从图 5中还可以发现，随着溶液粘度的增加，混合物中3个组分之间的分离度(ΔD)略有减小．这说明增大溶液粘度不利于该混合物的分离．

本工作利用CNMR技术考察了PDMS对含有正戊烷、1-溴戊烷和1,5-二溴戊烷混合物的分离效果，结果表明，PDMS是分离上述混合物的一种较理想的VSP．同时本工作还考察了样品温度和溶液粘度变化对PDMS分离性能的影响，结果表明，升高样品温度有利于PDMS对混合物的分离；相反，增加溶液粘度却降低PDMS的分离性能．

因CNMR技术尚处于发展的初级阶段，上述工作所得的实验结果，为基于PDMS的CNMR技术在实际中的应用提供了一些参考．