CN104492122A - 一种无机-有机杂化整体柱的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无机-有机杂化整体柱的制备方法，包括以下步骤：A、将含Fe²⁺化合物的水溶液调节pH值，加入纳米金刚石，加入H₂O₂，反应，得羟基纳米金刚石；B、将羟基纳米金刚石与KH₅₇₀混合，溶于乙醇中，超声，反应，离心，洗涤，干燥，得偶联羟基化纳米金刚石；C、将偶联羟基化纳米金刚石、聚二季戊四醇六丙烯酸酯、交联剂、引发剂和致孔剂混合，注入不锈钢柱内，反应1-1.5 h；D、将不锈钢柱连接高压输液泵，冲洗，干燥，即得无机-有机杂化整体柱。本发明提供的制备方法工艺简单、反应条件易于实现，操作性好，其制备的整体柱骨架和孔径均匀、分离效果好，能够在更宽的温度条件下用于分离更复杂的样品，这大大扩展了整体柱的应用领域。

Description

一种无机-有机杂化整体柱的制备方法

技术领域

本发明涉及高效液相色谱整体柱的制备方法，具体地说涉及一种无机-有机杂化高效液相色谱整体柱的制备方法。

背景技术

高效液相色谱法（HPLC）是20世纪70年代初发展起来的一种新的色谱分离分析技术，具有分离效能高、选择性好、灵敏度高、分析速度快、适用范围广等特点。HPLC已成为化学、生化、医学、工业、农业、环保等学科领域中重要的分离分析技术，是分析化学、生物化学和环境化学工作者手中必不可少的技术。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，具有制备简单、重现性好、多孔等特性，其可以实现待测样品快速、高效分离。目前，整体柱的制备技术已日趋成熟，但其柱内材料基质及聚合体系种类较少，这也是整体柱推广应用的关键限制因素。目前，整体按柱内材料可大体分为三类：无机硅胶整体柱、有机聚合物整体柱以及无机-有机杂化整体柱。硅胶整体柱具有较高的柱效及较低的柱压，但制备繁琐，比表面积较小，难以普及；有机聚合物整体柱合成简单、易于改性、重复性好，但是聚合物整体柱孔径及孔径分布难以控制，内部结构不均一、机械强度差、易发生溶胀、受热易变形以及柱效较差，而且其聚合单体种类有限，不能满足分离分析的需求；而无机-有机杂化整体柱多采用溶胶-凝胶法合成，其制备方法简单、成功率高、机械稳定性较好，比前两种整体柱应用更为广泛，但也不同程度地存在表面积较小、孔结构不均匀以及分离效果较差的缺陷。因此，不断地开发和研制高效、新型的无机-有机杂化整体柱、并将其应用于实际样品的分离分析是当前行业内亟待解决的课题之一。

发明内容

本发明的目的就是提供一种无机-有机杂化整体柱的制备方法，以拓展新聚合体系的高效液相色谱色谱整体柱，并解决现有整体柱内聚合材料的表面积小、孔结构不均匀以及分离效果较差的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种无机-有机杂化整体柱的制备方法，包括以下步骤：

A、在含Fe²⁺化合物的水溶液中滴加浓硫酸，调节溶液的pH值为2.8-3.2，加入纳米金刚石，搅拌，边搅拌边加入H₂O₂，在75-85℃回流反应4-6 h，得羟基纳米金刚石；所述纳米金刚石: Fe²⁺ : H₂O₂的摩尔比为1: 4.5-5.5: 67.5-82.5；

B、将所述羟基纳米金刚石与KH₅₇₀按质量比为1:1混合，并溶于乙醇中，超声分散1.5-2.5 h，在55-65℃下反应5.5-6.5 h，离心，洗涤，将洗涤后的反应产物干燥，得偶联羟基化纳米金刚石；

C、将偶联羟基化纳米金刚石、聚二季戊四醇六丙烯酸酯、1,10-癸二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇400、正丙醇和过氧化苯甲酰按质量体积比为1mg : 0.1g : 0.4ml : 0.35ml : 0.9ml : 5mg混合，超声分散，再加入N,N-二甲基苯胺，所述过氧化苯甲酰与N,N-二甲基苯胺的质量体积比为1 : 10，混匀，注入不锈钢柱内，在室温下反应1-1.5 h；

