CN106944022A - 基于模板法制备大孔硅胶微球的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，包括将聚合物微球模板与结构导向剂、硅胶前驱体、以及碱性催化剂混合，水解缩合形成有机聚合物与二氧化硅的复合微球；将上述所形成的复合微球在空气中400‑700℃的条件下煅烧后得到大孔二氧化硅微球。采用本发明的方法制备的硅胶微球具有单分散和大孔结构的特点，对所制备的大孔硅胶微球进行表面修饰，例如进行C18（十八烷基二甲基氯硅烷）键合修饰，可制备高效液相色谱固定相，应用于生物医药的分离分析以及环境和食品检测等领域。

Description

基于模板法制备大孔硅胶微球的方法及其应用
技术领域
本发明属于无机材料领域，涉及一种大孔硅胶微球，具体来说是一种基于模板法制备具有单分散和大孔结构的球形硅胶微粒的方法及其应用。
背景技术
高效液相色谱（HPLC）已发展成为生物医学、化学化工、食品卫生、环境保护等领域中最常用的分离分析手段之一。色谱柱和色谱柱填料常常被认为是HPLC的核心，它决定着色谱分析分离的最终效果。以硅胶为基质的固定相是目前应用最为广泛的高效液相色谱填料， 这主要是因为硅胶具有良好的机械强度，稳定的形貌、孔结构和比表面积，以及其表面含有丰富的硅羟基可以很容易地进行表面化学键合和修饰等特点。硅胶的粒径大小、孔径分布、比表面积等是影响HPLC分离效果的重要因素；色谱填料的孔径尤其会影响色谱填料对不同大小分子的分离性能。近年来， 5微米以上甚至亚微米（1.5-2μm）级多孔和核壳结构硅胶微球由于其快速和高效的分离分析特点而受到青睐。用于快速分析生物大分子的超纯硅胶固定相主要是依赖粒度为1～3μm的无孔硅胶颗粒为基质。这类固定相由于表面无孔，消除了溶质在固定相上的滞留流动，因而分离速率明显加快；它的不足之处在于柱容量较小。针对蛋白质、核酸等生物大分子的分离，在填料设计上应该使其具有较大的孔径，使这些大分子容易扩散到孔内与其中的固定相发生作用，达到较高的分离度。鉴于此，本发明着力探索制备2微米左右大孔二氧化硅微球的有效方法，以满足日益增长的生物医药大分子高效液相色谱分离分析的需求。
模板法在合成形貌可控的无机材料方面具有非常广泛的应用。在合成介孔二氧化硅材料领域，使用的模板主要有离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂、有机聚合物微球等。模板法结合不同的结构导向剂，将无机氧化物前驱体引入模板内，进行水解聚合等反应可以形成结构可控的无机材料。用模板法制备的有机无机复合材料，再通过不同的方法除去模板剂，保留无机骨架，可得到不同孔结构的无机材料。Meyer 等【Meyer U， Larsson A，Hentze H. et al. Adv Mater， 2002， 14:1768】报道用亲水的多孔聚苯乙烯-二乙烯苯微球做模板合成了二氧化钛和二氧化硅微球。He 等【He J， Yang C L， Xiong X H. J PolymSci， A: Polym Chem， 2012， 50(14):2889】制备了直径为6-7μm的单分散多孔硅胶微球，他们利用乙二胺修饰的聚甲基丙烯酸酯微球【poly(glycidyl methacrylate-ethyleneglycol dimethacrylate) (PGMA-EDMA)】作模板并且在四正丁基溴化铵作用下产生的硅溶胶反应，所得硅胶微球基本保持了原来聚合物微球的尺寸。最近， Xia 等【Xia H J， Wan GP， Zhao J L， et al. J Chromatogr A， 2016， 1471:138】对He 的方法进行了一些修改，他们用四乙烯五胺代替乙二胺，得到较大孔（52 nm）硅胶微球，并且在C18键合修饰后得到了较好的蛋白质分离效果。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，所述的这种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法要解决现有技术中制备的高效液相色谱用硅胶微球孔径不够大和均匀差的技术问题。
本发明提供了一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，包括如下步骤：
1)将聚合物微球模板与结构导向剂、硅胶前驱体、以及碱性催化剂混合，水解缩合形成有机聚合物与二氧化硅的复合微球；
2)将步骤1）所形成的复合微球在空气中400-700℃的条件下煅烧后得到大孔二氧化硅微球。
