硅球担载聚合物整体柱的制备及评价

2022-08-27安然

辽宁化工 2022年8期

安然

（沈阳科技学院，辽宁沈阳 110167）

微柱高效液相色谱（µ-High Performance Liquid Chromatography, µ-HPLC）是在传统液相色谱的基础上发展起来的[1]。目前已经广泛应用在了药物检测、食品安全、蛋白质组分分析[2-3]等领域。毛细管色谱柱作为分离方法的核心，决定了分离效果的好坏。

最常用的色谱柱是毛细管填充柱。该柱在不同内径的毛细管内填充十八烷基键和的硅胶颗粒（ODS）或者其他功能化的硅球等，这些小颗粒具有多孔性，可以根据实际情况进行选择或改性[4]且比较容易控制孔径的大小。然而，填充柱在制备时需要烧制塞子，这一过程会破坏固定相表面的功能化基团且影响柱子的渗透性，使填充柱应用在毛细管电泳（CE）时容易产生气泡。在一些液相色谱应用中，烧制塞子也可能产生非特异性吸附，造成谱带变宽。

整体柱通过原位聚合功能单体，使固定相与毛细管管壁进行键和，该柱具有更高的相比和柱容量且无需烧制塞子。根据整体材料基质的不同，整体柱分为有机-无机混合整体柱、无机硅胶整体柱和有机聚合物整体柱[4]。

无机柱采用溶胶-凝胶法制备而成，其最主要的物理化学变化就是水解缩聚反应。该柱具有很好的抗溶胀性，而且空隙率高，具有较大通孔尺寸和骨架尺寸比值，可以在高流速和低背压下提供高柱效[5]，但仍然存在一定的缺点，如制备过程复杂且难以控制，在干燥和焙烧过程中固定相极易产生开裂和变形弯曲、制备比较费时、需要限制pH 使用范围等。

有机柱是单体混合液及致孔剂通过热引发，自由基引发或紫外光引发的方式在毛细管内原位聚合反应而成的。有机柱制备简单，可以通过改变不同的功能单体来控制固定相表面的化学性质，因而可选用的单体种类较多，pH 值适用范围广。但该柱在有机溶剂中易发生溶胀效应影响柱子的重现性，机械稳定性较差[6]。

有机-无机混合整体柱结合了有机柱和无机柱pH 适用范围广、机械稳定性高、渗透性高的优点，避免了填充柱需要烧制塞子，制备过程复杂的缺点，得到了很广泛的应用。比较常见的制备方法有以下几种：

一步法[7]通常以四烷氧基硅烷和含一个有机功能基团的三烷氧基硅烷Si(OR)3为原材料，运用溶胶-凝胶法将有机功能基团引入无机硅胶骨架中，从而避免了无机柱柱后修饰这一复杂过程，但是该方法依赖于带有功能基团的硅烷试剂，在一定程度上限制了一步法的应用。

一锅法[8]中有机单体和无机烷氧基硅烷通过原位缩合和共聚的方式将功能基团键和在无机硅胶整体基质中。该方法具有一定的可变性，可以通过采用不同的有机单体来制备具有不同性能的整体柱。然而，烷氧基硅烷的使用会导致硅烷醇基团残留在整体固定相表面，实际应用中因产生非特异性吸附而造成峰拖尾或是谱带展宽。

硅球包夹整体柱将功能化的小颗粒包夹在可陷入的基质中[9]，运用不同的基质可以陷入不同的填充材料，而且合成的包夹整体柱都与其相应的填充柱具有相似的特性。然而，硅酸盐基质对固定相有一定的屏蔽作用，且在NH4OH 冲洗期间，容易产生水解，因而用硅酸盐作为陷入基质的包夹柱保留值明显比填充柱小。有机多孔聚合物在陷入基质方面有着很大的应用价值[10]。高度交联的聚合物在致孔剂的存在下形成连续的多孔结构，使溶液能够顺利通过。然而，在颗粒之间行成的聚合物不仅会使包夹柱产生不必要的高背压，还会掩蔽填充颗粒的官能团。

为克服目前整体柱存在的主要缺点，本实验制备了一种有机-无机混合整体柱。这种整体柱是在填充了裸硅球的毛细管中通过热引发使功能单体甲基丙烯酸（MAA）、2-二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯（DAMA）和交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）原位聚合的。由于整体柱中所有的功能性聚合物都是由硅球作为载体的，所以把这种整体柱称为硅球担载聚合物整体柱，简称担载柱（supported column,S-column）。在优化了担载柱的制备条件之后，从机械稳定性、渗透性、溶胀行为、柱效等方面对其进行了评价。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