D、在所述不锈钢柱的两端安装色谱柱头，连接高压输液泵，用甲醇做流动相将柱内材料冲洗干净，即得无机-有机杂化整体柱。

本发明步骤A所述的含Fe²⁺化合物为亚硫酸铁或亚硫酸铁的水合物。

本发明步骤A所述纳米金刚石的粒径小于100 nm。

本发明步骤A所述纳米金刚石: Fe²⁺ : H₂O₂的摩尔比优选为1: 4.8-5.0: 72-75；更优选为1: 4.9: 73.5。

本发明步骤B所述离心的转速为15000r/min，离心的时间为8min。

本发明步骤C所述不锈钢柱的柱长为50mm，内径为4.6mm。

纳米金刚石也称为超分散金刚石，其具有高硬度、机械性能稳定、比表面积大、不容易水解、耐热、耐有机溶剂、化学惰性强、生物兼容性好以及很低的热膨胀系数和很高的导热系数等特点，这就使得金刚石在任意温度都能成为一种理想的高效液相色谱固定相。但是，其比表面积大，比表面能较高，这就会使其趋于热力学的不稳定状态，在实际制备和应用中容易发生团聚，这也是纳米金刚石在20多年来一直未能大量应用于色谱固定相的一个重要原因。

而本发明的创新之处就在于通过适当的方法将无机纳米金刚石进行了表面处理，改善了其在介质中的分散性，增强了稳定性能，并选择了适当的有机聚合物单体和交联剂、引发剂以及致孔剂，通过特定的配比及工艺步骤最终制备了纳米金刚石/聚合物无机-有机杂化整体柱。该整体柱从根本上克服了金刚石与聚合物在制备过程中容易发生团聚的现象，充分结合了高分子聚合材料以及纳米金刚石粒子所具有的诸多优良特性，改善了整体柱固定相的比表面积和孔结构，并在实际应用中，验证了其具有稳定性高、分离效果好的优异性能。

本发明提供的制备方法不仅工艺条件易于实现，而且耗时短，操作应用便捷，制得的整体柱不仅具有骨架和孔径均匀、分离效果好、稳定性好、不易收缩变形、使用寿命长等优势，而且能够在更宽的温度条件下用于分离更复杂的样品，这大大扩展了整体柱的应用领域。

附图说明

图1为实施例1制备的整体柱固定相内部形貌SEM图。

图2为实施例1制备的纳米金刚石表面修饰前后的表征红外光谱图，其中A为纳米金刚石修饰前红外光谱图；B为纳米金刚石修饰后的红外光谱图。

图3为实施例1制备的整体柱在分离五种苯系物的色谱图。

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）采用芬顿试剂回流法对纳米金刚石进行羟基化：取6.95g FeSO₄·H₂O，加少许（约10-30ml）蒸馏水溶解完全，用浓硫酸调节溶液的pH=3.0，在溶液中加0.1g粒径为80 nm的纳米金刚石，搅拌混匀，边搅拌边滴加42.5g质量分数为30%的H₂O₂，使纳米金刚石在Fe²⁺: H₂O₂摩尔比1:15、温度为80℃回流反应5 h，得到羟基化的纳米金刚石，其红外光谱图如图2中B所示，其反应前纳米金刚石的红外光谱图如图2中A所示；

（2）取步骤（1）制备的羟基纳米金刚石和与羟基纳米金刚石相同质量的KH₅₇₀（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）混合溶于30ml浓度为95%（v/v）的乙醇中，超声处理2小时，在60℃下恒温反应6小时，而后将反应产物在15000 r/min的转速下离心8 min，用丙酮洗去未反应的KH₅₇₀，重复洗涤4次，最后将洗涤后的样品于80℃真空干燥12小时，得偶联羟基化纳米金刚石；

（3）将1mg偶联羟基化纳米金刚石、0.1g聚二季戊四醇六丙烯酸酯、0.4ml 1,10-癸二醇二丙烯酸酯（交联剂）、0.35ml聚乙二醇400（致孔剂）、0.9ml正丙醇（致孔剂）和5mg过氧化苯甲酰（引发剂）混合，超声分散均匀后，再加入50μL的N,N-二甲基苯胺（引发剂），并充分混合，将混合液倾入50 mm×4.6 mm I.D.的不锈钢色谱柱管中，室温（20℃）反应1h后，在不锈钢色谱柱管的两端安装上色谱柱柱头，然后连接于高压输液泵上，用甲醇作为流动相将柱体中的致孔剂和溶剂等其它未反应的可溶物冲洗干净，即得无机-有机杂化整体柱。

