氯丙基杂化毛细管气相色谱整体柱的制备及其分离机理研究

闫晓清，施介华,2（.浙江工业大学药学院，浙江　杭州3004；2.浙江工业大学绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地，浙江　杭州3004）



氯丙基杂化毛细管气相色谱整体柱的制备及其分离机理研究

闫晓清1，施介华1,2
（1.浙江工业大学药学院，浙江杭州310014；2.浙江工业大学绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地，浙江杭州310014）

摘要：采用溶胶-凝胶法制备了3-氯丙基三甲氧基硅烷与正硅酸乙酯杂化的毛细管气相色谱整体柱，通过热力学参数和线性溶剂化能相关性模型探讨了固定相的分离机理。结果表明：在色谱过程中溶质分子与固定相之间的相互作用力是恒定的，此整体柱固定相的作用力特征为色散作用>氢键酸性>偶极性/极化性。同时，发现该柱对一些极性和非极性物质的分离有良好的分离选择性。

关键词：杂化整体柱；气相色谱；热力学参数；线性溶剂化能

整体柱在气相色谱中的应用最早出现在二十世纪七十年代初[1-2]，以聚氨酯类整体材料为主。但是初期的聚氨酯整体柱的柱效较低，且聚氨酯材料与玻璃毛细管柱壁间单纯的吸附作用可能使柱体和管壁间存在缝隙。之后发展出了聚二乙烯苯类气相色谱整体柱，在制备过程中先用3-（三甲氧基硅基）丙基甲基丙烯酸酯预处理硅胶毛细管[3]，解决了有机聚合物整体柱与毛细管管壁的结合问题。Tanaka研究组首次将硅胶整体柱引入气相色谱体系中[4-5]，与有机聚合物整体柱相比制备周期较长且结构改性困难。一步法制备杂化整体柱则可以兼具有机官能团的多选择性和硅胶基质的良好机械性能，同时制备简单、周期短。然而，目前据我们的文献调研发现，杂化整体柱的概念在毛细管气相色谱中罕见报道。

本文通过溶胶-凝胶法制备了杂化毛细管气相色谱整体柱。选用多种探针分子测定其保留过程的热力学参数，进行线性溶剂化能相关性模型分析，探讨固定相的作用力特征和分离机理。并用于一些极性和非极性物质的分离。

1　实验部分

1.1仪器和试剂

Agilent 6820气相色谱仪（FID检测器）及Agilent Cerity QA-QC色谱工作站购自美国安捷伦科技有限公司；弹性石英毛细管柱（内径0.25 mm）购自永年县锐沣色谱器件有限公司；正硅酸乙酯（TEOS，CR）购自上海化学试剂采购供应五联化工厂；3-氯丙基三甲氧基硅烷（CPTMS，99%）购自安耐吉化学；聚乙二醇（PEG，Mr:10000，GR），尿素（CR）购自国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇（CR）购自杭州龙山精细化工有限公司；乙酸（CR）购自杭州化学试剂有限公司；其他有机试剂均为分析纯。所用水均为双蒸水。

1.2色谱柱的制备

1.2.1毛细管预处理

以1 mol/L的NaOH水溶液冲洗毛细管柱0.5 h，两端密封，于70℃下热处理2 h；然后，双蒸水冲洗至中性。再以1 mol/L的HCl水溶液冲洗0.5 h，两端密封后于70℃下热处理2 h；随后，双蒸水冲洗至中性，以甲醇冲洗0.5 h，100℃下氮气吹扫至柱管干燥。

1.2.2氯丙基杂化毛细管整体柱的制备

称取0.25 g PEG于圆底烧瓶中，加入1 mL 1 mol/L的乙酸水溶液，搅拌至PEG完全溶解，依次加入1.5 mL无水乙醇，2.0 mL TEOS，0.5 mL CPTMS，室温下搅拌30 min；加入0.25 g尿素，室温下继续搅拌2 h；得到的均匀溶胶液充入预处理过的1 m毛细管中，将毛细管两端封口，置于恒温箱内70℃下加热24 h，使溶胶液胶凝并陈化制得整体柱。相继以甲醇和双蒸水分别冲洗柱体去除未反应单体、制孔剂、溶剂等。

