氯丙基有机-硅胶杂化整体柱的制备及性能研究

林旭聪， 郑 娜， 谢增鸿

(福州大学化学学院， 福建 福州 350116)

氯丙基有机-硅胶杂化整体柱的制备及性能研究

林旭聪， 郑 娜， 谢增鸿

(福州大学化学学院， 福建 福州 350116)

研究制备氯丙基功能化的有机-硅胶杂化整体柱， 考察不同组成对整体柱聚合结构、 渗透性、 稳定性和柱效的影响， 分析整体柱电渗流变化趋势和电色谱分离性能. 所制备的氯丙基杂化硅胶整体柱结构稳定、 固定相分布均匀， 分离性能良好， 包括反相色谱保留、 静电荷吸附和电泳等多种模式的协同作用. 应用加压电色谱模式， 7种烷基苯、 8种苯胺类化合物和7种苯甲酸类物质在氯丙基杂化硅胶整体柱中实现基线分离.

有机-硅胶杂化整体柱； 氯丙基； 柱制备

0 引言

有机-硅胶杂化整体柱具有刚性硅胶骨架和有机功能基团， 拥有微米尺寸的通孔结构和纳米尺寸的中孔结构， 结构稳定、 柱效高[1-2]， 是一类新兴的分离材料， 发展迅速. 研究杂化硅胶整体柱组成及作用机制， 开发高性能的杂化硅胶整体柱， 备受关注[3-4].

近来， 基于卤代烷烃与含氮结构产生亲核反应， 制备卤代烃键合杂化硅胶整体柱， 开展杂化整体柱功能化修饰的研究报道较多. Gusev等[5]基于乙烯基苄氯(VBC)和二乙烯基苯(DVB)有机共聚， 制备氯甲基化的poly-VBC-DVB聚合柱， 柱后衍生N, N-二甲基正辛胺后得到季铵型整体柱； Huang等[6]基于poly-VBC-DVB整体柱的氯甲基与十二烷基二甲基叔胺作用， 制备新型季铵整体柱. Zhang等[7]制备烷基氯硅胶杂化柱， 柱后修饰N-甲基咪唑， 制备离子液型整体柱. 目前， 卤代烷烃键合杂化硅胶整体柱研究日益广泛， 开展烷基氯键合硅胶整体柱的优化及性能分析， 对该类整体柱制备及应用具有重要意义.

本文制备氯丙基键合有机-硅胶杂化整体柱(CP-silica柱)， 开展CP-silica柱形貌结构、 机械性能、 电渗流作用及其色谱分离性能分析， 为CP-silica柱制备及其在加压毛细管电色谱中应用提供科学基础数据.

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

毛细管电色谱仪(2100 GV， Unimicro， USA)； 电子扫描显微镜(XL30ESEM， FEI， USA)； ACD/Labs软件(Advanced Chemistry Development, Inc., Canada).

四甲氧基硅烷(TMOS)(Alfa Aesar, USA)， 3-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTMS)(Aldrich, USA)； 尿素、 聚乙二醇(PEG， 10 000)， 上海国药化学试剂有限公司； 所有试剂均为分析纯； 实验用水为二次蒸馏水.

1.2 CP-silica柱制备

石英毛细管内壁预处理参照文献[8-9]进行.

CP-silica柱制备流程： 称取适量PEG和尿素， 加入0.01 mol·L-1醋酸溶液5.0 mL， 搅拌溶解， 在冰浴条件下依次滴入0.6 mL CPTMS和1.8 mL TMOS， 冰浴搅拌45 min； 超声3 min， 注入预处理好的毛细管(内径75m)， 两端封口， 55 ℃恒温反应12 h， 得到CP-silica柱. 在柱子的末端空管一侧烧制一个长1～2 mm的检测窗口， 分离柱床有效柱长为30 cm. 实验采用紫外检测， 检测波长214 nm， 制备示意图见图1所示.

图1 氯丙基杂化硅胶整体柱制备示意图Fig.1 Scheme of the preparation of CP-silica hybrid monolith

2 结果与讨论

2.1 CP-silica柱制备工艺研究

CP-silica柱中CPTMS和TMOS是溶胶凝胶的主要组成. 在前期工作的基础上[9]， 进一步研究考察聚乙二醇(PEG)和尿素对CP-silica柱性能参数的影响.

