CN107126943A - 苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料、制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法与应用，其中Silica Gel为硅胶，R1是苯硼酸衍生物，R2是乙烯基或巯基，R3为联合修饰改性基团，n＝0～4，m＝0～3。本发明提供了上述色谱填料的制备方法，首先利用改性试剂如硅烷化试剂将烯基或巯基硅烷键合到硅胶表面获得烯基或巯基硅胶，然后与带巯基或烯基的苯硼酸衍生物通过巯基‑烯烃点击反应制备得到苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料。该色谱填料的制备方法具有产率高、重复性好、反应条件温和等特点，所制备的色谱填料结构新颖，具有一定的亲水性、疏水性以及电荷响应性。该色谱填料十分适合作为一类全新的混合模式色谱填料及固定相，可广泛应用于各类样品的分离。

Description

苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料、制备方法与应用
技术领域
本发明涉及色谱分离分析领域，具体地说，是一种苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法与应用。
背景技术
苯硼酸及其衍生物基团在碱性水溶液中可以与具有1,2-或1,3-二醇基团的多羟基化合物形成可逆的五元或六元环酯，且这个过程是可逆的[SpringsteenG.et al,Tetrahedron,2002,58,5291-5300]。自然界中有大量的多羟基化合物，例如多糖等物质，它们许多存在于生物体内，并且对于生物体的生命活动有着重要影响。因此，苯硼酸及其衍生物修饰的功能材料对于生物体中这些化合物的检测、分离与提纯有着重要的研究意义[XuD.et al,Chem.Ind.Eng.Prog.2006,25,1045-1048]。
糖链的单糖部分通常具有顺式邻二醇结构，因而可以利用与苯硼酸基团的可逆反应来富集糖蛋白或糖肽。且无论是N-糖蛋白还是O-糖蛋白，只要糖链中具有顺式邻二醇结构，就可以被成功富集。因此，硼酸亲和色谱法被广泛应用于糖蛋白及糖肽的选择性富集，具有避免糖链结构遭到破坏且富集产物与质谱兼容的优势，使得苯硼酸修饰的亲和色谱材料在糖蛋白质组学研究领域也受到了越来越多的关注与发展[XuY.et al,Anal.Chem.2008,81,503-508]。将苯硼酸及其衍生物作为硅胶修饰相引入色谱固定相及填料领域，不仅能作为性能优越的糖肽富集材料，同时苯硼酸的引入，使得硅胶表面具有一定的疏水作用力，也适合于弱极性及中极性样品的分离分析。
作为无重金属催化的点击化学反应之一，巯基-烯烃点击反应的官能团简单且底物种类丰富，具有高选择性、高产率、反应条件温和等特征。相较于涉及复杂的反应官能团和较大的连接单元的点击反应，如叠氮-活性炔烃环加成反应等，巯基-烯烃点击反应被认为是“点击化学”很好的候选反应，近年来在小分子、聚合物和材料科学领域均得到了广泛的应用[Hoyle C.E.et al,Chem.Soc.Rev.2010,39,1355-1387]。目前，基于巯基-烯烃点击反应的苯硼酸修饰硅胶功能色谱材料尚未见报道，这类色谱材料的成功制备将为开发新材料提供思路，进一步拓展了以硅胶为基质的功能色谱填料的范畴，同时也为糖蛋白质组学中糖肽的选择性富集提供更为丰富的技术手段。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种新型混合模式的高效液相色谱填料。本发明要解决的另一个技术问题是，提供该色谱填料的制备方法，以及该色谱填料的应用。
本发明的技术方案是：
一种苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料，以硅胶为基质，键合相末端为苯硼酸官能团，其化学结构式为：
其中Silica Gel为球型硅胶，R1是苯硼酸衍生物，R2是乙烯基或巯基，R3为联合修饰改性基团，n＝0～4，m＝0～3。