对冲洗干净的杂化柱进行老化，具体操作为：以小流量N2（约0.02 MPa）保护，起始温度为70℃，以0.5℃/min的速率程序升温至180℃，然后在180℃下老化10 h。

该色谱柱以乙苯为标准物质在85℃下测得柱效为357 N/m。

1.3色谱条件

载气：N2；流速：0.5 mL/min；分流比：100:1；汽化室温度：250℃；检测器温度：250℃；进样量：0.5 μL。

2　结果与讨论

2.1氯丙基杂化毛细管整体柱的分离选择性考察

本文通过分离一些极性和非极性的物质对来考察所制备的氯丙基杂化毛细管整体柱的分离选择性，结果如图1所示。

图1　物质对的分离色谱图

从图1可以看出，本文制备的氯丙基杂化毛细管整体柱在物质的分离中表现出峰型宽、相邻峰重叠及分析时间长的特征。对环己烷/苯、相邻正构烷烃和苯的同系物的分析中，分离因子均> 2.4，甲醇/乙醇的分离因子也达1.95，说明该柱对不同物质的保留存在明显差异，即具有较好的分离选择性。但是因为柱效较低，相邻峰之间存在重叠。对苯的同系物的分离接近基线分离，说明该柱更适用于对苯类非极性物质的分离分析。

2.2分离机理研究

本文通过对所制备的氯丙基杂化毛细管气相色谱整体柱的热力学参数和线性溶剂化能的分析来研究其分离机理。

2.2.1热力学参数研究

色谱保留过程中的热力学参数可以通过Vanˊt Hoff方程计算[6]：

式中，ΔGo为吉布斯自由能；R表示气体常数；T表示温度；K表示分配系数；k表示容量因子；准表示色谱过程中柱内流动相体积与固定相体积之比，所研究的色谱柱准约为0.48。

本文选用12种溶剂作为探针分子，并根据以上方程对其色谱保留行为进行了计算，热力学参数如表1所示。实验结果表明：在110℃～150℃范围内12种探针分子的容量因子的自然对数lnk与相应的温度的倒数1/T存在良好的线性相关性（R2> 0.99），表明探针分子在色谱保留过程中的荭Ho和荭So是恒定不变的，即这些探针分子与固定相间的相互作用力在实验温度范围内是恒定不变的，证明本文中制备的整体柱固定相具有良好的稳定性。

表1　探针分子的吸附热测定结果

对探针分子的ΔHo与ΔSo的相关性的分析结果表明：脂肪醇类溶剂的焓变与熵变之间的相关系数达到0.9971（式4），线性相关性显著，且统计补偿温度（Tβ=663.6 K）和调和平均温度（Tbm= 403.2 K）存在着显著的差异。这意味着脂肪醇类溶剂在此固定相上的保留过程中存在着焓熵补偿行为，且保留机理基本一致。同时，对不同类别的探针分子的ΔHo和ΔSo相关分析，发现它们的ΔHo和ΔSo没有显著的线性相关性，呈离散状态（图2）。这表明溶质分子的类型不同，则在色谱过程中与固定相相互作用的方式和保留机理不同。

图2　不同探针分子的ΔHo和ΔSo关系图

2.2.2线性溶剂化能相关性分析

Abraham假设溶质分子从气相转移至固定相的总自由能变化来自于各种自由能变化的线性加和，建立了一种LSER模型来评价溶质与固定相之间的相互作用，描述如下[7-8]：

式中，k是溶质分子的容量因子；E，S，A，B，L是溶质描述符，分别表示溶质的孤对电子能力、偶极能力、氢键酸性能力、氢键碱性能力以及色散能力，描述的是溶质即探针分子的性质；e，s，a，b，l作为相互作用系数，体现的是探针分子的上述五种性质分别对这个作用结果的贡献程度，可以用来衡量相应作用力的贡献大小。c是系统常数。