进一步的，聚合物微球模板与结构导向剂、硅胶前驱体、以及碱性催化剂的物料比为：10~20g：20~30ml：20~30ml：20~30ml。
进一步的，所述的聚合物模板是阳离子交换聚合物微球。
进一步的，所述的阳离子交换聚合物微球为聚苯乙烯类聚合物微球或者聚甲基丙烯酸酯类聚合物微球。
进一步的，所述的聚合物微球含羧基或者其它阴离子化学基团。
进一步的，所述的结构导向剂是带正电荷的烷氧基硅烷。
进一步的，所述的带正电荷的烷氧基硅烷为N-三甲氧基硅基丙基-N，N，N-三甲基氯化铵（TMSPTMA）。
进一步的，所述的硅胶前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯、甲基三乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷（TEOS）或者甲基三甲氧基硅烷中的任意一种或者两种以上的组合。
进一步的，所述的碱性催化剂是三乙醇胺、三乙胺、三羟甲基氨基甲烷、氨水、氢氧化钠、或者氢氧化钾中的任意一种或者两种以上的组合。
进一步的，步骤2）中所述的煅烧温度为500-700℃，煅烧的升温速度在0.1-10℃之间。
进一步的，所述的结构导向剂、硅胶前驱体、催化剂的体积比为1：2：2。
本发明还提供了基于上述的方法获得的大孔硅胶微球，对其表面进行修饰。
本发明还提供了基于上述的方法获得的大孔硅胶微球作为色谱固定相的基质中的用途。
现有技术中，所采用的模板微球都是大孔的，这样形成的硅胶微球反而具有较小的孔径和较大的粒径。在本发明中，我们采用了高交联度的阳离子交换聚甲基丙烯酸酯类微球，这种微球几乎是无孔的，但是仍然可以溶解有机物并存在一定程度的溶胀。同时，这种微球含大量的带负电的阴离子基团，可以利用带正电的硅烷与模板微球中阴离子基团的静电吸附，从而使其更容易渗透到模板微球内部，同时有助于引入四乙氧基硅烷，通过水解和缩合等硅溶胶反应制备聚合物与硅胶的复合微球。在这些复合微球的煅烧过程中由于硅胶骨架网络的塌陷和缩聚，会形成比原来聚合物模板粒径小很多的大孔硅胶微球。在新制备的硅胶微球表面键合C18后，可以实现对蛋白质的高效液相色谱分离。
实验优化后发现当TMSPTMA作为结构导向剂，TEOS 作为硅胶前驱体，以及三乙醇胺作为催化剂，并且控制他们之间的比例接近TMSPTMA：TEOS：三乙醇胺=1：2：2（V/V/V））时，可以重复得到均匀、大孔、2微米左右的硅胶微球。
本发明以阳离子交换聚合物微球为模板、与结构导向剂，硅胶前驱体，在弱碱催化作用下，水解缩合形成有机聚合物与二氧化硅复合微球，将此复合微球在煅烧后得到大孔二氧化硅微球。采用本发明的方法制备的硅胶微球具有单分散和大孔结构的特点。对所制备的大孔硅胶微球进行表面修饰，例如进行C18（十八烷基二甲基氯硅烷）键合修饰，可制备高效液相色谱固定相，应用于生物医药的分离分析以及环境和食品检测等领域。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明提出了一种模板法制备均匀、大孔和粒径为2微米左右硅胶微球的方法。本发明揭示了可以采用高度交联的聚合物微球模板来合成亚微米级大孔硅胶微球。通过对聚合物模板进行质量控制和使用更均匀的聚合物模板，以及对所制备的大孔硅胶微球进行筛分精制和水热后处理，完全可以制备出更高质量的高效液相色谱用硅胶微球。使用不同尺寸、不同交联度和含不同官能团的聚合物微球可以制备出不同粒径、不同孔径和不同形貌的硅胶基质微球以及相应的色谱固定相，从而满足不同高效液相色谱分离分析应用的需要和促进高效液相色谱固定相的发展。
附图说明
图1是扫描电子显微镜（SEM）照片：a:聚合物模板；b:煅烧前的聚合物与二氧化硅的复合微球；c: b中复合微球在氮气保护下，400℃煅烧；d: b中杂化微球在空气中600℃煅烧。
图2是标准蛋白质的色谱图：1，胰蛋白酶抑制剂；2，牛胰岛素；3，细胞色谱C；4，溶菌酶；5，α-乳白蛋白。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1 大孔二氧化硅微球的制备
在500 ml三角瓶中，加入15 g 一种市售阳离子交换聚合物微球 （郑州英诺生物科技有限公司WCX） ，25 ml 50%TMSPTMA的甲醇溶液，25 ml三乙醇胺，200 ml去离子水和125 ml乙醇，超声1h；然后放入恒温水浴锅中30℃磁力搅拌10 min，之后，在搅拌状态下用滴液漏斗逐滴加入25 ml TEOS和75 ml乙醇的混合溶液，控制滴加速度，于30 min内滴加完毕；继续搅拌24 h；反应完毕后，取出三角瓶静置，待颗粒自然沉降后，过滤除去清液，并用乙醇离心洗涤固体颗粒三次，80℃干燥12 h后在空气氛中600℃煅烧10 h，升温速率为1oC/min。得到的大孔硅胶微球如图1所示。
