CN107261558B - 一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜固定相的色谱柱及其固定相的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯与氧化锌双层膜固定相的色谱柱及其固定相的制备方法，属于色谱分离技术领域。本发明通过将氧化锌薄膜制成粗糙过渡层，进而作为色谱柱内壁与石墨烯类材料之间的过渡层，通过化学键合与机械锚合作用提高了石墨烯类纳米材料在色谱柱内壁的附着力，提高了固定相的稳定性和均匀性。本发明解决了石墨烯类纳米片状材料在色谱柱内壁难以涂覆、稳定性差的问题；同时克服了传统自组装方法所存在普适性欠缺的不足，普适于石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯材料在色谱柱内壁形成固定相；另外，还具有制备步骤简单，成本低廉、制得产品分散均匀且附着牢固的优势，有利于大规模工业化生产。

Description

一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜固定相的色谱柱及其固定 相的制备方法

技术领域

本发明属于色谱分离技术领域，特别涉及一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜固定相的色谱柱及其固定相的制备方法。

背景技术

色谱柱在色谱技术中扮演着重要的角色，样品通过色谱柱进行分离。然而，目前商业化的色谱柱仍难以分离某些混合物，尤其是沸点相近的化合物、结构相近的位置异构体。众所周知，色谱柱的分离原理是利用样品组分在色谱固定相上的分配系数不同而达到分析分离的目的。故而，作为色谱柱的核心部分，色谱固定相的选择和高稳定性的研究具有十分重要的意义。

石墨烯类材料主要包括石墨烯(G)、氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(RGO)。在分析化学领域，石墨烯类材料作为新型的固相微萃取(SPME)和色谱柱固定相材料正引起人们的日益关注。然而，石墨烯类材料是纳米量级的片状固体，难以采用常规的涂覆工艺将其制备形成固定相薄膜。现有研究中导致石墨烯类材料难以采用常规涂覆工艺形成固定相薄膜的原因主要有以下两种：其一在于，石墨烯类材料无论在常规有机溶剂还是在水中的溶解度都很低，进而导致制成涂覆液的粘度不足，无法附着于色谱柱上；其二在于，石墨烯类材料容易团聚，而现有常规的涂覆方法大多需要在涂覆前采用二氯甲烷预处理，经预处理后进行涂覆时GO具有明显的团聚趋势。故而，如何实现石墨烯类材料在封闭流道内壁均匀涂覆形成固定相薄膜成为本领域亟待解决的技术问题。

现有技术中主要有如下几种方法实现石墨烯类材料形成固定相薄膜：

(1).偶联剂法；偶联剂法又被分为一步偶联剂法和两步偶联剂法，并且两步偶联法先于一步偶联法被应用在制备石墨烯类固定相。两步偶联剂法可参考2012年度Anal.Chem杂志中的文章《Capillary Coated with Graphene and Graphene OxideSheets as Stationary Phase for Capillary Electrochromatography and CapillaryLiquid Chromatography》(《涂覆有石墨烯和氧化石墨烯纳米片固定相的毛细管用于毛细管电色谱和毛细管液相色谱》)，在这篇文章中公开了一种首先在空柱内涂覆3-氨丙基二乙氧基甲基硅烷(3-AMDS)偶联剂，然后采用氧化石墨烯水溶液形成固定相薄膜的方案。由于偶联剂表面遍布氨基(-NH₂)，而氧化石墨烯中富含羧基(-COOH)、羟基(-OH)等功能团，偶联剂中的氨基和氧化石墨烯中的羧基通过共价键合能够使得纳米片状的氧化石墨烯固定进而形成固定相薄膜。并且，上述固定相薄膜后续可采用联胺还原法去除氧化石墨烯中绝大部分羟基，进而得到石墨烯材料固定相薄膜。在2013年度J.CHROMATOGR.A报道的文章《Preparation and characterization of open-tubular capillary column forcapillary electrochromatographic separation of small organic molecules》(《用于分离有机小分子的毛细管电色谱开管柱的制备和表征》)中同样采用两步偶联剂法，主要区别在于：偶联剂为3-APTMS以及氧化石墨烯的灌注采用异丙醇溶液。一步偶联剂法可参考2015年度Chin.Chem.Lett.所报道的文章《Separation performance of graphene oxideas stationary phase for capillary gas chromatography》(《氧化石墨烯为固定相的毛细管气相色谱的分离性能》)，在这篇文章中，作者通过酰基化反应将氧化石墨烯和偶联剂3-AMDS进行超声混合分散后，再将得到的混合液涂敷在毛细管柱内壁，进而减少了涂覆工艺的步骤。2013年度J.CHROMATOGR.A的文章《Preparation and retention mechanismstudy of graphene and graphene oxide bonded silica microspheres as stationaryphases for high performance liquid chromatography》(《石墨烯和氧化石墨烯键合二氧化硅微球为固定相的高效液相色谱的制备及驻留机理研究》)所公开方案与上述方案类似，主要区别在于：偶联剂为EDC/NHS，且混合液涂覆的目标对象不是毛细管空柱而是氨基化的氧化硅微球，最终制得氧化石墨烯的液相色谱填充柱，上述色谱柱随后还可经联胺还原形成石墨烯的填充柱。

