利用表面預(yù)烯基化納米硅膠顆粒制備新型液相色譜整體柱

李金祥，楊芮萌，李 佳，馬世雍

(遼寧師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧大連 116029)

毛細(xì)管液相色譜由于其柱效高，重復(fù)性好，樣品和溶劑消耗低，分離過(guò)程中色譜稀釋度大大降低，與質(zhì)譜聯(lián)用相容性好等優(yōu)點(diǎn)在分離領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]，現(xiàn)如今，除了生物學(xué)以及藥學(xué)之外，醫(yī)學(xué)行業(yè)也大量應(yīng)用了這一技術(shù)[3-4]。當(dāng)填充到整體柱里面的固定相填料變化的時(shí)候，能夠把整體柱一共劃分成3個(gè)不同的類(lèi)型，分別是有機(jī)聚合物整體柱、無(wú)機(jī)二氧化硅整體柱以及有機(jī)與無(wú)機(jī)雜化整體柱。有機(jī)聚合物整體柱盡管制備起來(lái)難度較低，但在有機(jī)溶劑中極易溶脹；無(wú)機(jī)二氧化硅整體柱制備需要花費(fèi)大量的時(shí)間，并且表面改性所涉及的工作量也十分繁雜；有機(jī)與無(wú)機(jī)雜化整體柱克服了上述的缺點(diǎn)并結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛地應(yīng)用于毛細(xì)管液相色譜領(lǐng)域。

在本次研究當(dāng)中，所使用的交聯(lián)劑為表面預(yù)烯基化的無(wú)機(jī)納米硅膠顆粒，該交聯(lián)劑的直徑為20～50 nm，2-二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯(DAMA)與甲基丙烯酸(MAA)作為有機(jī)功能單體，在毛細(xì)管(外徑375 μm，內(nèi)徑150 μm)內(nèi)原位聚合，成功得到了有機(jī)與無(wú)機(jī)雜化兩性離子交換整體柱。除此以外，本次研究的測(cè)試對(duì)象為一價(jià)無(wú)機(jī)陰離子以及有機(jī)胺類(lèi)陽(yáng)離子各一組，使用這兩個(gè)測(cè)試對(duì)象對(duì)整體柱的分離性能進(jìn)行了全面地評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

本實(shí)驗(yàn)所需用到主要儀器見(jiàn)表1,所用試劑和材料見(jiàn)表2。

表1 實(shí)驗(yàn)所用儀器

表2 實(shí)驗(yàn)所用試劑和材料

1.2 納米硅膠顆粒表面預(yù)烯基化處理

實(shí)驗(yàn)中使用的納米硅膠顆粒是按照文獻(xiàn)[5]報(bào)道，采用油包水反相微乳法合成的二氧化硅納米顆粒，其直徑在20～50 nm之間。將納米顆粒用1.0 mol·L-1NaOH溶液浸泡60 min，高速離心后用超純水浸泡60 min，洗到中性，用1.0 mol·L-1HCl溶液浸泡60 min，高速離心后用超純水浸泡60 min，洗到中性，最后加入甲醇，浸泡約30 min后使用烘箱烘干。量取相同體積的預(yù)烯基化試劑γ-MAPS與甲醇，制成混合溶液，注入納米顆粒中，放入恒溫水浴中，溫度控制在45℃，反應(yīng)12 h。高速離心后用甲醇浸泡60 min，最后放入烘箱烘干。

1.3 毛細(xì)管內(nèi)壁預(yù)烯基化處理

將內(nèi)徑150 μm的毛細(xì)管內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)烯基化處理，具體方法同納米硅膠顆粒預(yù)烯基化處理。

1.4 整體柱的制備

共需要配制3種溶液，分別為甲、乙、丙。甲溶液是一種三元致孔劑，其組分為水、甲醇以及環(huán)己醇，(H2O∶MeOH∶CyOH=l∶l∶2，v/v/v)，乙是有機(jī)單體混合溶液(DAMA∶MAA=1∶1，v/v)，丙是用甲溶液配制的濃度為2%(w/v)的AIBN溶液。3種溶液均需要通入氮?dú)獬?然后再使用超聲來(lái)進(jìn)行振蕩。稱(chēng)取7.5 mg表面預(yù)烯基化的納米硅膠顆粒，22.5 μL乙溶液和60 μL甲溶液于1.5 mL的離心管中,通入氮?dú)獬?，并使用超聲振蕩，再加?0 μL丙溶液后，通入氮?dú)獠⒊曊袷?0 s，由此獲得均勻的聚合反應(yīng)液[6]。在注射器中添加一定量的聚合反應(yīng)液，并快速把它注入到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的毛細(xì)管里，之后把毛細(xì)管的兩側(cè)都密封，放置在恒溫水浴里，溫度控制在60℃，反應(yīng)10 h，接著再用甲醇以及水對(duì)整體柱進(jìn)行沖洗，水與甲醇的量要超過(guò)柱體積的50倍。最后可得到有機(jī)與無(wú)機(jī)雜化兩性離子交換整體柱。

2 結(jié)果與討論

2.1 整體柱制備條件的優(yōu)化

為了制備固定相結(jié)實(shí)耐壓，孔隙均勻滲透性好，分離效能高的兩性離子雜化整體柱，本研究對(duì)整體柱的制備條件進(jìn)行了嚴(yán)格設(shè)計(jì)，對(duì)聚合反應(yīng)時(shí)間、單體的總濃度以及致孔劑的組成配比等進(jìn)行了深入研究。聚合混合物一共由幾種物質(zhì)所構(gòu)成，分別為：納米硅膠顆粒(7.5 mg)+DAMA(11.25 μL)+MAA(11.25 μL)+環(huán)己醇(35 μL)+甲醇(17.5 μL)+水(17.5 μL)+AIBN(0.2 mg)；反應(yīng)溫度：60℃；反應(yīng)時(shí)間：10 h。