该色谱填料为键合相末端为苯硼酸官能团的功能色谱填料。
优选的是，所述球型硅胶粒径1～20μm，孔径
本发明的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料是硅胶基础上修饰后的材料，是一种新型的色谱填料。苯硼酸衍生物是指以苯硼酸基团为核心的化合物。如3-乙烯基苯硼酸、4-巯基苯硼酸等。
R3是指含有巯基的多肽或蛋白质等，如半胱氨酸、谷胱甘肽等。联合修饰改性基团是指引入联合修饰改性剂以后引入的基团，联合改性剂选自半胱氨酸、谷胱甘肽、含有巯基的多肽或含有巯基的蛋白质中的一种。
本发明还提供了上述苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其具体步骤为：
(1)硅胶预处理
将每克球型硅胶加入2～100mL质量浓度为1～40％的盐酸或硝酸溶液中，加热回流搅拌1～48小时，过滤，水洗至中性，于100～160℃下干燥至恒重，得到活化硅胶；
(2)硅胶表面修饰
将步骤(1)所得的活化硅胶置于反应容器中，在氮气氛围下加入有机溶剂，每克活化硅胶使用2～100mL有机溶剂，搅拌均匀，滴加硅烷试剂，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时；待反应体系冷却至室温，减压过滤并依次用甲苯、丙酮、甲醇、水、甲醇洗涤，所得固体产品在60～100℃条件下干燥12～36小时，得到硅胶表面修饰的产品；
(3)巯基-烯烃点击反应
将步骤(2)所得硅胶表面修饰的产品置于反应容器中，在氮气氛围下加入有机溶剂，搅拌均匀，加入苯硼酸衍生物，每克烯基或巯基硅胶使用0.01～100mmol的苯硼酸衍生物，搅拌均匀，再加入偶氮类引发剂，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时；待反应体系冷却至室温，减压过滤并依次用甲苯、丙酮、甲醇、水、甲醇洗涤，所得固体产品在60～100℃条件下干燥12～36小时，得到苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料。
洗涤中选用参与反应的两种极性差异较大的的溶剂进行洗涤，如醇和水交替洗涤，以确保把各种极性的残留杂质洗掉，最后再用醇洗是起到偏于烘干的作用。
上述反应容器优选为玻璃或者聚四氟乙烯反应容器。
根据本发明的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，优选的是，在所述的步骤(2)中，所述的有机溶剂包括苯系物或者烷烃中的一种。
更优选的是，有机溶剂选自甲苯、乙苯、二甲苯、正己烷、正庚烷、正戊烷、正辛烷、环己烷中的一种。
根据本发明的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，优选的是，所述步骤(2)中，硅烷试剂结构式为：
其中，X为-OCH3，-OCH2CH3或-Cl，n＝0～4，R2为烯基或巯基；所述硅烷试剂的使用量为每克活化硅胶使用0.5～5mmol。
根据本发明的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，优选的是，步骤(3)所述的苯硼酸衍生物为含有烯基或巯基的苯硼酸衍生物。
进一步地，步骤(3)所述的苯硼酸衍生物选自2-乙烯基苯硼酸、3-乙烯基苯硼酸、4-乙烯基苯硼酸、4-巯基苯硼酸中的一种或者一种以上；所述的苯硼酸衍生物的使用量为每克烯基或巯基硅胶使用0.01～100mmol。
根据本发明的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，优选的是，步骤(3)中，在所述引发剂加入前，加入联合修饰改性剂，搅拌均匀；所述联合修饰改性剂为半胱氨酸、谷胱甘肽、含有巯基的多肽或蛋白质中的一种。
进一步地，所述的联合修饰改性剂的使用量为每克烯基或巯基硅胶使用0.01～100mmol。
根据本发明的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，优选的是，步骤(3)所述的偶氮类引发剂选自包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二异丁脒盐酸盐中的一种。