2.自组装法；参考2013年度J.CHROMATOGR.A杂志报道的文章《Layer-by-layerassembly of polyelectrolyte and graphene oxide for open-tubular capillaryelectrochromatography》(《聚电解质与氧化石墨烯的层层组装应用于开口毛细管电色谱》)，其制备方法如下：首先在空柱内通入强阳离子聚合电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)，在毛细管内壁形成正电荷聚集层，然后再通入氧化石墨烯的分散液。由于氧化石墨烯(GO)中富含羟基、羧基、环氧基等含氧基团，而这些含氧基团都带负电荷，故能够与正电荷聚集层通过静电相互作用吸附于毛细管内壁进而形成固定相。另外，根据2013年度ELECTROPHORESIS杂志中文章《Graphene oxide and reduced graphene oxide as novelstationary phases via electrostatic assembly for open-tubular capillaryelectrochromatography,Electrophoresis》(《氧化石墨烯和还原氧化石墨烯通过静电组装作为新型固定相用于开口毛细管电色谱及电泳》)的报道，还原氧化石墨烯(在该文中简称为GOOH)亦能采用静电自组装法制备，这是由于还原氧化石墨烯(RGO)还原得不彻底，在其表面还残留有含氧官能团，故此会带负电性。

然而，现有技术中偶联剂法不仅不能制备还原氧化石墨烯(RGO)，而且制备石墨烯(G)由于需要先制备氧化石墨烯(GO)再还原为石墨烯，故存在步骤繁琐，耗费时间的不足。而自组装法由于采用静电吸引，故要求材料具有足够的电荷，这一点对于制备氧化石墨烯(GO)较为容易满足，而石墨烯原则上无法实现静电自组装；另外，还原氧化石墨烯的荷电量相对于氧化石墨烯大幅减少，导致制备难度增大，薄膜附着力减小，制成的固定相在使用时难以耐受色谱分离时流动相的多次冲刷。综上所述，现有制备石墨烯类固定相的方法不能完全适用于石墨烯、氧化石墨烯和还原石墨烯这三种石墨烯材料，进而导致石墨烯类纳米材料在本领域的应用受到了限制，因此，亟待发展一种新型的制备石墨烯类固定相的方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种采用氧化锌粗糙薄膜作为过渡层和石墨烯类薄膜形成固定相的色谱柱及其固定相的制备方法，本发明普适于石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯材料在色谱柱内壁形成固定相，本发明在解决石墨烯类纳米片状材料在色谱柱内壁难以涂覆、稳定性差的问题的同时克服了现有工艺所存在的不足。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜固定相的色谱柱，其特征在于，色谱柱内壁直接附着有氧化锌薄膜，所述氧化锌薄膜上覆有纳米石墨烯类薄膜，氧化锌薄膜作为过渡层同石墨烯类薄膜共同形成固定相。

进一步地，本技术方案中石墨烯类薄膜包括：石墨烯(G)、氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(RGO)中任一种。

进一步地，色谱柱包括但不限于：石英毛细管色谱柱、金属细管色谱柱以及MEMS微型色谱柱。

另一方面，本发明提供一种色谱柱固定相的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤A：制备氧化锌薄膜；将氧化锌和有机溶剂所形成的溶胶前驱液采用静态涂覆法灌注至色谱柱的流道内，待有机溶剂挥发后，在流道内壁形成凝胶薄膜，经高温煅烧处理，形成表面粗糙的氧化锌薄膜；

