利用层层自组装技术制备聚电解质多层膜高效液相色谱固定相
2014-09-02沈巧星周晓燕江秀明倪书姣
沈巧星,周晓燕,江秀明,倪书姣,毛 璞
(河南工业大学 化学化工学院,河南 郑州 450001)
利用层层自组装技术制备聚电解质多层膜高效液相色谱固定相
沈巧星,周晓燕,江秀明*,倪书姣,毛 璞
(河南工业大学 化学化工学院,河南 郑州 450001)
以聚(乙烯-alt-马来酸) 的苯乙胺衍生物与聚烯丙基胺盐酸盐为原料, 通过层层自组装技术(LBL)在色谱硅胶表面交替沉积得到聚电解质多层膜高效液相色谱(HPLC)固定相;利用紫外光谱、红外光谱和元素分析研究了HPLC固定相的结构和组成. 结果表明,聚电解质多层膜HPLC固定相被成功构筑在硅胶颗粒表面;制备的多层膜固定相可方便地用于6种芳香烃类及4种烷基苯类物质的分离分析. 本文的研究结果说明LBL技术在制备HPLC固定相方面具有一定的应用价值.
层层自组装技术;聚电解质多层膜;HPLC固定相;制备
层层静电自组装技术由ILER[1]于1966年首次提出,它利用带相反电荷聚电解质之间的交替沉积制备高分子多层膜,与其他制备多层膜的方法相比,具有操作条件温和,可用来组装的物质体系众多,组装过程能够在不同形状和尺寸的基材表面实现,且改变沉积条件可以有效调控膜层厚度、表面形貌、内部结构及其物理化学性质等优势[2-5]. 自1991年被DECHER和HONG[6]再次提出以来,层层自组装技术已被广泛应用于光电设备,生物材料制备等众多领域[7-9].
在分析化学领域,层层自组装技术的应用研究主要集中在化学及生物传感器的制备和毛细管电泳性能改善等[10-11]方面. 利用层层自组装技术,能够将蛋白质、DNA、纳米颗粒以及其他材料构筑在电极表面,改善电极的电化学分析性能. 层层自组装多层膜修饰的毛细管电泳系统或微芯片,能够提供稳定的电渗流,提高系统的峰容量和分离度. 此外,层层自组装技术也已经被用于开口毛细管离子色谱柱的制备,并实现了多种无机阴、阳离子的分离分析[12].
本文作者研究了层层自组装技术制备HPLC固定相的可行性. 利用聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)和聚(乙烯-alt-马来酸)的苯乙胺衍生物(PEMAPEA)在色谱硅胶表面的交替沉积构筑聚电解质多层膜,制备了新型PAH/PEMAPEA多层膜HPLC固定相;使用紫外吸收光谱、红外吸收光谱、元素分析等技术研究多层膜自组装过程;考察固定相对6种芳香烃类及4种烷基苯类分析对象的色谱分析行为.
1 实验部分
1.1 实验材料
UV-2450型紫外-可见分光光度计(岛津公司);Prestige-21型傅立叶变换红外分光光度计(岛津公司);Flash 2000 CHN-O型元素分析仪(赛默飞世尔公司);ACGY-100B型气动泵(北京市福思源机械加工部);高效液相色谱仪(岛津公司,配备有CBM-10A vp plus色谱工作站、LC-10AT vp plus 型高压泵、7725i型手动进样阀和SPD-10A vp plus型紫外检测器)
1.2 实验过程
1.2.1 色谱硅胶上组装多层膜
将4 g色谱硅胶加入带盖的100 mL塑料离心管中,向其中加入40 mL浓度为5 mmol·L-1的PAH溶液(含有0.3 mol·L-1NaCl、pH=7.0),盖上盖子,在室温下以200 rpm的速度震荡30 min以组装PAH膜层;以4 000 rpm的速度离心分离10 min,除去上清液,采用高纯水分散洗涤固体产物,离心分离,除去上清液,重复此洗涤过程两次;加入40 mL同样盐度、pH和浓度的PEMAPEA溶液,采取与组装PAH膜层同样的步骤组装PEMAPEA膜层,形成一个双层;如此循环直至组装6个双层的PAH/PEMAPEA多层膜. 同时,利用紫外光谱仪测试每次组装前后PEMAPEA溶液的紫外吸收变化. 组装好的固定相在真空干燥箱中90 ℃下干燥12 h,得到多层膜HPLC固定相,取出一部分用于红外和元素分析,其余填装色谱柱.
1.2.2 色谱柱制备及性能评价
将组装并干燥好的固定相通过四氯化碳溶液匀浆,以甲醇溶液作为顶替液,利用气动泵在50 MPa下装填高效液相色谱柱(250 mm×4.6 mm I.D.). 将装填好的色谱柱接入高效液相色谱系统,在室温下,1.0 mL·min-1的流速,254 nm的检测波长下,对多环芳香烃类及烷基苯类物质进行分离检测,评价色谱柱性能.
