CN102451667B

CN102451667B - 氮氧化硅色谱固定相材料及其制备和应用

Info

Publication number: CN102451667B
Application number: CN201010521325.6A
Authority: CN
Inventors: 梁鑫淼; 万慧慧; 薛兴亚
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN102451667A

Abstract

本发明提供一种氮氧化硅色谱固定相材料及其制备方法，以氧化硅材料为原料，通过在高温下氨气与氧化硅材料的硅羟基之间的氮化反应制得表面含有硅氨基和亚氨基团的氮氧化硅色谱固定相材料。通过控制氨气的流速，氮化温度和氮化时间，可以控制制备的氮氧化硅材料的氮含量。本发明制备的氮氧化硅材料不但能很好的保持氧化硅原料的形貌，而且可以保持氧化硅材料的孔道结构和比表面积。本发明制备的氮氧化硅材料化学稳定性好，在pH：1-13的流动相中能够稳定存在而不发生流失，作为色谱固定相材料和固相萃取材料具有广泛的应用前景。本发明操作简单，生产成本低，适于工业化生产。

Description

氮氧化硅色谱固定相材料及其制备和应用

技术领域

本发明涉及氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法及其应用。具体地说是利用硅氨基取代氧化硅材料中的硅羟基，提供了氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法及其在分离分析、固相萃取等领域的应用。

背景技术

随着以人类健康、生物工程为核心的生命科学、环境科学及制药、合成化学的迅猛发展，高效液相色谱(HPLC)作为一种高效、快速、分离条件温和的分离分析技术备受人们关注，是目前应用最为广泛的分析分离手段之一。作为HPLC技术的核心，色谱柱填料对于色谱分离至关重要，是各种HPLC分离模式赖以建立和发展的基础，是实现有效分离的关键。

色谱分离性能与色谱填料的物化性质密切相关，由于具有良好的机械强度、较好的热稳定性和化学稳定性、易于控制的物理性质(如孔结构、孔径、比表面积)、硅胶基质是一种理想的色谱固定相材料。最为重要的是硅胶表面含有丰富的硅羟基，易于进行表面化学改性，是各种化学键合相的理想基质材料。但是，硅胶填料在色谱应用中有两个难于解决的问题[Kirkland，J.J.et al.J.Chromatogr.A 1997，762，97-112.]：(1)硅胶填料在色谱应用中可使用的pH范围窄，只能在pH＝2～8的流动相条件下使用。pH＞8时，硅胶基质不稳定，容易溶解；pH＜2时，表面键合基团易水解流失。(2)经过烷基化修饰的硅胶表面仍然残留一定量的硅羟基，对含N碱性化合物等较强极性物质易产生不可逆吸附作用，从而造成反相模式下对极性分析物分离时产生色谱峰严重脱尾甚至色谱峰的死吸附。为了拓宽硅胶基质色谱固定相材料的pH使用范围，近来人们推出了有机-无机杂化硅胶[Neue U.D.et al.Am.Lab.1999，31，36-39；Wyndham K.D.etal.Anal.Chem.2003，75，6781-6788.]，甲基杂化和乙基杂化硅胶的pH范围为1-12，但是杂化硅胶的表面键合量较非杂化硅胶减少。

人们相继发展了一些其它的色谱基质材料[Silva C.R.et al.J.Chromatogr.A 2008，1191，90-98.]如有机聚合物高分子、石墨化碳和金属氧化物(如二氧化锆、二氧化钛和氧化铝)。有机聚合物填料pH化学稳定性好，但是这类色谱填料机械强度差，而且在有机溶剂中易溶胀，难以进行梯度洗脱，极大的限制了这类材料的应用范围。石墨化碳材料具有良好的机械强度和化学稳定性，近年来作为色谱填料在强极性化合物的分离中得到了应用，因其表面不易改性，只能用作反相填料基质，而且长期使用表面会产生不均一性，易导致非特异性吸附。金属氧化物以其独特的表面性质和较好的化学稳定性，引起了人们的广泛关注。目前作为色谱填料得到应用的氧化物主要有二氧化锆、二氧化钛和氧化铝。金属氧化物由于其表面Lewis酸、碱作用位点及阴离子交换、阳离子交换和配体交换中心，由于其表面作用力类型多，作用力复杂，在分离过程中各种作用模式常常共存，分离机理复杂，通过调节流动相、pH值、缓冲盐等常用色谱条件时，其表面的色谱行为较硅胶基质难预测。为此，现在急需发展一些新型的色谱填料以弥补现有色谱分离基质材料的缺点和不足。