步骤B：制备石墨烯类薄膜；采用静态涂覆法将石墨烯类材料的分散液灌注至步骤A制得的色谱柱流道内，经老化处理后，在氧化锌薄膜表面得到石墨烯类薄膜，最终制得氧化锌薄膜作为过渡层同石墨烯类薄膜共同形成的固定相。

进一步地，本技术方案中高温煅烧处理具体为：将流道内形成氧化锌凝胶薄膜的色谱柱置于氮气环境中，在温度为350～450℃的条件下处理2～5小时；优选地，处理温度为400℃，处理时间为3小时。

进一步地，本技术方案中石墨烯类材料包括：石墨烯、氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(RGO)中任一种。

进一步地，本技术方案中石墨烯类材料的分散液可以是石墨烯类材料的水分散液，也可以是石墨烯类材料的有机溶剂分散液。

根据本领域普通知识可知：上述两个技术方案可以应用于气相色谱，也可以应用于液相色谱。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种普适于石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯材料在色谱柱内壁形成固定相的方法，克服了传统自组装方法所存在普适性欠缺的不足；同时，相比传统方法采用石墨烯类材料制成固定相，还具有制备步骤简单，成本低廉、制得产品分散均匀且附着牢固的优势，有利于大规模工业化生产。

2、本发明提供了一种基于氧化锌薄膜和石墨烯类薄膜形成固定相的色谱柱，通过将氧化锌薄膜制成粗糙过渡层，进而作为色谱柱内壁与石墨烯类材料之间的过渡层，通过化学键合与机械锚合作用提高了石墨烯类纳米材料在色谱柱内壁的附着力，提高了固定相的稳定性和均匀性。

附图说明

图1为单层石墨烯类薄膜固定相在色谱柱内壁的结构示意图；

图2为本发明所提供氧化锌/石墨烯类固定相在色谱柱内壁的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的氧化锌薄膜的SEM表面形貌图；

图4为本发明所提供基于氧化锌/石墨烯类固定相的微型气相色谱柱对8种非极性烷烃(碳原子数为5～12)混合物的分离效果图；

图5为基于单层还原氧化石墨烯薄膜固定相的微型气相色谱柱对8种非极性烷烃(碳原子数为5～12)混合物的分离效果图。

具体实施方式

以下通过实施例并结合说明书附图详细阐述本发明的技术方案，同时对本发明的原理和特性做进一步的说明。本实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为单层石墨烯薄膜作为固定相的结构示意图，图2为本发明所提供氧化锌/石墨烯类材料形成双层膜作为固定相结构示意图，结合图3所示氧化锌薄膜的SEM表面形貌图，通过对比本发明固定相与单层石墨烯薄膜形成固定相，可以看出：氧化锌薄膜是颗粒膜，作为过渡层能够使得原先光滑平整的衬底表面大幅度粗糙化，这一技术手段的实施不仅能够为石墨烯类纳米材料的固定提供更多的吸附或/和键合的位点，而且基于粗糙表面还产生了机械锁合机制，有利于进一步提高石墨烯类纳米片状材料的附着力。

实施例1：

本实施例采用硅基MEMS微型气相色谱柱制备固定相，具体制备工艺包括如下步骤：

步骤1：MEMS微型色谱柱的制备；

本实施例的MEMS微型色谱柱是8个平行流道的多道柱结构，每个流道的深度为300微米，宽度为30微米，深度与宽度之比为10∶1，本实施例具体是采用DRIE工艺刻蚀单晶硅，然后采用阳极键合工艺形成玻璃顶盖，本实施中流道的平面形状为蛇形，流道总长度为0.5米。