2.1.1 PEG对渗透性的影响

聚乙二醇(PEG)作为相分离诱导剂， 对 CP-silica柱床的结构及柱效具有明显的影响. 当PEG用量为500 mg时， CP-silica柱固定相聚合情况较差， 聚合相不均匀、 部分开裂， 硅胶柱中存在较大的空隙， 渗透性K测量值高达7.09×10-13m2， 柱效低； PEG用量为600～680 mg时， CP-silica柱聚合程度得到改善， 随着PEG用量的增加， 凝胶聚合相分离速度更快， 聚合相中颗粒析出越快、 颗粒间形成孔穴尺寸降低， 柱床聚合较为均匀， 如图2所示， 尿素=900 mg， 流动相中乙腈∶水= 80∶20(体积比)时渗透性从2.63×10-13m2降低至0.89×10-13m2， 柱效从22 000 plates·m-1增加到78 000 plates·m-1， 柱效在PEG用量为680 mg时达到最大值； 随着PEG用量的继续增加， CP-silica柱渗透性继续降低， 溶质通过性受到进一步抑制， 溶质峰展宽效应明显增强， 柱效降低； 当PEG增至800 mg时， CP-silica柱聚合度明显过大， 以乙腈∶水(50%∶50%)溶液为流动相时柱压达到20 MPa以上， 渗透性低.

2.1.2 PEG对理论塔板高度的影响

如图3所示， 流动相为乙腈∶磷酸三乙胺缓冲液(5 mmol·L-1， pH 7.0)=45∶55， 辅助压力为0.4 MPa， 施加不同分离电压(-3～-20 kV)， 甲苯标记物的流动速度在0.10～ 0.80 mm·s-1范围内与理论塔板高度H曲线关系符合Van Deemter方程. PEG用量从660 mg增大至680 mg时， CP-silica柱最小理论塔板高度H显著下降， 从18m(聚乙二醇PEG： 660 mg)降低至13m(PEG： 680 mg)， 获得最小理论塔板高度Hmin的流速从0.38 mm·s-1降低至0.22 mm·s-1； 随着PEG用量的继续增大， 整体柱通透性下降， 流动相迁移速度降低， 峰展宽效应明显增强， 甲苯的分离柱效降低， 理论塔板高度H上升， 通过加大分离电压提高流速， 在流速为0.30 mm·s-1时，Hmin数值达到17m左右(PEG： 700 mg).

图3 不同PEG用量所制备整体柱的塔板高度HETPFig.3 HETP of monolithic columns prepared with different PEG contents

2.1.3 尿素对整体柱结构的影响

尿素与水解硅氧烷前驱体存在氢键作用， 促进硅氧烷之间羟基缩合和硅胶骨架凝胶化. 如图4所示， 随着聚合溶液中尿素用量的增加， 硅胶柱中硅胶骨架尺寸明显降低， 并有生长形成团簇的趋势， 硅胶聚合簇之间孔穴尺寸明显降低. 尿素用量较少时(800 mg)， CP-silica柱渗透性高(2.22×10-13m2)、 柱效低(低于30 000 plates·m-1)， 扫描电镜(SEM)观察到硅胶骨架粗大、 孔穴尺寸较大， 见图4(a)； 尿素用量增加至900 mg时， 硅胶柱中骨架聚合形貌清晰、 孔穴尺寸适中， 渗透性因子减小(0.887×10-13m2)， 柱效明显提高(78 000 plates·m-1)； 进一步提高尿素的用量， 如图4(c)所示， 硅胶聚合相逐渐呈现球团态， 聚合相堆积密实程度明显增大， 硅胶柱的通过性下降(渗透性K值0.450×10-13m2)， 溶质峰迁移能力降低而导致峰展宽， 柱效略有下降(67 000 plates·m-1)， 稳定性有所下降， 重复性(Batch-to-batch,n=4)RSD=7.0%.

2.2 CP-silica柱稳定性

如图5， 采用长度6 cm的整体柱测试， 在不同流动相中， CP-silica柱背压均与流速呈现良好的线性关系， 线性方程和线性相关系数分别为：y=507.34x+1.077，r2=0.997 8；y=338.11x-0.056，r2=0.997 2；y=376.57x-0.023，r2=0.997 6；y=255.59x+0.014，r2=0.997 6， CP-silica柱在不同极性有机试剂和水溶液中具有良好的机械稳定性.