实施例2 表面键合
取2 g所得SiO2微球，用1 mol/L盐酸浸泡搅拌2 h，并分别用水和乙醇离心洗去盐酸，于80℃干燥；称取酸化并干燥的SiO2微球1.5 g，研磨后加入250 ml三颈圆底烧瓶中，并加入100 ml干燥甲苯，于油浴锅中磁力搅拌，升温至120℃使甲苯回流10 min除水，然后加入0.6 g咪唑，搅拌10 min后用滴液漏斗在15 min内加入1.3 g十八烷基二甲基氯硅烷和50ml甲苯的混合溶液，继续回流搅拌悬浮液8 h。冷却至室温，待沉降后，过滤除去清液，加入150 ml新鲜甲苯洗涤固体颗粒，再用甲醇，甲醇/水混合液和乙醇分别离心洗涤。最后，于60℃真空干燥12 h，得到键合C18的硅胶固定相。
实施例3 装柱及测试
配置体积比为1：1的异丙醇和三氯甲烷的混合液200ml，作为匀浆液备用；取上述键合好的硅胶1.2 g，加入适量匀浆液，超声3 min，然后在液压为5000psi下装入4.6×50mm色谱柱，并进行蛋白的分离测试。
标准蛋白的色谱分离条件：流动相A相：90%水，10%乙腈，0.1%三氟乙酸；B相：90%乙腈，10%水，0.1%三氟乙酸； 流速：0.8 ml/min；检测波长220 nm； 梯度洗脱程序：0→15.0min，5%→65%B；15→30min，保持65%B。测试色谱图如图2所示。
本发明制备出了2微米左右的大孔硅胶微球，可用于高效液相色谱蛋白质的分离。图2是几种标准蛋白的色谱图。可以看出所合成的硅胶微球经C18表面键合修饰后，可以实现高效的蛋白质分离。

Claims (12)

1.一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将聚合物微球模板与结构导向剂、硅胶前驱体、以及碱性催化剂混合，水解缩合形成有机聚合物与二氧化硅的复合微球；
2)将步骤1）所形成的复合微球在空气中400-700℃的条件下煅烧后得到大孔二氧化硅微球。
2.根据权利要求1所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的聚合物模板是阳离子交换聚合物微球。
3.根据权利要求2所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的阳离子交换聚合物微球为聚苯乙烯类聚合物微球或者聚甲基丙烯酸酯类聚合物微球。
4.根据权利要求2所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的聚合物微球含羧基或者其它阴离子化学基团。
5.根据权利要求1所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的结构导向剂是带正电荷的烷氧基硅烷。
6.根据权利要求5所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的带正电荷的烷氧基硅烷为N-三甲氧基硅基丙基-N，N，N-三甲基氯化铵。
7.根据权利要求1所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的硅胶前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸丙酯、、四乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷或者甲基三甲氧基硅烷中的任意一种或者两种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的碱性催化剂是三乙醇胺、三乙胺、三羟甲基氨基甲烷、氨水、氢氧化钠、或者氢氧化钾中的任意一种或者两种以上的组合。
9.根据权利要求1所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：步骤2）中所述的煅烧温度为500-700℃，煅烧的升温速度在0.1-10℃之间。
10.根据权利要求1所述的一种基于模板法制备大孔硅胶微球的方法，其特征在于：所述的结构导向剂、硅胶前驱体、催化剂的体积比为1：2：2。
11.基于上述的方法获得的大孔硅胶微球，其特征在于：对其表面进行修饰。
12.基于权利要求1所述的方法获得的大孔硅胶微球作为色谱固定相的基质中的用途。
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