2 结果与讨论
2.1 HPLC固定相的制备
含有0.3 mol·L-1的NaCl,且浓度为5 mmol·L-1的聚电解质组装溶液,在粒径5 μm的色谱硅胶表面,通过正负电荷间的静电相互作用,形成稳定的、具有6个双层的 PAH/PEMAPEA多层膜. 图1为每层组装前后PEMAPEA溶液的紫外吸收光谱. 可以看出,对比同样稀释倍数下的PEMAPEA溶液,组装后的吸收峰强度明显降低,表明PEMAPEA被成功组装到硅胶表面. 根据组装前后PEMAPEA溶液在210 nm处吸光度的变化幅度,可以计算出6个双层PAH/PEMAPEA多层膜固定相中含有PEMAPEA的量为0.160 mmol·g-1,转换成C含量为2.69%. 元素分析结果显示,固定相中C、H和N元素的含量分别为3.51%、0.40%和0.72%,其中C含量高于由紫外吸收光谱数据计算的C含量,产生这种结果的原因是紫外光谱计算得到的C含量未包含多层膜中PAH的贡献,因此数值较低.
修饰前后色谱硅胶的红外光谱结果(图2)同样表明,PAH/PEMAPEA聚电解质多层膜被成功组装在色谱硅胶表面. 与硅胶的红外谱图(图2a)相比,固定相的红外光谱图(图2b)呈现出聚电解质有机官能团的特征吸收峰,其中2 922和2 850 cm-1处的吸收峰由饱和C-H键的伸缩振动产生,1 637和1 550 cm-1处的吸收峰与PEMAPEA中的酰胺基团有关.
曲线0为PEMAPEA组装溶液的吸收曲线(稀释100倍),曲线1到6分别为每次组装后PEMAPEA溶液的吸收曲线(稀释25倍)
图2 色谱硅胶(a)和PAH/PEMAPEA多层膜修饰的色谱硅胶(b)的FT-IR谱图Fig.2 FT-IR spectra of silica particles (a) and PAH/PEMAPEA multilayer modified silica particles (b)
2.2 固定相的色谱性能评价
色谱条件:流动相:乙腈-水(体积比30∶70),流速:1 mL·min-1,紫外检测波长:254 nm
色谱条件:流动相:乙腈-水(体积比20∶80),流速:1 mL·min-1,紫外检测波长:254 nm
色谱条件:流动相:乙腈-水,流速:1 mL·min-1,紫外检测波长:254 nm自下而上分别为苯、萘、芴、蒽、苝
当流动相中极性相对较小的乙腈含量降低时,两类化合物的容量因子均减小,分析物的容量因子的对数(lgk)与流动相中乙腈含量在考察的范围内呈现较好的线性关系(见图5),表明该固定相与分析物间存在一定的疏水作用.
通过静电作用交替沉积的PAH/PEMAPEA多层膜固定相,因其膜层中含有长碳链及苯环结构而表现出疏水作用,同时,PEMAPEA中的苯环结构又与芳香类物质中的苯环结构形成较强的π-π相互作用,使多层膜固定相呈反相色谱特性,能够在反相条件下,实现极性较弱的多环芳烃和烷基苯化合物的有效分离.
3 结论
利用LBL技术,带相反电荷的聚电解质PAH和PEMAPEA能够很好的交替沉积在色谱硅胶表面. HPLC 固定相的成功制备及其在反相条件下对6种多环芳烃和4种烷基苯类物质的有效分离,表明LBL多层膜能够用于色谱固定相的构筑. 固定相对两类分析物的色谱数据显示,多层膜与分析物间的疏水及π-π相互作用,是实现相应组分有效分离的基础. LBL技术在HPLC固定相制备领域的成功应用、LBL技术所构筑的多层膜性质的可调控性以及其组装基材选择的多样性,为HPLC固定相制备技术的拓展提供了一种新的选择.
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Preparationofhighperformanceliquidchromatographstationary
phasevialayer-by-layerself-assembledtechnique
SHEN Qiaoxing, ZHOU Xiaoyan, JIANG Xiuming*, NI Shujiao, MAO Pu
(SchoolofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)
A novel high performance liquid chromatograph (HPLC) stationary phase was fabricated on the surface of spherical silicaviathe alternate layer-by-layer (LBL) self-assmbly of poly(allylamine hydrochloride) andα-phenylethylamine derivative of poly(ethylene-alt-maleic acid). The structure and composition of as-obtained multilayer HPLC stationary phase were analyzed by ultraviolet-visible light spectrophotometry, infrared spectrometry, and elemental analysis. Results indicate that polyelectrolyte multilayer film is successfully incorporated onto the surface of silica gel particulates. Besides, as-prepared multilayer HPLC stationary phase can be readily used to separate and analyze six kinds of aromatic hydrocarbons and four kinds of alkyl benzene, which demonstrates that LBL technique exhibits promising potential in preparing HPLC stationary phase.
LBL self-assemble technique; polyelectrolyte multilayer film; HPLC stationary phase; preparation
2014-03-06.
郑州科技人才队伍建设计划—科技创新团队(131PCXTD605).
沈巧星(1984-),男,硕士生,研究方向为色谱分析.*
,E-mail:jxm1965@haut.edu.cn.
O 657.7
A
1008-1011(2014)03-0234-04