CN103170161B - 一种有机-无机杂化整体柱的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机-无机杂化整体柱及其制备方法和应用。它具有硅胶骨架，辛基的引入使其具有典型的反相色谱机理。该整体柱以四乙氧基硅烷为无机单体，辛基三乙氧基硅烷为有机-无机杂化单体，以二元致孔剂Pluronic F127/十二胺取代了传统的单一致孔剂十二胺，甲醇/水为溶剂，盐酸和十二胺为酸碱调节剂，采用酸碱两步溶胶-凝胶法合成整体材料。该方法得到的整体柱具有理想的双孔结构，制备过程简单易操作且柱效高。通过本发明的整体柱合成方法，以萘为分析物，得到的塔板高度由70-80μm减小至20-30μm。该杂化整体柱可用于多种疏水性物质的反相色谱分离和富集。

Description

一种有机-无机杂化整体柱的制备方法

技术领域

本发明属于液相色谱柱材料领域，具体涉及一种有机-无机杂化整体柱及其制备方法和应用。

背景技术

整体柱自出现以来以其制备简单，渗透性好，传质效率高以及表面修饰多样性等优点而受到越来越多的关注，目前多用于微升/纳升级液相色谱及微流控芯片的研究。人们用不同的单体和交联剂做出了具有不同功能基团的整体材料，成功的用于色谱的反相、亲水、离子交换等分离模式，应用对象涉及环境样品、生物大分子、复杂样品的组学研究等。

目前的整体柱主要分为聚合物整体柱，硅胶整体柱及杂化整体柱。1996年Tanaka等首次报导了用于液相色谱分离的硅胶整体柱的制备。硅胶整体柱具有较高的柱效及较低的柱压，但合成工艺复杂，难以普及。聚合物整体柱合成简单，功能单体选择多样，且有较高的耐酸碱性能。但聚合物整体柱有明显的溶胀效应，且柱效往往不及硅胶整体柱。杂化整体柱多以硅氧烷和取代硅氧烷为原料，通过溶胶-凝胶法合成整体材料，无需后修饰，合成简单且成功率高。人们通过使用不用的取代硅氧烷，合成了含有辛基、氨基、苯基以及多种官能团混合的杂化整体柱。

在含辛基的杂化整体柱合成研究中，多采用两步溶胶-凝胶法，十二胺提供碱性环境，同时作为材料的致孔剂。在该体系中，十二胺提供的碱性环境能催化硅醇快速缩聚使其发生凝胶化，但它的致孔效果并不理想。Pluronic F127是一种由乙氧基-丙氧基形成的两性三嵌段聚合物，作为一种中性的表面活性剂，可在分子筛等含硅多孔材料的合成中诱导均一可控的介孔形成。有研究表明，不同的Pluronic F127的加入量对整体材料的大孔及介孔都有一定的调节作用，并且能一定程度的减小材料的收缩塌陷。在硅胶整体柱以及聚合物整体柱的合成中，已经有人尝试使用Pluronic F127作为致孔剂并得到了良好的效果。而将Pluronic F127与十二胺共同作为致孔剂用于合成杂化整体柱的技术还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机-无机杂化整体柱及其制备方法，以二元致孔剂Pluronic F127/十二胺取代了原有的单一致孔剂十二胺，使整体柱合成过程中的凝胶化和相分离过程有了更好的控制，得到了更加理想的双孔结构，即微米级的通孔和骨架上尺寸规则的纳米级介孔。

该发明所述的杂化整体柱的具体合成方法是：

首先对毛细管内壁进行预处理。将内径为50～250μm的石英毛细管用HCl(0.1～0.5mol/L)冲洗2～5小时，用水冲洗至中性后，0.5～1mol/L的NaOH溶液冲洗1～3小时，再分别用水、甲醇各冲洗0.5～2小时，之后在氮气条件下60～160℃干燥2～6小时，降至室温后将毛细管两端封好待用。

在离心管中加入一定量的Pluronic F127，甲醇，水，HCl(0.5～0.8mol/L)，超声使其彻底溶解。再加入四乙氧基硅烷和辛基三乙氧基硅烷，涡旋1～3min。放入50～70℃水浴中水解3～6小时。取出后放入冰水中降温至0－4℃，加入十二胺，混匀后经PVDF膜过滤，灌入毛细管中。两端用硅胶密封，在室温下放置≥12小时。整体柱使用前用甲醇冲洗5小时以上，以除去致孔剂和未反应的原料。得到的整体柱长10～30cm,内径为50～250μm。

其中Pluronic F127、甲醇、水、盐酸(0.5～0.8mol/L)、四乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷和十二胺的质量比为10～50：200～500：10～30：10～30：150～200：60～120：6～12；