实施例2

（1）采用芬顿试剂回流法对纳米金刚石进行羟基化：取5.69g FeSO₄，加少许（约10-30ml）蒸馏水溶解完全，用浓硫酸调节溶液的pH=2.8，在溶液中加0.1g粒径为60 nm的纳米金刚石，搅拌混匀，边搅拌边滴加34.8g质量分数为30%的H₂O₂，使纳米金刚石在Fe²⁺: H₂O₂摩尔比1:15、温度为75℃回流反应6 h，得到羟基化的纳米金刚石；

（2）取步骤（1）制备的羟基纳米金刚石和与羟基纳米金刚石相同质量的KH₅₇₀（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）混合溶于30ml浓度为95%（v/v）的乙醇中，超声处理1.5小时，在55℃下恒温反应6.5小时，而后将反应产物在15000 r/min的转速下离心8 min，用丙酮洗去未反应的KH₅₇₀，重复洗涤4次，最后将洗涤后的样品于80℃真空干燥12小时，得偶联羟基化纳米金刚石；

（3）将1mg偶联羟基化纳米金刚石、0.1g聚二季戊四醇六丙烯酸酯、0.4ml 1,10-癸二醇二丙烯酸酯（交联剂）、0.35ml聚乙二醇400（致孔剂）、0.9ml正丙醇（致孔剂）和5mg过氧化苯甲酰（引发剂）混合，超声分散均匀后，再加入50μL的N,N-二甲基苯胺（引发剂），并充分混合，将混合液倾入50 mm×4.6 mm I.D.的不锈钢色谱柱管中，室温（23℃）反应1.5h后，在不锈钢色谱柱管的两端安装上色谱柱柱头，然后连接于高压输液泵上，用甲醇作为流动相将柱体中的致孔剂和溶剂等其它未反应的可溶物冲洗干净，即得无机-有机杂化整体柱。

实施例3

（1）采用芬顿试剂回流法对纳米金刚石进行羟基化：取7.79g FeSO₄·H₂O，加少许（约10-30ml）蒸馏水溶解完全，用浓硫酸调节溶液的pH=3.2，在溶液中加0.1g粒径为80 nm的纳米金刚石，搅拌混匀，边搅拌边滴加47.6g质量分数为30%的H₂O₂，使纳米金刚石在Fe²⁺: H₂O₂摩尔比1:15、温度为85℃回流反应4 h，得到羟基化的纳米金刚石；

（2）取步骤（1）制备的羟基纳米金刚石和与羟基纳米金刚石相同质量的KH₅₇₀（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）混合溶于30ml浓度为95%（v/v）的乙醇中，超声处理2.5小时，在65℃下恒温反应5.5小时，而后将反应产物在15000 r/min的转速下离心8 min，用丙酮洗去未反应的KH₅₇₀，重复洗涤4次，最后将洗涤后的样品于80℃真空干燥12小时，得偶联羟基化纳米金刚石；

（3）将1mg偶联羟基化纳米金刚石、0.1g聚二季戊四醇六丙烯酸酯、0.4ml 1,10-癸二醇二丙烯酸酯（交联剂）、0.35ml聚乙二醇400（致孔剂）、0.9ml正丙醇（致孔剂）和5mg过氧化苯甲酰（引发剂）混合，超声分散均匀后，再加入50μL的N,N-二甲基苯胺（引发剂），并充分混合，将混合液倾入50 mm×4.6 mm I.D.的不锈钢色谱柱管中，室温（25℃）反应1.2h后，在不锈钢色谱柱管的两端安装上色谱柱柱头，然后连接于高压输液泵上，用甲醇作为流动相将柱体中的致孔剂和溶剂等其它未反应的可溶物冲洗干净，即得无机-有机杂化整体柱。

实施例4

（1）采用芬顿试剂回流法对纳米金刚石进行羟基化：取7.08g FeSO₄·H₂O，加少许（约10-30ml）蒸馏水溶解完全，用浓硫酸调节溶液的pH=3.0，在溶液中加0.1g粒径为30 nm的纳米金刚石，搅拌混匀，边搅拌边滴加43.3g质量分数为30%的H₂O₂，使纳米金刚石在Fe²⁺: H₂O₂摩尔比1:15、温度为78℃回流反应5.5 h，得到羟基化的纳米金刚石；

