CN109789344A - 用于开管离子色谱的官能化聚烯烃毛细管 - Google Patents

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Abstract

用于液相色谱和离子色谱的开管毛细管柱，其基于离子不可透性聚烯烃毛细管，所述毛细管具有附带磺酸酯基官能化或胺基官能化内表面的孔。毛细管柱可以包括静电结合到官能化内表面的离子交换纳米粒子涂层。可以通过以下方式产生毛细管柱：将内表面在20至25℃工艺温度下暴露于包含氯磺酸(ClSO3H)，优选是85wt％至95wt％氯磺酸的磺化试剂。内表面可随后暴露于不对称二胺，从而与二胺形成磺酸基中间键，即形成磺胺连接的胺基官能化内表面。然后，通过以下方式形成涂层：将内表面暴露于离子交换纳米粒子的水性悬浮液，以使离子交换纳米粒子静电结合到官能化内表面。

Description

用于开管离子色谱的官能化聚烯烃毛细管
政府支持
本发明是在美国航空航天局(NASA)授予的拨款编号NNX11AO76G的政府资助下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
背景技术
在色谱系统中，可以认为分离柱是所述系统中最重要的功能元件。在液相/离子色谱中使用的各种整体柱、填充柱和开管(OT)柱选项中(后一种类型需要的压力最小)，允许使用简单且可轻易小型化的气动泵送组件。一篇最新综述特别阐述了分离科学中开管(OT)毛细管柱的制备和应用趋势[1]，但是大多数报道的工作涉及使用熔融石英毛细管，后者与极端pH值不相容。特别是，阴离子交换剂(AEX)涂覆的石英毛细管以前已在单柱模式下与温和碱性或中性pH洗脱液配合使用[2]，但此类材料与表面硅醇(-SiOH)官能团的静电贴附长期在高浓度强碱(例如50mM NaOH)中并不稳定，因此，使用AEX官能化石英毛细管通常限于不需要极端pH值的应用[3,4]。虽然已知聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)毛细管在强碱中比石英明显更加稳定[5,6]，而且具有可以比熔融石英毛细管的较弱硅醇基更强烈静电结合AEX材料的表面羧酸酯(-COOH)官能团，但申请人发现，AEX乳胶与PMMA的贴附长期在约大于5毫摩尔浓度(mM)氢氧化物中会逐渐丧失。而且，上述材料都不允许阳离子交换剂(CEX)乳胶粒子附着于此类毛细管的表面，原因在于CEX乳胶贴附于毛细管表面需要表面正电荷，而且熔融石英毛细管和PMMA毛细管均没有为毛细管表面改性提供pH稳定的平台，从而引入表面正电荷。因此，这些基质不适合在等度或梯度抑制型离子色谱应用中使用。
发明内容
公开了新颖的基于聚烯烃的开管毛细管离子交换柱，其内径优选为5至50μm，或者甚至更优选是10到30μm。在某些实施方案中，基于聚烯烃的毛细管具有部分磺酸酯基官能化的内表面。在其它实施方案中，基于聚烯烃的毛细管与二胺基存在磺酸基中间键，例如磺胺连接的胺基官能化内表面。可以通过以下方式产生这些官能化内表面：将聚烯烃毛细管的内部在室温(20-25℃)暴露于含有氯磺酸(ClSO3H；85-95％w/w)和稀释剂(例如冰醋酸(CH3COOH)、无水硫酸(H2SO4)或其组合(平衡剂))的磺化试剂，持续2至10小时，然后将产生的氯磺酸部分通过水解作用转化为磺酸部分，或者将产生的氯磺酸部分连接到不对称二胺化合物(任选地进一步修饰连接的化合物，从而形成季胺部分)。产生的毛细管柱的阳离子交换容量受氯磺酸浓度和磺化时间的控制，且最高可达300peq/mm2。
