CN103990298A

CN103990298A - 一种外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法

Info

Publication number: CN103990298A
Application number: CN201410195140.9A
Authority: CN
Inventors: 吕运开; 郭志勇; 王金治; 赵文革; 秦新英
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-05-09
Also published as: CN103990298B

Abstract

本发明涉及一种外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，包括以下步骤：A、将前驱体混合物、甲醇和硝酸混合，超声、灌入不锈钢柱内，密封，水浴，冲洗，干燥，再冲洗，通氮气吹干；B、连接高压输液泵，水浴，通入甲醇和3-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，反应完全，冲洗，干燥；C、通入甲醇、高氯酸溶液冲洗，冲洗，干燥，得外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱。本发明制备的整体柱能够在高效吸附目标物的同时，排阻生物大分子吸附在其表面，且骨架均匀、孔径大、传质快、吸附能力强、背压小、稳定性好、不易收缩变形，可直接作为预柱与高效液相色谱仪联用，实现在线固相萃取-液相色谱分离分析。

Description

一种外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法

技术领域

本发明涉及在线固相萃取整体柱的制备方法，具体地说涉及一种外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法。

背景技术

整体柱（monolithic column）是一种用有机或无机聚合方法在色谱柱内进行原位聚合的连续床固定相，它以其兼具渗透性好、稳定性好、表面结构可修饰等优势，作为一种新型分离介质，在医药、化工、生物及食物药残分离检测中发挥着十分重要的作用。基于柱内材质的不同，整体柱大体可分为三类：有机聚合物整体柱、硅胶整体柱及杂化整体柱。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；有机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，但有机聚合物整体柱有明显的溶胀效应，且柱效较差；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，合成简单且成功率高，而且具有较好的机械稳定性和柔韧性，以及优良的力学性能和生物相容性。因此，有机-无机杂化整体柱的制备与应用成为了色谱学的重要研究课题。如CN 103170161 A公开了一种有机-无机杂化整体柱的制备方法，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 PluronicF127 / 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制备过程简单易操作，具有理想的双孔结构且柱效较高。又如CN 102872613 A提供了一种有机-无机杂化整体柱的制备方法，该方法以硅烷偶联试剂形成表面带有巯基基团的整体柱骨架；同时利用巯基-双键之间的“点击化学反应”，在硅胶整体柱形成的同时，将含末端碳碳双键功能单体直接键合到整体柱表面。该方法避免了后期的再次化学修饰步骤，制备方法简单，而且重现性好，普适性强。这些方法虽能在一定程度上改善整体柱的柱效性能，但在使用时，尤其对于一些复杂的生物样品如人的血样、尿样、组织样品以及食物组织药残检测等，会发生蛋白类生物大分子容易粘附在柱子上，甚至堵塞孔道的现象，而且还存在背压高、传质速率慢、净化基质干扰能力差，使用寿命短等问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，以解决现有整体柱在分离样品尤其对于分离复杂样品基质时，存在蛋白类生物大分子容易粘附于表面、孔道容易堵塞、背压高、传质速率慢、净化基质干扰能力差、使用寿命短等问题。

本发明的目的是这样实现的：一种外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，包括以下步骤：

A、将前驱体混合物、甲醇和摩尔浓度为1.0 mol/L的硝酸按体积比为2 : 0.75 : 0.55混合，超声、灌入不锈钢柱内，密封，在40℃下恒温水浴8-12 h，依次用甲醇、N,N-二甲基甲酰胺分别冲洗，干燥，再依次用甲醇、盐酸、水、甲醇分别冲洗，通氮气吹干残留溶剂，得大孔有机-无机杂化整体柱，所述前驱体混合物是由甲基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按体积比为1-2 : 0-2组成；

B、将大孔有机-无机杂化整体柱连接高压输液泵，在40℃的水浴中，通入体积比为3 : 2的甲醇和3-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的混合溶液，在0.05 mL/min的流速下持续反应6-12 h，依次用甲醇、N,N-二甲基甲酰胺分别冲洗，干燥；

C、连接高压输液泵，通入甲醇冲洗2 h，通入高氯酸溶液冲洗6-12 h，再依次通入甲醇、四氢呋喃、水和N，N-二甲基甲酰胺分别冲洗，干燥，得外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱。

本发明步骤A所述前驱体混合物是由甲基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按体积比为2 : 1组成。

本发明步骤A、B、C所述冲洗的工艺为将不锈钢柱连接高压输液泵，在0.05 mL/min的流速下冲洗。

本发明步骤A、B、C所述干燥的温度为40-100℃，优选40℃。本发明制备的整体柱由于其结构骨架均匀稳定，所以即使采用较高的温度干燥也不会收缩变形，但是采用与反应条件相同的比较温和的干燥温度最佳。