（2）取步骤（1）制备的羟基纳米金刚石和与羟基纳米金刚石相同质量的KH₅₇₀（γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷）混合溶于30ml浓度为95%（v/v）的乙醇中，超声处理1.8小时，在65℃下恒温反应5.8小时，而后将反应产物在15000 r/min的转速下离心8 min，用丙酮洗去未反应的KH₅₇₀，重复洗涤4次，最后将洗涤后的样品于80℃真空干燥12小时，得偶联羟基化纳米金刚石；

（3）将1mg偶联羟基化纳米金刚石、0.1g聚二季戊四醇六丙烯酸酯、0.4ml 1,10-癸二醇二丙烯酸酯（交联剂）、0.35ml聚乙二醇400（致孔剂）、0.9ml正丙醇（致孔剂）和5mg过氧化苯甲酰（引发剂）混合，超声分散均匀后，再加入50μL的N,N-二甲基苯胺（引发剂），并充分混合，将混合液倾入50 mm×4.6 mm I.D.的不锈钢色谱柱管中，室温（22℃）反应1h后，在不锈钢色谱柱管的两端安装上色谱柱柱头，然后连接于高压输液泵上，用甲醇作为流动相将柱体中的致孔剂和溶剂等其它未反应的可溶物冲洗干净，即得无机-有机杂化整体柱。

实施例5  整体柱柱内材料结构的电镜扫描实验。

图1为实施例1合成的无机-有机杂化整体柱内材料的SEM图，图1可以很清晰的看出本发明合成无机-有机杂化整体柱孔径约为3微米，且骨架均匀。

实施例6  整体柱分离样品的应用

实验方法：将实施例1制备的整体柱连接到高效液相色谱仪上，其色谱条件为：流动相为66%乙腈水溶液，流速为1 mL/min，检测波长为254 nm，进样体积为3微升，以5种苯系混合物（二甲基甲酰胺、对硝基苯肼、对二甲苯、联苯和蒽）为测试样品。

实验结果：其色谱分离谱图如图3，按照出峰顺序依次为：1、二甲基甲酰胺；2、对硝基苯肼；3、对二甲苯；4、联苯；5、蒽。从结果可以充分说明，本发明制备的整体其分离效果好，分离效率较高。

Claims (7)

1.一种无机-有机杂化整体柱的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

A、在含Fe²⁺化合物的水溶液中滴加浓硫酸，调节溶液的pH值为2.8-3.2，加入纳米金刚石，搅拌，边搅拌边加入H₂O₂，在75-85℃回流反应4-6 h，得羟基纳米金刚石；所述纳米金刚石: Fe²⁺ : H₂O₂的摩尔比为1: 4.5-5.5: 67.5-82.5；

B、将所述羟基纳米金刚石与KH₅₇₀按质量比为1:1混合，并溶于乙醇中，超声分散1.5-2.5 h，在55-65℃下反应5.5-6.5 h，离心，洗涤，将洗涤后的反应产物干燥，得偶联羟基化纳米金刚石；

C、将偶联羟基化纳米金刚石、聚二季戊四醇六丙烯酸酯、1,10-癸二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇400、正丙醇和过氧化苯甲酰按质量体积比为1mg : 0.1g : 0.4ml : 0.35ml : 0.9ml : 5mg混合，超声分散，再加入N,N-二甲基苯胺，所述过氧化苯甲酰与N,N-二甲基苯胺的质量体积比为1 : 10，混匀，注入不锈钢柱内，在室温下反应1-1.5 h；

D、将所述不锈钢柱连接高压输液泵，用甲醇做流动相冲洗柱内材料，即得无机-有机杂化整体柱。

2.根据权利要求1所述无机-有机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A所述的含Fe²⁺化合物为亚硫酸铁或亚硫酸铁的水合物。

3.根据权利要求1所述无机-有机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A所述纳米金刚石的粒径小于100 nm。

4.根据权利要求1所述无机-有机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A所述纳米金刚石: Fe²⁺ : H₂O₂的摩尔比为1: 4.8-5.0: 72-75。

5.根据权利要求1所述无机-有机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤A所述纳米金刚石: Fe²⁺ : H₂O₂的摩尔比为1: 4.9: 73.5。

6.根据权利要求1所述无机-有机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤B所述离心的转速为15000r/min，时间为8min。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述无机-有机杂化整体柱的制备方法，其特征是，步骤C所述不锈钢柱的柱长为50mm，内径为4.6mm。