在某些实施方案中，毛细管柱的官能化内表面用一层离子交换纳米粒子涂覆。可以通过以下方式产生涂覆的表面：将磺酸基官能化内表面暴露于例如季铵基官能化乳胶纳米粒子的水性悬浮液，于是磺酸酯基与阴离子交换官能团之间的静电吸引以静电方式将纳米粒子结合到内表面。产生的柱的阴离子交换容量可以高达20peq/mm2。还可以通过以下方式产生涂覆的表面：将磺胺连接的、胺基官能化内表面暴露于例如磺酸酯基官能化或羧酸酯基官能化乳胶纳米粒子的水性悬浮液中，使纳米粒子与内表面类似地静电结合。
在某些实施方案中，基于聚烯烃的毛细管形成一个螺旋线圈，弯曲半径介于0.4mm与2.0mm之间。可以通过以下方式制造螺旋线圈形状：将毛细管的一部分或全部浸入加热的流体中，然后将毛细管的一部分缠绕在某一形状物上。
申请人发现，阴离子交换纳米粒子与磺化COP(-SO3H官能团)的结合比其与羟化硅(-OH官能团)或聚甲基丙烯酸甲酯(-COOH官能团)的结合强得多。申请人使用基于AEX官能化乳胶的示例性纳米粒子，发现具有足够充分的持久结合，实现了离子交换色谱系统与实用的氢氧化洗脱液浓度长期配合使用，为许多抑制电导毛细管离子色谱(SCCIC)应用开辟了道路。申请人还已确定，当内部表面高度磺化时，由于对阴离子分析物的阴离子排斥效应，中性分析物可以继阴离子分析物之后在涂覆柱和未涂覆柱中洗脱。可能因此改变内表面的磺化程度，以改变水峰的位置、以导致元素阴离子、有机阴离子和中性物(例如，醇类)之间发生分离，和/或以导致非质子中性物之间发生分离。同样，在与合适的不对称二胺发生反应时，磺化程度允许操作水峰的时序，以有利地确定水峰对检测器响应的影响到的时间，所述时间不妨碍检测早期洗脱性碱金属阳离子或弱保留的胺类。最后，申请人发现，这些柱－如果在小幅升高的温度下(例如在沸水中)软化－可以卷曲小至<1mm卷曲半径，产生极低容量、低分散度的分离柱，原因在于离心力有利影响向固定相(磺化聚烯烃材料和(存在时)静电结合的AEX纳米粒子涂层)传质。
附图说明
图1是示例性开管毛细管离子交换柱的横断面示意图。
图2是产生没有(至步骤240)和具有(至步骤260)AEX纳米粒子涂层的基于聚烯烃的开管毛细管离子交换柱的方法流程图。
图3是使聚烯烃毛细管磺化的示例系统的示意图。
图4是产生没有(至步骤440或450)和具有(至步骤460)CEX纳米粒子涂层的基于聚烯烃的开管毛细管离子交换柱的方法流程图。
图5是说明磺化程度(如按照阳离子交换容量衡量)与磺化试剂暴露时间的曲线。
图6说明示例开管毛细管离子交换柱的阳离子交换容量测定，显示泵送的NaOH溶液在大约18分钟时的穿透。
图7显示了通过采用基于高度磺化COP的毛细管柱分离(a)水和乙醇所获得的色谱图，以及采用基于高度磺化的AEX乳胶覆COP的毛细管分离(b)来自样本水峰的早期洗脱性无机阴离子所获得的色谱图。(c)显示其中更强烈保留的无机阴离子随样本水峰一起共洗脱的分离过程。
图8包括基线电导和基线噪声(插图曲线)与淋洗步骤240中时间的曲线。
图9是根据方法200在暴露于磺化试剂(90wt％ClSO3H:10wt％CH3COOH)的程度不断变化情况下制造的毛细管阳离子交换容量(磺化COP材料)与阴离子交换容量(AS18乳胶纳米粒子涂层)的比较曲线。