本发明所述不锈钢柱长为5.5 cm。

本发明通过在制备的大孔杂化硅胶整体柱的孔壁上引入了3-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷，并进行开环反应，最终得到了外表面含有亲水性基团-二醇基、内层含有疏水性基团-甲基的大孔有机-无机杂化整体柱。该整体柱通过内表面的疏水及静电作用使目标小分子被保留和富集在柱内，通过外表面的亲水作用有效排阻样品基质中的生物大分子吸附在其柱上，从而避免了不可逆吸附和变性现象的发生。同时，经实验检测证明，本发明制备的整体柱具有较大的孔径结构（约10 μm）、均匀而稳定的骨架以及较好的流体动力学特征，连接到液相色谱高压泵上能够承受的流速可达2.0 mL/min，并能实现在较大的传质速率下具有较低的背压和稳定快速的传质能力，从而使得整体柱在分离富集有效成分时不容易收缩变形以及与柱壁剥离，延长了使用寿命。

本发明制备的整体柱能够在高效吸附目标物的同时，排阻生物大分子吸附在其表面，且骨架均匀、孔径大、传质快、吸附能力强、背压小、稳定性好、不易收缩变形、使用寿命长，即使对于一些复杂样品也可直接作为预柱同高效液相色谱仪联用，实现在线固相萃取-液相色谱分离分析。

附图说明

图1为实施例1制备的大孔有机-无机杂化整体柱的SEM图。

图2为实施例1制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的SEM图。

图3为实施例1制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱在不同pH值和盐浓度下对牛血清蛋白排阻测试图。

图4为实施例1制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱结构的反相测试图。

图5为实施例1制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的抗压性能测试图。

图6为实施例1制备外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱连接到液相色谱仪上的在线固相萃取流程图。

图7为实施例1制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱对蜂蜜样品中磺胺类药物残留的净化图。

具体实施方式

下面实施例用于进一步详细说明本发明，但不以任何形式限制本发明。

实施例1

（1）将2:1的有机前驱体甲基三甲氧基硅烷（MTMS）和无机前驱体四乙氧基硅烷混合，取混合物2 mL与致孔剂甲醇0.75 mL以及摩尔浓度为1.0 mol/L的催化剂浓硝酸溶液0.55 mL混合，超声，灌入不锈钢柱中，密封，竖直静止在40℃水浴中反应12 h；连接在高压输液泵上，以0.05 mL/min的流速，分别用甲醇和N,N-二甲基甲酰胺冲洗2 h，40℃下干燥；再连接高压输液泵，在0.05 mL/min的流速下，分别用甲醇、0.1 mol/L的盐酸、水、甲醇各冲洗2 h，通入氮气吹干残留的溶剂，得大孔有机-无机杂化整体柱。

（2）将吹干的大孔有机-无机杂化硅胶整体柱连接高压输液泵上，在0.05 mL/min的流速下，连续不断的通入比例为3:2的甲醇和3-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷的混合溶液12 h，并一直保持在40℃水浴中。将修饰后的大孔有机-无机杂化整体柱连接高压输液泵上，在0.05 mL/min的流速下，分别用甲醇和N,N-二甲基甲酰胺各冲洗2 h，40℃下干燥。

（3）连接高压输液泵，在0.05 mL/min的流速下，先用甲醇冲洗2 h，然后用高氯酸/水（v:v=1:9）冲洗12 h，反应完全后依次用甲醇，四氢呋喃，水和N，N-二甲基甲酰胺冲洗2 h，40℃下干燥，获得外表面亲水、内表面疏水的大孔有机-无机杂化整体柱。

实施例2

在实施例1的步骤（1）中加入1:1的有机前驱体甲基三甲氧基硅烷和无机前驱体四乙氧基硅烷（TEOS），其它同实施例1。

实施例3

在实施例1的步骤（1）中加入1:2的有机前驱体甲基三甲氧基硅烷和无机前驱体四乙氧基硅烷，其它同实施例1。

实施例4

在实施例1的步骤（1）中加入1:0的有机前驱体甲基三甲氧基硅烷和无机前驱体四乙氧基硅烷，其它同实施例1。

实施例5

整体柱结构的电镜扫描实验。

图1为实施例1步骤（1）合成的大孔有机-无机杂化整体柱的SEM图，图1可以很清晰的看出合成大孔有机-无机杂化整体柱孔径大于20 mm，且骨架均匀。

图2为实施例1合成的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的SEM图，图2可以很清晰的看出整体柱的孔径在10 mm左右，骨架均匀，这样的大孔结构可以提高整体柱的传质能力和减少了蛋白质等大分子对整体柱的堵塞。

实施例6

测定实施例1-4中所合成的整体柱对水、甲醇、乙腈和乙腈/水(1:3)溶液的溶剂吸附率。具体实施方法如下：

分别称取一定质量的四种整体柱分别与1 mL水、甲醇、乙腈和乙腈/水(1:3)溶液混合，震荡2 min，室温下静置6 h，过滤，称量聚合物的质量(W_s)。然后将聚合物在65℃下，干燥至质量不变(W₀)。其计算公式为：Sr (%) = [(W_s- W₀)/ W₀]×100%，其中W_s代表溶胀后的聚合物质量，W₀代表干燥后的聚合物质量。其测试的结果如表1所示。