根据本发明的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，优选的是，步骤(3)所述的引发剂的使用量为每克烯基或巯基硅胶使用0.01～1mmol。
本发明还提供了上述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料在非极性化合物、极性化合物的分离和修饰蛋白质组学中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.结构新颖。该色谱填料为键合相末端为苯硼酸官能团，具有一定的亲水性、疏水性以及电荷响应性。
2.制备过程简单可靠。具有产率高、重复性好、反应条件温和等优点。技术适用范围广，可利用联合修饰改性基团进一步进行修饰改性，对以硅胶为基质的功能色谱填料及固定相的发展具有较大的促进作用。
3.应用范围广。本发明提供的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料是一种全新的混合模式色谱填料及固定相，对非极性化合物、极性化合物都具有很好的分离选择性，对糖肽具有很好的富集选择性，在色谱分离和修饰蛋白质组都有很广泛的应用价值。
附图说明
图1为使用实施例1中的色谱填料的制备过程图；
图2为使用实施例2中的色谱填料的制备过程图；
图3为使用实施例3中的色谱填料的制备过程图；
图4为使用实施例1中的色谱填料在不同pH条件的磷酸二氢钾缓冲液中的ζ-电势图；
图5为使用实施例1中的色谱固定相用于反相混合样品的分离分析色谱图；
图6为使用实施例1中的色谱固定相用于核苷碱基混合样品的分离分析色谱图；
图7为使用实施例1中的色谱固定相用于皂苷样品的分离分析趋势图；
图8为使用实施例1中的色谱填料用于富集人血清免疫球蛋白G的质谱图；
图9为使用实施例2中的色谱填料在不同pH条件的磷酸二氢钾缓冲液中的ζ-电势图；
图10为使用实施例3中的色谱填料在不同pH条件的磷酸二氢钾缓冲液中的ζ-电势图。
具体实施方式
下面结合实例，对本发明做进一步说明。实例仅限于说明本发明，而非对本发明的限定。
实施例1
称取5g球型硅胶(粒径5μm，孔径比表面300m2/g)，置于250mL三颈烧瓶中，加入80mL浓度为2mol/L的盐酸溶液，加热回流12小时，冷却至室温，用4#砂芯漏斗进行抽滤，水洗至中性，抽干于80℃烘箱中干燥过夜，得活化硅胶。在通入干燥的氮气的条件下，往活化硅胶中加入50mL干燥的甲苯，搅拌均匀，然后滴加5.9mLγ-三乙氧基丙基巯基硅烷，110℃条件下加热回流24小时，反应结束用4#砂芯漏斗进行抽滤，依次用甲苯、丙酮、水、甲醇清洗，抽干于80℃烘箱中干燥过夜，得巯基硅胶。在通入干燥的氮气的条件下，称取5g巯基硅胶，加入50mL无水甲醇，搅拌均匀，加入溶解于10mL N,N-二甲基甲酰胺的3-乙烯基苯硼酸0.5g，搅拌均匀，加入溶解于5mL无水甲醇的2,2-偶氮二异丁腈0.1g，搅拌均匀，升温至65℃，加热回流48小时，反应体系冷却至室温，4#砂芯漏斗进行抽滤，依次用水、甲醇清洗，抽干于80℃烘箱中干燥过夜，得苯硼酸修饰填料Ⅰ，元素分析结果：C10.03％，N0％，H1.08％，制备过程如图1所示。
实施例2
称取5g球型硅胶(粒径5μm，孔径比表面300m2/g)，置于250mL三颈烧瓶中，加入80mL浓度为2mol/L的盐酸溶液，加热回流12小时，冷却至室温，用4#砂芯漏斗进行抽滤，水洗至中性，抽干于80℃烘箱中干燥过夜，得活化硅胶。在通入干燥的氮气的条件下，往活化硅胶中加入50mL干燥的甲苯，搅拌均匀，然后滴加2.6mL乙烯基三氯硅烷，50℃条件下加热回流24小时，反应结束用4#砂芯漏斗进行抽滤，依次用甲苯、丙酮、水、甲醇清洗，抽干于60℃烘箱中干燥过夜，得乙烯基硅胶。在通入干燥的氮气的条件下，称取5g乙烯基硅胶，加入50mL无水甲醇，搅拌均匀，加入溶解于10mL无水甲醇的4-巯基苯硼酸0.5g，搅拌均匀，加入溶解于5mL无水甲醇的2,2-偶氮二异丁腈0.1g，搅拌均匀，升温至65℃，加热回流48小时，反应体系冷却至室温，4#砂芯漏斗进行抽滤，依次用水、甲醇清洗，抽干于80℃烘箱中干燥过夜，得苯硼酸修饰填料Ⅱ，元素分析结果：C4.89％，N0％，H1.24％，制备过程如图2所示。