该整体柱的制作过程更加易操作，且与原有的技术得到的整体柱相比柱效更高，重复性更好。

由于上述技术方案的采用，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1本发明在整体柱合成过程可通过调节十二胺的用量将凝胶化时间由3分钟左右延长至10分钟以上，即减慢聚合速度，避免了在灌柱过程中就出现一定程度的凝胶析出而影响材料的均匀性，也为灌柱操作赢得了更多的时间，使灌柱操作更加容易。

2凝胶化时间延长后，将灌柱前的反应液涡旋时间延长至1分钟，使十二胺更加均匀地分散在体系中，体系中各位置的反应速度更加一致，提高了整体材料的均匀性。

3本发明在整体柱合成过程中，Pluronic F127的加入使相分离过程减慢，整体柱结构变得更加致密，通孔变小，比表面积增加，整体柱的柱效得到提高。

4本发明在整体柱合成过程中，Pluronic F127的加入使整体材料的介孔孔径更加均匀。

5本发明以二元致孔剂Pluronic F127/十二胺取代了原有的单一致孔剂十二胺，通过优化柱材料的双孔结构和材料的均匀性提高了柱效，萘的塔板高度由70-80μm减小至20-30μm。

6本发明可以通过调节两种致孔剂的加入量来调节整体柱形貌和各种柱参数，以满足各种不同的分析对象和分析要求，因而拥有更广的适用范围。

附图说明

图1是本发明实施例一的整体柱的扫描电镜图；

图2是本发明色谱试验一的色谱图；

图3是本发明色谱试验二的色谱图；

图4是本发明实施例二中四种整体柱的扫描电镜对比图；

图5是本发明实施例二中四种整体柱的柱效对比图；

图6是本发明实施例二中柱C的柱压与流动相线速度关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。

实施例一：有机-无机杂化整体柱的制备

首先对75μm和100μm内径的毛细管内壁进行预处理。将毛细管用0.1mol/L盐酸冲洗4小时，用水冲洗至中性后，1mol/L NaOH冲洗2小时，再分别用水、甲醇各冲洗0.5小时，之后在氮气条件下120℃保持3小时，降至室温后将毛细管两端封好待用。

在1.5mL离心管中加入30mg Pluronic F127，350μL甲醇，20μL水，20μL盐酸(0.5mol/L)，超声使其彻底溶解。再加入180μL四乙氧基硅烷，100μL辛基三乙氧基硅烷，涡旋3分钟。放入60℃水浴中水解4小时。取出后放入冰水中降温至0－4℃，加入6mg十二胺，涡旋1分钟，用注射器吸取溶液，经0.22μm的PVDF膜过滤，滤液灌入毛细管中。两端用硅胶密封，在室温下放置≥12小时。整体柱使用前用甲醇冲洗5小时以上，以除去致孔剂和未反应的原料。得到的100μm内径的整体柱柱长19.3cm，75μm内径的整体柱柱长20.0cm。

扫描电镜图(图1)表明，得到的整体柱材料具有典型的聚集球状形貌和微米级的通孔，结构均匀通透性好。

色谱试验一：

使用实施例一制备的100μm内径的整体柱，在纳升液相色谱模式下的分析条件为：流动相为水/乙腈(55:45，v/v)，流速为1.5μL/min，六种苯系物进样，进样时间6s，检测波长214nm。其色谱图参见图2所示，其中1、硫脲，2、苯，3、甲苯，4、乙苯，5、丙苯，6、丁苯。可以看到六种物质基线分离，峰型对称无拖尾。六种分析物的出峰顺序也体现了该柱典型的反相色谱机理。

色谱试验二：

使用实施例一制备的75μm内径的整体柱用于nanoLC-nanoESI-MS系统，MRM模式分析七种微囊藻毒素MC和节球藻素Nod-R。色谱条件：流动相A为水(含0.1％甲酸)，B为乙腈(含0.1％甲酸)，梯度洗脱模式，八种毒素标样混合物，进样时间12s，在500nL的流速下进样量约为100nL。质谱条件：nanoESI源电压2000V，气帘气20psi，八种毒素的离子对分别为：微囊藻毒素-RR(MC-RR)520.3/135.2,节球藻素-R(Nod-R)825.8/135.3,微囊藻毒素-YR(MC-YR)1046.0/135.5，微囊藻毒素-LR(MC-LR)996.0/135.3，微囊藻毒素-LY(MC-LY)1002.8/135.3，微囊藻毒素-LA(MC-LA)910.9/135.0，微囊藻毒素-LW(MC-LW)1026.0/135.4，微囊藻毒素-LF(MC-LF)986.9/134.9。MRM质谱图见图3，可以看到辛基杂化整体柱使八种毒素得到了较好的分离。