近年来，氮氧化硅固体碱材料在精细化工以及催化行业引起了广泛的关注。通过高温下使用氨气与氧化硅表面的硅羟基发生取代反应生成硅氨基获得氮氧化硅材料。氮氧化硅微米颗粒材料不仅具有硅胶基质所具有的良好机械强度、多孔结构、大的比表面积、较好的化学稳定性和热稳定性等优点；而且材料表面上存在着丰富的Si-NH₂和Si-NH-Si，通过与含酰氯、环氧基、醛基等反应基团的改性试剂进行反应，可以将材料修饰为亲水和疏水表面，氮氧化硅基质与其经过表面改性的材料可以作为反相、正相、亲水和离子色谱固定相使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮氧化硅色谱固定相材料及其制备方法。

一种氮氧化硅色谱固定相材料，分子式为SiO_xN_y，其中x、y分别为材料中氧、氮的摩尔数，0≤x＜2，0＜y≤4/3，2x+3y＝4；

制备过程：氧化硅颗粒为原料，通过在高温下使用氨气与氧化硅材料的硅羟基之间的氮化反应制得氮氧化硅色谱固定相材料。制备过程包括以下步骤：

(1)将氧化硅材料在通有氨气的高温炉中进行氮化处理，制得氮氧化硅材料；

(2)将制得的氮氧化硅材料在60-200℃真空脱气处理0.1-20小时；

(3)把步骤2得到的氮氧化硅材料进行改性处理，改性试剂可以为

(R＝C_nH_{2n+1(n＝0-18)})，R’COCl(R’＝C_nH_{2n+1(n＝0-17)})，R”CHO(R”＝C_nH_{2n+1(n＝0-17)})，R”’Cl(R”’＝C_nH_{2n+1(n＝0-18)})。

上述氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法中氧化硅固定相材料颗粒形状可以为球形和无定形。

上述氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法中氧化硅固定相材料的球形颗粒粒径大小为0.5-200微米。

上述氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法中高温氮化处理气体为氨气。

上述氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法中高温氮化处理时氨气的流量为0.001-50L/min，氮化温度为600-1250℃，氮化时间为0.1-300小时。

上述氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法中通过控制氨气流量，氮化温度和氮化时间，可以获得氮含量质量百分比为0.1-40％的硅氧氮化合物色谱固定相材料。

上述氮氧化硅色谱固定相材料的制备方法中改性试剂可以为(R＝C_nH_{2n+1(n＝0-18)})，R’COCl(R’＝C_nH_{2n+1(n＝0-17)})，R”CHO(R”＝C_nH_{2n+1(n＝0-17)})，R”’Cl(R”’＝C_nH_{2n+1(n＝0-18)})。

得到的氮氧化硅材料中氮元素的含量可以通过元素分析得到。氮氧化硅微米颗粒材料不仅可以直接作为色谱固定相使用，而且可以通过表面硅氨基与含酰氯、环氧基、醛基等反应基团的改性试剂反应将表面改性修饰为疏水、亲水表面，改性后的材料可以用作反相、正相、亲水和离子色谱固定相。氮氧化硅色谱固定相材料的应用领域为高效液相色谱固定相材料、工业色谱固定相材料、固相萃取材料和固相微萃取材料。

本发明具有以下优点：

1.制备过程简单，工业化生产成本低，有利于实现商业化应用。本发明提供的制备氮氧化硅色谱固定相材料的方法操作简便，仅需通过高温下氨气与氧化硅材料之间的简单的气固相反应，可将氧化硅材料硅羟基氮化取代反应制得表面含有硅氨基基团的氮氧化硅色谱固定相材料。

2.氮化取代反应效率高，氮氧化硅色谱固定相材料氮含量可以控制。高温下氨气与氧化硅材料之间的氮化取代反应效率高，氨气不仅可以与硅羟基反应将硅羟基取代为硅氨基，而且可以与Si-O-Si键中的氧反应生成Si-NH-Si键。通过控制氮化温度，时间和处理过程中氮气的流量，可以制备氮质量百分含量在0.1-40％之间可以调节的氮氧化硅色谱固定相材料。

3.本发明通过高温下氨气与氧化硅材料中的羟基基团和Si-O-Si基团之间的氮化取代反应制备氮氧化硅色谱固定相材料，不仅能很好的保持材料的形貌，而且可以保持材料的孔道结构和表面积。本发明制备的氮氧化硅不仅具有硅胶材料的良好机械强度、多孔结构、大的比表面积、热稳定性等优点；而且材料表面上存在着丰富的硅氨基。