实施例3
称取3g实施例2中的材料苯硼酸修饰填料Ⅱ，置于250mL三颈烧瓶中，加入50mL无水甲醇，搅拌均匀，加入溶解于5mL去离子水的半胱氨酸3g，搅拌均匀，加入溶解于5mL无水甲醇的2,2-偶氮二异丁腈0.06g，搅拌均匀，升温至65℃，加热回流48小时，反应体系冷却至室温，4#砂芯漏斗进行抽滤，依次用水、甲醇清洗，抽干于80℃烘箱中干燥过夜，得苯硼酸修饰填料Ⅲ，元素分析结果：C5.96％，N0.77％，H1.38％，制备过程如图3所示。
实施例4
测定实施例1中材料苯硼酸修饰填料Ⅰ在不同pH值条件下的ζ-电势的变化趋势。具体方法为：称取50mg的实施例1中的材料，加入30mL的水超声分散。取1mL上述溶液加入2mL不同pH条件下的磷酸二氢钾缓冲液和7mL水，振荡均匀，转移至Malvern Zetasizer Nano-ZS90测试仪测定材料表面的电势变化。实施例1中的材料ζ-电势随pH条件变化的趋势图如图4所示。
实施例5
将所得的实施例1中的材料苯硼酸修饰填料Ⅰ填装于4.6mm*150mm，I.D.的不锈钢HPLC色谱柱中。制得的色谱柱固定相用于测试其在反相色谱模式下对化合物的保留和分离能力。如图5所示：(1)尿嘧啶，(2)硝基苯，(3)芴，(4)萘，4种化合物得到了良好的分离和较好的峰型。色谱条件为：以40％乙腈/水溶液为流动相，流速为1.0mL/min，柱温为30℃，紫外检测波长为256nm。
实施例6
将所得的实施例1中的材料苯硼酸修饰填料Ⅰ填装于4.6mm*150mm，I.D.的不锈钢HPLC色谱柱中。制得的色谱柱固定相测试其在亲水模式下对核苷碱基样品的保留和分离能力。如图6所示：(1)尿嘧啶，(2)尿苷，(3)胞嘧啶，(4)鸟苷，(5)胞苷，5种不同的核苷碱基样品得到了很好的分离。色谱条件为：以90％乙腈/10mM的甲酸铵溶液(pH为3)为流动相，流速为1.0mL/min，柱温为30℃，紫外检测波长为256nm。
实施例7
将所得的实施例1中的材料苯硼酸修饰填料Ⅰ填装于4.6mm*150mm，I.D.的不锈钢HPLC色谱柱中。制得的色谱柱固定相测试其在各乙腈/水溶液比例条件下对皂苷样品的保留和分离能力。如图7所示：(1)为柴胡皂苷A，(2)为柴胡皂苷D，(3)为人参皂苷Rb1,(4)为人参皂苷Rg1,(5)为商陆皂苷甲，(6)为三七皂苷R1,6种不同的皂苷样品表现出U型保留趋势，说明既有亲水保留能力又有反相保留能力。色谱条件为：以乙腈/水溶液为流动相，体积比分别为90:10；80:20；70:30；60:40；50:50；40:60；30:70，流速1.0mL/min，柱温为30℃，紫外检测波长为210nm。
实施例8
使用实施例1所制备的材料苯硼酸修饰填料Ⅰ富集人血清免疫球蛋白G，上样条件为水/甲酸：99.9/0.1(v/v)，洗脱条件为乙腈/水/甲酸：40/59.9/0.1(v/v/v)。如图8所示：(A)为蛋白酶解液未经富集的质谱图，(B)为蛋白酶解液经苯硼酸修饰填料Ⅰ富集后的质谱图，糖肽信号以五角星表示。从图中可知，经过富集，糖肽的选择性和丰度有了很大的提高，表现出很好的富集选择性。
实施例9
测定实施例2中材料苯硼酸修饰填料Ⅱ在不同pH值条件下的ζ-电势的变化趋势。具体方法为：称取50mg的实施例1中的材料，加入30mL的水超声分散。取1mL上述溶液加入2mL不同pH条件下的磷酸二氢钾缓冲液和7mL水，振荡均匀，转移至Malvern ZetasizerNano-ZS90测试仪测定材料表面的电势变化。实施例2中的材料ζ-电势随pH条件变化的趋势图如图9所示。
实施例10