实验考察CP-silica整体柱的分析重现性， CP-silica整体柱的保留时间和柱效的日内(n=5)、 日间(n=3)RSD值、 以及不同批次(n=3， 每批3根)测定值RSD均在3.0%以内， 3种标记物质保留时间和柱效的日内、 日间及不同批次的RSD保持在5.1%以内， CP-silica整体柱结构和分析性能的重现性良好.

2.3 柱性能分析

2.3.1 电渗流(EOF)

CP-silica杂化硅胶柱通过CPTMS和TMOS等硅氧烷试剂缩聚形成， CPTMS和TMOS前驱体在溶胶形成过程中生成-SiOH， 凝胶化反应后的CP-silica杂化硅胶柱内仍会残留有较多的硅羟基， 在弱酸性和碱性条件下解离产生SiO-离子并形成电渗流EOF. 如图6， 以硫脲为标记物， 在分离电压为-20 kV时， 随着流动相中缓冲液的pH增大， CP-silica整体柱的EOF呈增大趋势， 当pH为5.0至8.0， CP-silica柱的硅羟基(pKa约3.5～4.5)解离程度迅速增大， 硅胶柱聚合相表面的负电荷吸附异电荷形成的zeta电势迅速增大， EOF增大； 当缓冲液pH为8.0～9.0时， CP-silica柱表面硅羟基解离程度增大， zeta电势较为稳定， EOF 值达到0.9 mm·s-1.

图5 流速与柱压线性关系曲线Fig.5 Linear curve of flow rate and back pressure of CP-silica column.

图6 pH值对CP-silica杂化整体柱电渗流的影响Fig.6 Effect of pH on EOF velocity of CP-silica column

2.3.2 对电中性物质的保留作用

CP-silica柱中硅胶骨架上具有硅羟基和氯丙基， 硅羟基具有极性和亲水作用， 氯丙基具有一定的疏水性和反相作用. 实验表明， 流动相中乙腈(ACN)含量为40%～80%时， 硫脲、 N, N-二甲基甲酰胺(DMF)的保留因子k*变化幅度小， 硫脲最先出峰，k*最小； 甲苯的保留因子k*随着乙腈(ACN)的增大迅速从1.0降低到0.05左右， 当流动相中磷酸三乙胺缓冲盐含量高于35%时， 硫脲、 DMF、 甲苯依次被洗脱出峰， 极性DMF和硫脲保留弱， 非极性的甲苯最后洗脱如图7所示， 表明保留机制为色谱反相作用. 当ACN含量为65%～85%时， ACN含量的增大使其对非极性的甲苯洗脱作用进一步增强， 保留因子继续减小， 极性DMF和硫脲由于与硅羟基之间的氢键作用、 偶极作用和亲水作用， 特别是弱碱性DMF在硅胶柱上保留作用增强明显， DMF与CP-silica柱上硅羟基存在一定的电荷作用， 导致三者出峰顺序在有机相乙腈含量高于85%时变为甲苯、 硫脲、 DMF， 具有一定的正相作用和电荷作用.

为进一步验证CP-silica柱的反相分离作用， 实验选取7种苯系物， 分析乙腈含量变化对logk*的影响， 如图8所示， 7种苯系物按照极性从大到小顺序依次出峰， 苯系物的logk*与乙腈含量成良好的线性关系，r2=0.995～0.997， 体现出明显的反相色谱保留行为.

图7 乙腈含量对保留因子的影响Fig.7 Effect of ACN on the retention factors

图8 乙腈含量与苯系物log k*的线性曲线Fig.8 Linear curve of ACN content and log k* of benzene type compounds

2.3.3 对带电荷物质的保留作用

CP-silica柱形成过程中生成大量的硅羟基， 凝胶聚合反应后整体柱表面仍会残留硅羟基极性基团， 在弱酸性和碱性条件下解离带有一定的负电荷， 可以提供离子作用位点. 实验中采用反向高压模式(检测端接上负高压-20 kV)， 应用CP-silica杂化整体柱对电荷型物质进行了分离， 如图9. 这8种苯胺类物质在CP-silica柱上得到了基线分离， 实验中8种苯胺类物质 logP值(在正辛醇(油)和水中的分配系数比值的对数值)和pKa值采用ACD/Labs软件计算， 这些苯胺类物质在CP-silica柱上的迁移洗脱顺序为对苯二胺 (logP： -0.68， pKa： 4.6)、 邻苯二胺 (logP： 0.05， pKa： 4.6)、 苯胺 (logP： 0.94， pKa： 4.6)、 对氨基苯磺酰胺 (logP： -0.72， pKa： 10.40)、 1-萘胺 (logP： 2.17， pKa： 3.94)、 对硝基苯胺 (logP： 1.39， pKa： 1.01)、 邻硝基苯胺 (logP： 1.83， pKa： -0.23)、 二苯胺 (logP： 2.97, pKa： 0.78). 当流动相乙腈含量为45%时， CP-silica杂化整体柱呈现反相色谱保留作用， 大部分苯胺类物质按照其logP值大小从负值(极性)-0.68依次增大到2.97的顺序逐次洗脱， 基本符合CP-silica柱的反相保留机制.