步骤2：制备氧化锌薄膜；

根据本领域技术人员普通知识可知：在进行固定相涂覆之前，应采用八甲基硅氧烷对硅基流道进行惰性化处理，然后再进行如下操作：

a).将4.39g的二水合乙酸锌溶于40mL的无水乙醇中，在60℃水浴条件下磁力搅拌1小时，随后加入2mL的乙醇胺作为稳定剂再搅拌1小时，利用冰醋酸和氨水调节溶胶的pH值为8；

b).将制得氧化锌溶胶前驱液在室温下静置陈化72小时；

c).连接静态涂覆管路，将已经凝胶处理的乙酸锌溶液通过高压氮气通入到色谱柱流道内，直到出气口处出现液滴，观察色谱槽壁无气泡，进而保证凝胶完全涂覆在色谱柱流道内；

d).排出流道内剩余的凝胶，在氮气保护下，将色谱柱置于400℃的烘箱中，保持此温度下处理3小时，从而在流道内壁生成氧化锌薄膜过渡层；

步骤3：制备还原氧化石墨烯薄膜；

a).将浓度为0.43wt％的还原氧化石墨烯水溶液采用去离子水稀释至0.2wt％，然后将稀释后溶液超声处理5分钟，形成均匀的分散体系；

b).连接静态涂覆管路，将均匀还原氧化石墨烯分散液通过高压氮气通入到色谱柱流道内进行涂覆，观察色谱柱另一个端口液体出现均匀黑色液滴后，封闭首尾两个端口；

c).将上述步骤制得的色谱柱在室温下放置24小时，然后推出还原氧化石墨烯分散液，将经过上述步骤制得的微型色谱柱在氮气保护下采用程序升温进行老化处理，具体地，老化处理的工艺参数为：柱温箱的温度以2℃/min的速率从30℃升至200℃，在200℃下维持4小时形成均匀的还原氧化石墨烯薄膜；在色谱柱内壁的氧化锌薄膜作为过渡层同还原氧化石墨烯薄膜共同作为固定相。

实施例2：

本实施例作为对比实施例，同样采用硅基MEMS微型气相色谱柱制备固定相，具体制备工艺包括如下步骤：

步骤1：MEMS微型色谱柱的制备；

本实施例的MEMS微型色谱柱制备过程及规格同实施例1，在此不再赘述；

步骤2：制备还原氧化石墨烯薄膜；

根据本领域技术人员普通知识可知：在涂覆还原氧化石墨烯分散液之前应采用八甲基硅氧烷对硅基流道进行惰性化处理，然后再进行如下操作：

a).将浓度为0.43wt％的还原氧化石墨烯水溶液采用去离子水稀释至0.2wt％，然后将稀释后溶液超声处理5分钟，形成均匀的分散体系；

b).连接静态涂覆管路，将均匀还原氧化石墨烯分散液通过高压氮气通入到色谱柱流道内进行涂覆，观察色谱柱另一个端口液体出现均匀黑色液滴后，封闭首尾两个端口；

c).将上述步骤制得的色谱柱在室温下放置24小时，然后推出还原氧化石墨烯分散液，将经过上述步骤制得的微型色谱柱在氮气保护下采用程序升温进行老化处理，具体地，老化处理的工艺参数为：柱温箱的温度以2℃/min的速率从30℃升至200℃，在200℃下维持4小时形成均匀的还原氧化石墨烯薄膜；在色谱柱内壁的单层石墨烯类薄膜作为固定相。

之后采用具有8种烷烃(碳原子数为5～12)的混合体系对实施例1和实施例2制得色谱柱进行分离测试，在分离实验中，仪器进样口的恒定压力设定为14.1kPa，色谱柱温箱的初始温度设定为40℃，柱温箱的温度以45℃/min的速率增加，直到其达到200℃。然后，得到如图4和图5所示的测试结果，对比可以看出本发明所提供氧化锌薄膜和还原氧化石墨烯薄膜形成双层膜作为固定相的色谱柱对上述混合体系实现了良好的分离，8种组分的驻留时间按含碳量由低到高依次增加，全部分离的时间仅需130秒；而单层还原氧化石墨烯薄膜在分离过程中，无论如何调整程温条件，都难以获得良好的分离效果。上述实验结果是因为质量百分比为0.43％的还原氧化石墨烯的悬浊液(其中，RGO：96.41％，C：3.59％，O：1～10层)的粘度很低，很难在硅流道的内壁形成均匀而稳定的固定相薄膜。而在涂覆还原氧化石墨烯水溶液之前先制备氧化锌薄膜过渡层后，氧化锌薄膜过渡层能够有效地使流道内壁变粗糙，进而提高了还原氧化石墨烯薄膜(RGO)的附着力，有利于形成稳定还原氧化石墨烯薄膜。氧化锌薄膜过渡层的存在还有效提高了流道内壁的表面积，保证气体分子与还原氧化石墨烯充分接触，进而增大槽道里流动相和固定相吸附-脱附的作用，从而获得高分离效率。