测定实施例3中材料苯硼酸修饰填料Ⅲ在不同pH值条件下的ζ-电势的变化趋势。具体方法为：称取50mg的实施例1中的材料，加入30mL的水超声分散。取1mL上述溶液加入2mL不同pH条件下的磷酸二氢钾缓冲液和7mL水，振荡均匀，转移至Malvern ZetasizerNano-ZS90测试仪测定材料表面的电势变化。实施例3中的材料ζ-电势随pH条件变化的趋势图如图10所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料，其特征在于，以硅胶为基质，键合相末端为苯硼酸官能团，其化学结构式为：
其中Silica Gel为球型硅胶，R1是苯硼酸衍生物，R2是乙烯基或巯基，R3为联合修饰改性基团，n＝0～4，m＝0～3。
2.权利要求书1所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：其具体步骤为：
(1)硅胶预处理
将每克球型硅胶加入2～100mL质量浓度为1～40％的盐酸或硝酸溶液中，加热回流搅拌1～48小时，过滤，水洗至中性，于100～160℃下干燥至恒重，得到活化硅胶；
(2)硅胶表面修饰
将步骤(1)所得的活化硅胶置于反应容器中，在氮气氛围下加入有机溶剂，每克活化硅胶使用2～100mL有机溶剂，搅拌均匀，滴加硅烷试剂，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时；待反应体系冷却至室温，减压过滤并依次用甲苯、丙酮、甲醇、水、甲醇洗涤，所得固体产品在60～100℃条件下干燥12～36小时，得到硅胶表面修饰的产品；
(3)巯基-烯烃点击反应
将步骤(2)所得硅胶表面修饰的产品置于反应容器中，在氮气氛围下加入有机溶剂，搅拌均匀，加入苯硼酸衍生物，每克烯基或巯基硅胶使用0.01～100mmol的苯硼酸衍生物，搅拌均匀，再加入偶氮类引发剂，保持温度为20～200℃条件下搅拌2～48小时；待反应体系冷却至室温，减压过滤并依次用甲苯、丙酮、甲醇、水、甲醇洗涤，所得固体产品在60～100℃条件下干燥12～36小时，得到苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料。
3.根据权利要求2所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，所述的有机溶剂包括苯系物或者烷烃中的一种。
4.根据权利要求2所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，硅烷试剂结构式为：
其中，X为-OCH3，-OCH2CH3或-Cl，n＝0～4，R2为烯基或巯基；所述硅烷试剂的使用量为每克活化硅胶使用0.5～5mmol。
5.根据权利要求2所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的苯硼酸衍生物为含有烯基或巯基的苯硼酸衍生物；所述的苯硼酸衍生物的使用量为每克烯基或巯基硅胶使用0.01～100mmol。
6.根据权利要求2所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在所述引发剂加入前，加入联合修饰改性剂，搅拌均匀；所述联合修饰改性剂为半胱氨酸、谷胱甘肽、含有巯基的多肽或蛋白质中的一种。
7.根据权利要求6所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：所述的联合修饰改性剂的使用量为每克烯基或巯基硅胶使用0.01～100mmol。
8.根据权利要求2所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的偶氮类引发剂选自包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二异丁酸二甲酯、偶氮二异丁脒盐酸盐中的一种。
9.根据权利要求2所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的引发剂的使用量为每克烯基或巯基硅胶使用0.01～1mmol。
10.权利要求1所述的苯硼酸修饰硅胶功能色谱填料在非极性化合物、极性化合物的分离和修饰蛋白质组学中的应用。
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