HH-501 型超级恒温水浴（金坛市白塔金昌实验仪器厂，江苏）；自组装液相色谱系统：Model 500液相色谱泵（Lab Alliance, USA）,手动进样阀（三通），Micro 21 UV-01 紫外-可见光检测器（Jasco，日本）；KYKY-1000B 型扫描电子显微镜（SEM，中国科学院科学仪器厂）；微型精密酸度计（B-212，日本）；双通道色谱工作站（N3000，浙江大学）。

裸硅球颗粒（直径5 μm，深圳高比科技有限公司）；石英毛细管（内径250 μm，外径375 μm，河北永年）；甲基丙烯酸（MAA，ACRŌS，美国）；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA， ACRŌS，美国）；γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（γ-MAPS，武汉凯博实验仪器有限公司）；偶氮二异丁腈（AIBN，上海化学试剂有限公司）；2-二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯（DAMA，ACRŌS，美国）；环己醇（化学纯，天津富辰化学试剂厂）；甲醇（分析纯，天津富辰化学试剂厂）；其他无机试剂均为分析纯。

1.2 硅球担载聚合物整体柱的制备

取7 cm 内径为250 μm，外径为375 μm 的石英毛细管，利用真空吸入法填入直径为5 μm 的裸硅球，并对毛细管及硅球进行预处理。准确称量一定量的AIBN（引发剂）于离心管中，之后向离心管内移取一定量的MAA（单体），DAMA（单体），EDMA（致孔剂），环己醇（致孔剂）和水（致孔剂），向聚合反应混合液中通入氮气并超声振荡5 min，制成反应液a。移取一定量的甲醇（致孔剂）于离心管中，除气泡后制成反应液b。用注射器将其注入到填充了硅球的毛细管中，两端塞上硅胶塞密封后置于恒温水浴中反应。待反应完成，用甲醇溶液冲洗整体柱，以除去未反应的单体及致孔剂，最终制成硅球担载聚合物整体柱。

有机聚合物对硅球的包覆情况通过致孔剂的组成比例、单体总浓度和聚合反应时间来控制，并通过压力-流速曲线以及担载柱横截面的扫描电镜图确定最佳制备条件。经验证，该柱最佳条件为：致孔剂组成，V（水）∶V（甲醇）∶V（环己醇）=1∶1∶8；单体总质量分数T= 25%（C= 30%，V（MAA）∶V（DAMA）∶V（EDMA）=3∶3∶2；引发剂AIBN 的质量分数为1%;反应时间5 h；反应温度：60 ℃。

2 结果与讨论

2.1 硅球担载聚合物整体柱的表面形态

通过对比图1A 和图1B、1C，可以观察到小硅球表面包覆着一层薄薄的聚合物且厚度不超过1 μm，聚合物并没有在硅球中间形成，而是与硅球联结在一起，形成了一个整体，且形成颗粒的径向分布与填充柱相似。图1A 显示聚合物以纳米小颗粒的形式聚合在硅球表面，有效的增大担载柱固定相的比表面积，从而可以增大担载柱的柱容量。

图1 担载柱（A），有机柱（B）和裸硅球（C）的扫描电镜图（放大3 000 倍）

2.2 机械稳定性和渗透性

担载柱的机械稳定性和渗透性是通过如图2 所示压力-流速关系曲线来进行评价的。有机柱在压力为0.83～7.93 MPa 的条件下，呈现出了很好的线性关系，当压力大于7.93 MPa 时，流速不再随着压力的增大而增大，而且曲线的斜率逐渐接近压力轴一侧，由此可以证明此时有机柱的部分固定相已经发生了坍塌。而担载柱，当压力从0.52 MPa 增加到15.17 MPa 时，流速随着压力的增加而增加，很好的证明了该柱具有很高的机械稳定性。当压力大于15.17 MPa 时，担载柱固定相从毛细管中被冲出来，这可能是因为固定相与毛细管壁是靠与有机柱相似的聚合反应键和到一起的。而对于传统的填充柱来说，由于塞子的存在，填充的硅球不容易被冲出毛细管外，但是当压力超过填充硅球的压力时，柱内填充的颗粒会越来越紧，从而引起背压过高的问题。

图2 有机柱（A）和担载柱（B）的压力对流速关系曲线

2.3 柱效

图3 所示是担载柱（A）和有机柱（B）在200～900 nL·min-1的流速区间内检测5 mM NO2-的Van Deemter 曲线。

图3 担载柱（A）和有机（B）的 Van Deemter 关系曲线

担载柱曲线的形状与填充柱相似，在400 nL·min-1的流速下有最小理论塔板高度（Hmin=8 μm）。有机柱的曲线在300 nL·min-1的时候有最小理论塔板高度（Hmin= 16 μm）。相同情况下，在所有的流速中，担载柱测量出的柱效均比有机柱高。尤其在最佳流速之后，担载柱柱效的损失比有机柱慢，由此可以证明担载柱的传质阻力比有机柱小很多，该特点使担载柱相对于有机柱更适用于在高流速下进行快速分析。