本文选用23种溶质作为探针分子，相应的溶剂化溶质描述符列于表2。为了评价探针分子各参数的适用性，对五个溶质分子描述符进行了Pearson相关分析，结果见表3。从表3中可以发现，在置信度为0.01的水平上，E与A、B、L的相关系数分别为-0.670、-0.573、0.829，表明了E与A、B、L间存在显著相关性；A与S、L的相关系数分别为-0.558、-0.708，表明A与S、L间也存在显著相关性。因此，出于参数的适用性和模型的简约性，将溶剂化参数模型中的eE和aA这两项移除，从而简化如下：

表2　探针分子的溶剂化溶质描述符及其保留数值

表3　溶质描述符的相关系数矩阵

表4　固定相溶剂化参数多元线性回归分析结果

利用统计分析软件SPSS对logk（表2）和式（6）中的溶质描述符S，B，L进行逐步多元线性回归分析，结果如表4所示，s，b，l三个系数的sig.值均为0.000，且相关系数R > 0.99，表明因子S，B 和L与logk之间存在显著线性相关性。这意味着溶质分子与固定相间主要相互作用力是偶极-偶极作用、氢键作用和色散力。同时，从标准系数β项可知，在此整体柱上各种相互作用力贡献大小次序为：L>B>S，即色散力>氢键碱性作用>偶极-偶极作用。这与柱结构的特征有关，正硅酸乙酯和氯丙基三硅氧烷完全聚合后，延伸在骨架外的主要是氯丙基，氯丙基与极性、非极性探针分子间均可以形成色散力，所以此固定相对外表现的主要是色散力，作用强度与探针分子的变形性相关。弱氢键酸性和偶极-偶极作用的存在可能是因为有未完全聚合的硅羟基存在。

2.3模拟样品的分离

为了进一步考察本文制备的氯丙基杂化毛细管气相色谱整体柱的分离选择性及实际应用可行性，对脂肪醇和苯的衍生物两组混合物进行了分离分析。结果如图4和图5所示，两组混合物在此柱上均得到较好的分离。但是分析时间较长，不利于实际分析中的快速分离。

图4　正构脂肪醇混合物的分离谱图

图5　苯及其衍生物的分离谱图

3　结论

本文制备的氯丙基杂化毛细管气相色谱整体柱在气相色谱分离分析过程中表现出了独特的性质，如稳定性好、柱效低、对极性和非极性化合物均有一定的分离选择性。虽然较宽的峰型和明显的拖尾降低了分离度，但是对不同物质保留差异显著，且在较低的柱效下表现出的明显的分离趋势，说明本文制备的整体柱具有很好的潜力，有待进一步加强对提高柱效和实现快速分离方面的改良研究。随着对杂化整体柱制备技术的不断深入研究，一定会打开更广更优的思路制备出性能更加优良的毛细管气相色谱整体柱。

参考文献：

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A Study on the Preparation and Separation Mechanism of a Chloropropyl-functionalized Monolithic Capillary Column in GC

YAN Xiao-qing1，SHI Jie-hua1，2
（1. College of Pharmaceutical Sciences，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China; 2. State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry Synthesis Technology, Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014, China）

Abstract:A（3-chloropropyl）-trimethoxysilane/tetraethoxysilane hybrid monolithic capillary column for gas chromatography was prepared by sol-gel technology and characterized by thermodynamic parameters and linear solvation energy relationship methodology. The results indicated that the interaction model of each probe molecule on the monolithic column was constant within the temperature studied and the characteristic forces were dispersion > hydrogen-bond acidity > dipolarity/polarizability. In addition, the separation results of some polar and non-polar compounds showed a good separation selectivity of this hybrid monolithic capillary column.

Keywords:hybrid monolithic column; gas chromatography; thermodynamic parameter; linear solvation energy relationship

作者简介：闫晓清（1987-），女，硕士，主要从事色谱学研究。E-mail: xiaoqing.363@163.com。

收稿日期：2015-05-05

文章编号：1006-4184（2016）1-0012-06