实施例3：

本实施例采用石英毛细管液相色谱柱制备固定相，具体制备工艺包括如下步骤：

步骤1：制备氧化锌薄膜；

a).将4.39g的二水合乙酸锌溶于40mL的无水乙醇中，在60℃水浴条件下磁力搅拌1小时，随后加入2mL的乙醇胺作为稳定剂再搅拌1小时，利用冰醋酸和氨水调节溶胶的pH值为8；

b).将制得氧化锌溶胶前驱液在室温下静置陈化72小时；

c).连接静态涂覆管路，将已经凝胶处理的乙酸锌溶液通过高压氮气通入到色谱柱流道内，直到出气口处出现液滴，观察色谱槽壁无气泡，进而保证凝胶完全涂覆在色谱柱流道内；

d).排出流道内剩余的凝胶，在氮气保护下，将色谱柱置于450℃的烘箱中，保持此温度下处理4小时，从而在流道内壁生成氧化锌薄膜过渡层；

步骤2：制备石墨烯薄膜；

a).将石墨烯的乙二醇溶液采用超声处理5分钟，形成均匀的分散体系；溶液中石墨烯的浓度为0.5mg/mL；

b).连接静态涂覆管路，将均匀石墨烯分散液通过高压氮气通入到色谱柱流道内进行涂覆，观察色谱柱另一个端口液体出现均匀黑色液滴后，封闭首尾两个端口；

c).将上述步骤制得的色谱柱在室温下放置24小时，然后推出石墨烯分散液，将经过上述步骤制得的色谱柱在氮气保护下采用程序升温进行老化处理，具体地，老化处理的工艺参数为：柱温箱的温度以2℃/min的速率从30℃升至200℃，在200℃下维持4小时形成均匀的石墨烯薄膜；在色谱柱内壁的氧化锌薄膜作为过渡层同石墨烯薄膜共同作为固定相。

上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，尽管已阐述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，即可对上述实施例作出另外的变更和修改。因此本发明的权利要求的范围应涵盖优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜固定相的色谱柱，其特征在于，色谱柱内壁直接覆有氧化锌薄膜，所述氧化锌薄膜上覆有纳米石墨烯类薄膜，氧化锌薄膜作为过渡层同石墨烯类薄膜共同形成固定相。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜固定相的色谱柱，其特征在于，所述石墨烯类薄膜的材料包括石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯中任一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜固定相的色谱柱，其特征在于，所述色谱柱包括石英毛细管色谱柱、金属细管色谱柱和MEMS微型色谱柱中任一种。

4.一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜色谱固定相的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：制备氧化锌薄膜；将二水合乙酸锌充分溶解在无水乙醇中，加入乙醇胺作为稳定剂，制得氧化锌溶胶前驱液，然后采用静态涂覆法将所述氧化锌溶胶前驱液灌注至色谱柱的流道内，待无水乙醇挥发后，在流道内壁形成氧化锌凝胶薄膜，经高温煅烧处理，形成表面粗糙的氧化锌薄膜；

步骤B：制备石墨烯类薄膜；采用静态涂覆法将石墨烯类材料的分散液灌注至经步骤A制得的色谱柱流道内，经老化处理后，在所述氧化锌薄膜表面得到石墨烯类薄膜，最终制得氧化锌薄膜作为过渡层同石墨烯类薄膜共同形成的固定相。

5.根据权利要求4所述的一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜色谱固定相的制备方法，其特征在于，所述步骤A中高温煅烧处理具体操作如下：将流道内形成氧化锌凝胶薄膜的色谱柱置于氮气环境中，在温度为350～450℃的条件下处理2～5小时。

6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜色谱固定相的制备方法，其特征在于，处理温度为400℃，处理时间为3小时。

7.根据权利要求4至6任一项所述的一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜色谱固定相的制备方法，其特征在于，所述石墨烯类薄膜的材料包括石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯中任一种。

8.根据权利要求7所述的一种基于石墨烯类与氧化锌双层膜色谱固定相的制备方法，其特征在于，石墨烯类材料的分散液中溶剂为水或者有机溶剂。