4.本发明制备的氮氧化硅材料表面上存在着丰富的硅氨基，通过改性试剂与氨基基团进行反应，可以将材料的表面进一步修饰为亲水和疏水表面，氮氧化硅基质与其经过表面改性的材料不仅可以作为反相、正相、亲水和离子色谱固定相使用，而且作为工业色谱固定相材料、固相萃取材料和固相微萃取材料也有很广泛的应用。

5.本发明制备的氮氧化硅材料化学稳定性好，在pH＝1-13的流动相中可以正常使用而不发生流失现象。氮氧化硅基质与其经过表面改性的材料作为反相、正相、亲水和离子色谱固定相使用时，表面基团没有明显的流失，易于与质谱联用，能够有效的满足现代生命科学、环境科学及制药、合成化学的要求。

总之，本发明制备的氮氧化硅色谱固定相材料能够很好的保持氧化硅材料的形貌和材料的孔道结构和表面积，不仅具有硅胶材料的良好机械强度、多孔结构、大的比表面积等优点。本发明制备的氮氧化硅色谱固定相材料表面上存在着丰富的硅氨基用于分离强极性化合物时，在温和的分离条件下可以获得很好的分离效果，作为色谱固定相材料和固相萃取材料具有广泛的应用前景。本发明操作简单，生产成本低，适于工业化生产。

附图说明

图1-图4为实施例8中进行色谱分析的色谱图。

图1为本发明实施例2制备的多孔氮氧化硅色谱球形固定相材料在乙腈-水(90/10)流动相中分离核苷的色谱图。色谱条件：4.6×250mm氨基硅胶柱；流动相：乙腈/水＝90/10；流速：1.0mL/min；柱温：25℃；紫外检测波长：254nm。图中1为胸腺嘧啶，2为尿嘧啶，3为尿苷，4为腺苷，5为鸟苷，6为腺嘌呤，7为胞苷，8为胞嘧啶。

图2为本发明实施例2制备的多孔氮氧化硅色谱球形固定相材料在乙腈-20mM乙酸铵(氨水调节pH值为9.0)(90/10)流动相中分离核苷的色谱图。色谱条件：4.6×250mm氨基硅胶柱；流动相为乙腈/20mM乙酸铵(氨水调节pH值为9.1)＝90/10；流速：1.0mL/min；柱温：25℃；紫外检测波长：254nm。图中1为胸腺嘧啶，2为尿嘧啶，3为尿苷，4为腺苷，5为鸟苷，6为腺嘌呤，7为胞苷，8为胞嘧啶。

图3为本发明实施例2制备的多孔氮氧化硅色谱球形固定相材料在乙腈-水(80/20)流动相中分离糖类化合物的色谱图。色谱条件：4.6×250mm氨基硅胶柱；流动相为乙腈/水＝80/20；流速：1.0mL/min；柱温：40℃；蒸发光散射检测器检测：漂移管温度85℃，吹扫气压力30psi。图中1为木糖，2为山梨糖，3为葡萄糖，4为蔗糖，5为松二糖，6为麦芽糖醇，7为麦芽三糖，8为棉籽糖。

图4为本发明实施例2制备的多孔氮氧化硅色谱球形固定相材料在乙腈-20mM乙酸铵(氨水调节pH值为9.0)(80/20)流动相中分离糖类化合物的色谱图。色谱条件：4.6×250mm氨基硅胶柱；流动相为乙腈/20mM乙酸铵(氨水调节pH值为9.0)＝80/20；流速：1.0mL/min；柱温：40℃；蒸发光散射检测器检测：漂移管温度85℃，吹扫气压力30psi。图中1为木糖，2为葡萄糖，3为蔗糖，4为麦芽糖醇，5为麦芽三糖，6为棉籽糖。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明进行进一步说明。本发明所列的这些具体实施例仅限于说明本发明，而非对本发明的限定。

实施例1

将颗粒粒径大小为1.5微米的无孔球形氧化硅色谱固定相材料在通有纯净干燥的氨气的高温炉中进行氮化处理，高温氮化处理时氨气的流量为0.001L/min，氮化温度为600℃，氮化时间为0.1小时。将制得的氮氧化硅材料在60℃真空脱气处理0.1小时，然后依次用水、甲醇洗涤过滤。元素分析显示氮氧化硅色谱固定相材料的氮含量为0.3％。

实施例2

将颗粒粒径大小为5微米的多孔球形氧化硅色谱固定相材料材在通有纯净干燥的氨气的高温炉中进行氮化处理，高温氮化处理时氨气的流量为0.2L/min，氮化温度为850℃，氮化时间为20小时。将制得的氮氧化硅材料在200℃真空脱气处理20小时，然后依次用水、甲醇洗涤过滤。元素分析显示氮氧化硅色谱固定相材料的氮含量为8.0％。