表1 整体柱在水、甲醇、乙腈和乙腈/水(1:3)溶液中的溶剂吸附率

从表1可以看出，四种整体柱的吸附率都相对较低。其实施例1相对于其他实施例在四种溶液中有更小的溶剂吸附率，从而说明实施例1所制备的整体柱不会发生很大的溶胀现象，其稳定性较好，并且能够减小在分析过程中因为吸附溶剂所造成的影响。

实施例7

测定实施例1所制备的整体柱结构的反相能力。具体实施方法如下：

将实施例1制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱连接到液相色谱仪上，以乙腈/水(75:25, v/v)为流动相；流速为0.5 mL min^-1；检测波长为280 nm；进样体积为10 μL。以苯、萘、蒽为测试溶剂，对内表面反相大孔有机-无机杂化整体柱进行反相特性评价。

由图4可知，(a)为苯的色谱峰；(b)萘的色谱峰；(c)蒽的色谱峰。可知在所选洗脱条件下，苯、萘、蒽的洗脱顺序证实了材料的反相色谱行为，其具有明显的反相特性。

实施例8

测定本发明制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的抗压性能。具体实施方法如下：

将实施例1制备的整体柱连接到液相色谱仪上，以甲醇-水为流动相在2 mL min^-1的流速下，测定其抗压性以及使用寿命。其中图5(a)是实施例4步骤（1）制备的大孔有机-无机杂化整体在的抗压性能测试图；图5(b)是实施例1在步骤（1）制备的大孔有机-无机杂化整体柱的抗压性能测试图；图5(c)是实施例1制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的抗压性能测试图。

从图5可知：与(a)、(b)相比，(c)在较大的流速和长时间的使用的过程中具有较低的背压和较好的稳定性，证明了本发明所合成整体柱具有较好的抗压能力，以及在较高流速下，能够保证柱子稳定的传质速率。

实施例9

测定实施例1所制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱在不同pH以及盐离子浓度下对大分子蛋白质的排阻效果。具体实施方法如下：

将上述外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱连接到液相色谱仪上，在不同的pH和盐浓度下，以5%的乙腈水溶液为流动相；流速为0.5 mL min^-1；检测波长为280 nm；进样体积为10 μL。以牛血清蛋白为测试溶剂，对内表面反相大孔有机-无机杂化整体柱进行在不同pH以及盐离子浓度下对大分子蛋白质的排阻效果实验。

图3(1)中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别是在pH值为3、4、5、6和7的情况下牛血清蛋白的色谱峰；图3(2)中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别是在盐浓度为0.01、0.02、0.05、0.1和0.2 mol/ L的磷酸盐缓冲溶液中牛血清蛋白的色谱峰。从图3的(1)和(2)中可知牛血清蛋白的保留时间相同，说明合成外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱具有良好的蛋白排阻能力。

实施例10

测定实施例1制备的外表面亲水的大孔有机-无机杂化整体柱对蜂蜜样品中磺胺类药物残留的净化图。具体实施方法如下：

将制备的整体柱连接到液相色谱仪上，在线固相萃取（图6）。在线固相萃取柱经一定体积的甲醇-水活化平衡后，当切换阀处于上样状态（图6a），标样分别是SD（磺胺嘧啶）、 SM2（磺胺甲基嘧啶）、SMO（磺胺甲恶唑）各0.05 mg kg^-1 ；上样到预柱上，再用1.5 mL的甲醇：水(5: 95 v/v)冲洗（图6b）。然后切换六通阀，转换到进样状态（图6c），此时流动相（乙腈: 0.1 M K₂HPO₄，15:85，v/v）流过预柱，洗脱保留在预柱上的分析物，并定量转移到C₁₈柱上完成分析检测。检测波长为280 nm，柱温为25℃，流速为0.8 mL min^-1。

由图7可知，图7（a）是样品图；图7（b）是样品加标图；图7（c）是样品加标净化图；通过对比可以证明，本发明制备的外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱对复杂的蜂蜜样品有较好的净化基质干扰能力，对磺胺类药物有较好的富集效果。

Claims

1.一种外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

C、连接高压输液泵，用甲醇冲洗2 h，用高氯酸溶液冲洗6-12 h，再依次通入甲醇、四氢呋喃、水和N,N-二甲基甲酰胺分别冲洗，干燥，得外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱。

2.根据权利要求1所述外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A所述前驱体混合物是由甲基三甲氧基硅烷和四乙氧基硅烷按体积比为2 : 1组成。

3.根据权利要求1或2所述外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A、B、C所述冲洗的工艺为将不锈钢柱连接高压输液泵，在0.05 mL/min的流速下冲洗。

4.根据权利要求3所述外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A、B、C所述干燥的温度为40-100℃。

5.根据权利要求4所述外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A、B、C所述干燥的温度为40℃。

6.根据权利要求5所述外表面亲水性大孔有机-无机杂化整体柱的制备方法，其特征是，所述不锈钢柱的柱长为5.5 cm。