2.2 色譜分離

對(duì)于兩性整體固定相而言，它同時(shí)擁有-NH2與-COOH兩種基團(tuán)，對(duì)流動(dòng)相的酸堿度進(jìn)行調(diào)整之后，可控制上述兩個(gè)基團(tuán)質(zhì)子化程度。當(dāng)pH改變之后，固定相表層的電子密度以及電荷性質(zhì)也會(huì)受到影響，所以，實(shí)現(xiàn)了陰離子分離模式和陽(yáng)離子分離模式的轉(zhuǎn)換。

2.2.1 陰離子分離

(a)pH=3

(b)pH=3.3

(c)pH=3.6

(d)pH=3.9

(a)[CI-]=50 mmol·L-1

(b)[CI-]=70 mmol·L-1

(c)[CI-]=90 mmol·L-1

(d)[CI-]=110 mmol·L-1

由圖3可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)流動(dòng)相pH值和競(jìng)爭(zhēng)離子濃度，可利用較短的整體柱(1 cm)在較短的時(shí)間(3 min)實(shí)現(xiàn)3種陰離子的快速分離。具體實(shí)驗(yàn)條件為:紫外檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm；有效柱長(zhǎng)1 cm；流動(dòng)相：10 mmol·L-1H3PO4-NaH2PO4緩沖溶液，pH=3.6，[Cl-]=90 mmol·L-1；流速：0.9 μL·min-1。

圖3 三種陰離子的快速分離圖

2.2.2 有機(jī)陽(yáng)離子分離

流動(dòng)相在堿性條件下，-NH2的質(zhì)子化程度會(huì)比-COOH更小，固定相整體帶負(fù)電荷，所以此時(shí)可借助靜電作用來(lái)分離陽(yáng)離子。本研究的流動(dòng)相為H3PO4-Na2HPO4緩沖溶液，溶液濃度為20 mmol·L-1，通過(guò)調(diào)節(jié)pH值的變化來(lái)考察對(duì)3種有機(jī)胺類(lèi)陽(yáng)離子保留時(shí)間的影響，具體實(shí)驗(yàn)條件：紫外檢測(cè)波長(zhǎng)214 nm；有效柱長(zhǎng)4.5 cm；流動(dòng)相：20 mmol·L-1H3PO4-Na2HPO4緩沖溶液，40%ACN；流速：0.8 μL·min-1。組分：(1)對(duì)甲苯胺；(2)對(duì)氯苯胺；(3)對(duì)硝基苯胺。由圖4可見(jiàn)，隨著pH值的增加，3種有機(jī)陽(yáng)離子保留時(shí)間增加。

(a)pH=7

(b)pH=8

(c)pH=9

在堿性條件下，有機(jī)胺類(lèi)陽(yáng)離子的分離機(jī)理較復(fù)雜，除與陽(yáng)離子的靜電作用外，固定相的親水性同樣對(duì)陽(yáng)離子的保留時(shí)間有一定的影響，具體實(shí)驗(yàn)條件為：紫外檢測(cè)波長(zhǎng)214 nm；有效柱長(zhǎng)4.5 cm；流動(dòng)相：20 mmol·L-1H3PO4-Na2HPO4緩沖溶液，pH=7；流速：0.8 μL·min-1；組分：(1)對(duì)甲苯胺；(2)對(duì)氯苯胺；(3)對(duì)硝基苯胺。由圖5可見(jiàn)，由于陽(yáng)離子與固定相間存在著親水作用，提高流動(dòng)相里乙腈占比，固定相與陽(yáng)離子兩者間的相互作用力會(huì)有所削減，因此分離效果不佳。進(jìn)而可以證明有機(jī)胺類(lèi)陽(yáng)離子與固定相之間為離子交換機(jī)理和親水作用的共同作用。

(a)30%ACN

(b)40%ACN

(c)50%ACN

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)流動(dòng)相的酸堿度以及其中添加劑的占比進(jìn)行改變，就能夠讓有機(jī)胺類(lèi)陽(yáng)離子在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)分離，具體實(shí)驗(yàn)條件為：紫外檢測(cè)波長(zhǎng)214 nm；有效柱長(zhǎng)4.5 cm；流動(dòng)相：20 mmol·L-1H3PO4-Na2HPO4緩沖溶液，pH=7，40%ACN；流速：0.8 μL·min-1。組分：(1)對(duì)甲苯胺；(2)對(duì)氯苯胺；(3)對(duì)硝基苯胺。由圖6可見(jiàn)，利用較短的整體柱(有效柱長(zhǎng)4.5 cm)可在較短時(shí)間(5 min)內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速分離。

圖6 三種有機(jī)胺陽(yáng)離子的快速分離圖

3 結(jié)論

利用表面預(yù)烯基化的無(wú)機(jī)納米硅膠顆粒作為交聯(lián)劑，含有-COOH基團(tuán)的甲基丙烯酸和含有-NH2基團(tuán)的2-二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯作為有機(jī)功能單體，在毛細(xì)管里面，進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，可得到一種全新的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化兩性離子交換整體柱。利用整體柱分離了一組無(wú)機(jī)陰離子和一組有機(jī)陽(yáng)離子。