图9 苯胺类化合物的CEC分离谱图Fig.9 Electrochromatogram of aniline compounds

在酸性条件下乙腈∶磷酸三乙胺(5 mmol·L-1， pH 7.0)=45∶55 (体积比), 分离电压为-20 kV， 对氨基苯磺酰胺 (logP=-0.72， pKa=10.40)带有部分正电荷， 与CP-silica柱上硅羟基负电荷产生电荷吸附作用， 同时受到了负电荷高压电的电泳迁移作用， 保留主要受到反相色谱保留、 静电吸附和电泳模式的协同作用. 由于静电吸附较电泳作用强， 磺胺比不带电荷的硫脲出峰迟； 对硝基苯胺 (logP： 1.39， pKa： 1.01)、 邻硝基苯胺 (logP： 1.83， pKa： -0.23)中后者去质子氢的倾向较大， 带正电荷少， 保留作用主要决定于反相色谱作用； 1-萘胺 (logP： 2.17， pKa： 3.94)、 二苯胺 (logP： 2.97, pKa： 0.78)中1-萘胺正电荷较高， 受到电泳、 硅羟基负电荷吸附和反相保留的协同作用， 二苯胺pKa较小， 带正电荷相对较少， 主要决定于色谱反相保留作用. 基于电泳、 硅羟基负电荷吸附和反相保留的协同作用， 8种苯胺类物质在CP-silica杂化整体柱上成功得到了基线分离尾. 同时， 实验选取了7种苯甲酸类化合物进行了电色谱CEC分离， 见图10， 7种苯甲酸类化合物在CEC模式下得到了良好分离.

图10 苯甲酸类化合物的分离色谱图 Fig.10 Electrochromatogram of organic acids

3 结语

制备CP-silica有机-硅胶杂化整体柱， 研究该整体柱的聚合参数和色谱性能. 聚乙二醇(PEG)和尿素(Urea)对CP-silica整体柱渗透性和结构稳定性影响作用明显； CP-silica整体柱具有良好的机械稳定性， 电渗流(EOF)日内、 日间及不同批次的相对标准偏差(RSD)均在3.0%以内， 保留时间和柱效的日内、 日间及不同批次的RSD保持在5.1%以内； 电中性物质主要受到反相色谱模式作用， 电荷物质在电色谱模式下， 在CP-silica柱的保留主要受到反相色谱保留、 静电荷吸附和电泳多种模式的协同作用， 7种苯系物、 8种苯胺类物质和7种苯甲酸类物质得到了基线分离， 峰形对称且无明显拖尾现象.

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Fabricationandevaluationofchloropropyl-functionalizedorganic-silicahybridmonolithiccolumn

LIN Xucong, ZHENG Na, XIE Zenghong

(College of Chemistry, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

A chloropropyl-functionalized organic-silica (CP-silica) hybrid monolith has been prepared via the sol-gel method. Effects on the formation of CP-silica column, the permeability and mechanical strength of CP-silica column have been discussed, and the EOF and chromatographic retention mechanism of CP-silica column were also studied. Satisfactory characteristics including good mechanical stability, acceptable resistance to swelling was realized in the obtained CP-silica column. Multiple interactions including RPLC retention， electrostatic adsorption and electrophoresis have been involved. Seven benzene-type compounds, eight aniline compounds and seven benzoic acid derivatives were successfully separated on the CP-silica hybrid monolith in pressured capillary electrochromatography.

organic-silica hybrid monolith; chloropropyl-functionalized; column fabrication

10.7631/issn.1000-2243.2017.05.0719

1000-2243(2017)05-0719-06

O657.7

A

2016-10-08

通讯简介： 林旭聪(1976-), 教授， 博导， 主要从事整体柱制备研究， xulin@fzu.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(21277026)； 福建省高校新世纪人才计划项目(JA14027)

(责任编辑： 蒋培玉)