实施例二：通过调节致孔剂用量实现对整体柱形貌及柱效的调控

整体柱的合成方法同实施例一，具体的合成原料组成见表1。其中柱A为传统的一元致孔剂制得的辛基杂化整体柱。柱B-D为不同致孔剂配比的二元致孔剂制得的整体柱。

表1：实施例二中四种整体柱的原料配比

图4为柱A-D的扫描电镜图，可以看到加入Pluronic F127后，整体柱的形貌由聚集球状变成了典型的双连续结构。并且随着Pluronic F127加入量的增加，材料通孔尺寸变小。因为整体材料的形成是相分离与凝胶化共同作用的结果，而Pluronic F127可以通过增强体系中各物质的混溶性而抑制相分离，凝胶化发生于相分离的早期，因而通孔尺寸变小。随着材料的通孔变小，更加精细的结构能够显著增加材料的比表面积，从而增加待分析物与固定相的相互作用，有利于色谱分离。但在该种条件下凝胶化的时间低于五分钟，灌柱过程就伴随着快速的缩聚反应及少量的凝胶析出。为了最大程度的降低这种快速缩聚对柱材料的均匀性，以及对柱与柱之间的重复性的影响，在柱D的合成中将十二胺的用量减小至6mg。较低的碱性将凝胶化时间延长至10min以上，为灌柱争取了更加充分的时间。同时加入十二胺后的涡旋时间可以延长至1min以获得更加均匀的反应液。延迟的凝胶化使体系的相分离更加充分，即凝胶化发生在相分离的晚期，所以柱D的形貌是类似与柱A一样的聚集球状。

在柱效方面，实验采用蒽和联苯的混合溶液作为分析样品，流动相为水/乙腈(1:1，v/v)等度洗脱，流速为0.5μL/min，进样时间6s，检测波长为254nm。结果发现二元致孔剂制得的整体柱塔板高度显著小于一元致孔剂的结果。图5为柱A-D的塔板高度对比图。以萘为分析物，柱A的塔板高度最大，为78.7μm，柱D的塔板高度最小，为25.7μm。二元致孔剂对柱效的影响体现在两个方面，一方面体是对微米级通孔的调节作用，一方面则体现在对纳米级介孔产生的模板作用。一定浓度的F127在极性溶剂中形成胶束，通过氢键作用被含硅单体包裹，均一的胶束尺寸最终形成了均一的介孔结构。

图6为柱C随流动相线速度增加的柱压变化图，实验采用两个纳升级液相泵，以水/乙腈(1:1)为流动相，两个泵分别记录柱压。由图可见在较宽的流速范围内，柱压呈现很好的线性，体现了该柱良好的机械性能。

综上所述，在保证高柱效的基础上，整体柱的形貌可以简单的通过调节两种致孔剂的用量来实现。而不同的整体柱的形貌带来了不同的比表面积、柱压、柱效等参数，可满足各种不同的分析对象和不同的分析要求。

Claims (4)

1.一种有机-无机杂化整体柱的制备方法，其特征在于：采用二元致孔剂，与反应单体、溶剂混合液通过酸碱两步溶胶-凝胶法合成杂化整体柱；

采用四乙氧基硅烷为无机单体，辛基三乙氧基硅烷为杂化单体，Pluronic F127和十二胺为致孔剂，甲醇/水为溶剂，盐酸和十二胺分别作为体系的酸碱调节剂，采用酸碱两步溶胶-凝胶法合成整体柱；

具体包括以下步骤，

(1)取石英毛细管，石英毛细管内部清洁处理干净；

(2)将Pluronic F127，甲醇、水、盐酸0.5～0.8mol/L、四乙氧基硅烷和辛基三乙氧基硅烷混合均匀，在50～70℃水浴下水解3～6小时；

取出后放入冰水中降温至0－4℃，将十二胺加入混合液中，混匀，灌注毛细管中；

之后将毛细管柱两端用硅胶密封，在室温下放置≥12小时；

其中Pluronic F127、甲醇、水、盐酸(0.5～0.8mol/L)、四乙氧基硅烷、辛基三乙氧基硅烷和十二胺的质量比为10～50：200～500：10～30：10～30：150～200：60～120：6～12；

(3)将合成好的毛细管柱用甲醇冲洗以冲掉致孔剂和未反应的原料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤1)中石英毛细管内部清洁处理过程为：将石英毛细管用0.1～0.5mol/L盐酸冲洗2～5小时，用水冲至中性后用0.5～1.0mol/L氢氧化钠冲洗1～3小时，再分别用水、甲醇各冲洗0.5～2小时；之后在氮气保护下60～160℃干燥2～6小时，再保持氮气环境自然冷却至室温；之后取下，两端封好待用。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述石英毛细管的内径为50～250μm的石英毛细管，得到的整体柱长10～30cm,内径为50～250μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤3)中将合成好的毛细管柱用甲醇冲洗5小时以上。