实施例3

将颗粒粒径大小为1.5微米的多孔球形氧化硅色谱固定相材料在通有纯净干燥氨气的高温炉中进行氮化处理，高温氮化处理时氨气的流量为200L/min，氮化温度为1200℃，氮化时间为100小时。将制得的氮氧化硅材料在100℃真空脱气处理0.1-20小时，然后依次用水、甲醇洗涤过滤。元素分析显示氮氧化硅色谱固定相材料的氮含量为36.6％。

实施例4

将颗粒粒径大小为10微米的球形氧化硅色谱固定相材料在通有纯净干燥的氨气的高温炉中进行氮化处理，高温氮化处理时氨气的流量为0.001L/min，氮化温度为600℃，氮化时间为10小时。将制得的氮氧化硅材料在200℃真空脱气处理5小时，然后依次用水、甲醇洗涤过滤。元素分析显示氮氧化硅色谱固定相材料的氮含量为12.2％。

实施例5

将颗粒粒径大小为200微米的无定形氧化硅色谱固定相材料在通有纯净干燥的氨气的高温炉中进行氮化处理，高温氮化处理时氨气的流量为100L/min，氮化温度为900℃，氮化时间为20小时。将制得的氮氧化硅材料在60℃真空脱气处理20小时，然后依次用水、甲醇洗涤过滤。元素分析显示氮氧化硅色谱固定相材料的氮含量为27.4％。

实施例6

将颗粒粒径大小为20微米的无定形氧化硅色谱固定相材料在通有纯净干燥的氨气的高温炉中进行氮化处理，高温氮化处理时氨气的流量为20L/min，氮化温度为1100℃，氮化时间为100小时。将制得的氮氧化硅材料在100℃真空脱气处理10小时，然后依次用水、甲醇洗涤过滤。元素分析显示氮氧化硅色谱固定相材料的氮含量为32.2％。

实施例7

将颗粒粒径大小为3微米的多孔球形氧化硅色谱固定相材料在通有纯净干燥的氨气的高温炉中进行氮化处理，高温氮化处理时氨气的流量为2L/min，氮化温度为800℃，氮化时间为150小时。将制得的氮氧化硅材料在120℃真空脱气处理5小时，然后依次用水、甲醇洗涤过滤。元素分析显示氮氧化硅色谱固定相材料的氮含量为14.6％。

实施例8

使用实施例2所制备的氮氧化硅球形固定相材料，用匀浆法填充到4.6×250mm不锈钢色谱柱中，在亲水作用色谱模式下以碱基、核苷和糖糖类化合物等一系列强极性化合物为探针评价材料的分离性能。以乙腈/水作为流动相，混合物得到了很好的分离(如图1-4所示)。

Claims

1.一种氮氧化硅材料作为色谱固定相材料的应用，其特征在于：

所述氮氧化硅材料分子式为SiO_xN_y，其中x、y分别为材料中氧、氮的摩尔数，0≤x＜2，0＜y≤4/3，2x+3y＝4。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

应用于高效液相色谱固定相材料、工业色谱固定相材料、固相萃取材料和固相微萃取材料。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：在pH 1-13的流动相中能够稳定存在而不发生流失。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的氮氧化硅材料的颗粒形状为球形或无定形。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述球形的氮氧化硅材料的颗粒粒径大小为0.5-200微米。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述的氮氧化硅材料的制备包括以下步骤，

1)将氧化硅材料放入高温炉中；

2)在通有纯净干燥的氨气的高温炉中进行氮化处理，制得含氮氧化硅材料；高温氮化处理时氨气的流量为0.001-50L/min，氮化温度为600-1250℃，氮化时间为0.1-300小时；通过控制氨气流量，氮化温度和氮化时间，获得氮含量质量百分比为0.1-40％的氮氧化硅色谱固定相材料；

3)将制得的氮氧化硅材料在60-200℃真空脱气处理0.1-20小时。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：把步骤3)得到的含氮氧化硅材料进行改性处理，改性试剂为

(R＝C_nH_2n+1，n＝0-18)，R’COCl(R’＝C_nH_2n+1，n＝0-17)，R”CHO(R”＝C_nH_2n+1，n＝0-17)，或R”’Cl(R”’＝C_nH_2n+1，n＝0-18)。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：

改性条件为：在甲苯或二甲苯中进行25℃-130℃反应。

9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：

权利要求6步骤3)中制备的氮氧化硅微米颗粒材料直接作为色谱固定相使用。

10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：

经权利要求7通过与含酰氯、环氧基或醛基反应基团的改性试剂进行反应，将材料表面改性修饰为疏水、亲水表面，改性后的材料用作反相、正相、亲水和离子色谱固定相。