图10是根据方法200制造的毛细管阳离子交换容量(磺化COP材料)与阴离子交换容量(AS18乳胶纳米粒子涂层)再生性的比较曲线。
图11A和图11B分别显示了使用不同洗脱液和洗脱液流量情况下，具有20cm和30cm有效长度的AS18乳胶涂覆的基于COP的开管毛细管柱的色谱图。
图12显示了使用基于二价离子的洗脱液在不同浓度和pH值时AS18乳胶涂覆的基于COP的开管毛细管柱的色谱图。
图13是通过在1/16英寸(1.6mm；顶部)和1/32英寸(0.8mm；底部)直径杆上缠绕大约360μm毛细管成形为螺旋卷曲之后，基于COP的开管毛细管柱的照片。
图14是图13的底部螺旋盘绕柱的端视图。
图15是AS18乳胶涂覆的基于COP的直毛细管柱(菱形)和螺旋卷曲毛细管柱(圆形)布局中氯离子塔板高度与流速的Van Deemter拟合曲线。
图16是开管毛细管柱的所施加压力与洗脱液流速的曲线，所述开管毛细管柱配置为全直柱(733mm有效长度；圆形)、部分螺旋卷曲柱(225mm长度卷曲至dc＝1.97mm；菱形)、部分螺旋卷曲柱(455mm长度卷曲至dc＝1.97mm；三角形)和几乎完全螺旋卷曲柱(675mm长度卷曲至dc＝1.97mm；X形)。插图说明了额外压力损失(由于卷绕所致)模型与如等式(1)描述的流速的实验观察拟合。
具体实施方式
在描述基于聚烯烃的开管毛细管离子交换柱的不同方面时，请参考图1。但是，需要注意的是，所述示意图的内部区域被放大了，没有按比例显示。此外，显示了制造和使用所公开的柱的示例系统，但值得注意的是，也可以使用其它系统执行描述的制造工艺，而且，在各种抑制电导毛细管离子色谱(SCCIC)系统中可以使用所公开的柱。
通常，每个开管毛细管离子交换柱100包括从一批聚烯烃材料抽出的毛细管。在某些实施方案中，材料是环烯烃材料，例如降冰片烯型(开环易位聚合的8,9,10-三降冰片-2-烯)材料[7,8]。在其它实施方案中，材料是环烯烃共聚物材料，例如降冰片烯-乙烯型(8,9,10-三降冰片-2-烯与乙烯链共聚)材料[7,8]，一种由Zeon公司(日本东京)作为330R销售的材料展示出极低的玻璃化转变温度(123℃)[9]，同时额外优点为毛细管级别厚度时低至290nm的极低荧光透光性和一个以大约250nm为中心的小型额外透光性窗口。毛细管可从圆柱体(例如，直径7.35cm×长度20cm)产生，所述圆柱体具有一个同心孔(例如，内径3.97nm或5/32英寸)，加工成一个与毛细管的目标o.d./i.d.(例如370μmo.d.和20μm i.d.)具有相同o.d./i.d.长宽比的预制件。使用已知技术或者由商业挤压公司(例如美国华盛顿温哥华的Paradigm Optics公司)，将此预制件挤压成开管毛细管。使用商业挤出服务，申请人获得了具有360至375μm o.d.、19至28μm i.d.和孔均匀度±2μm/米的毛细管。众所周知，柱效率和分离速度随着毛细管柱孔直径减小而增加(对于OT液体色谱法，理论上建议的最佳内径是0.26μm[10])，但值得注意的是，柱分离的难度、可再生进样、检测灵敏度以及柱堵塞的潜在可能性，也会随着毛细管孔直径减小而增加，因此，按照申请人的经验，10至30μm的柱直径目前提供最佳的折衷范围。
将毛细管的内表面110化学改性，以便用磺酸酯官能团取代一些聚合物链氢原子，例如，使磺酸酯官能化内表面区域120被非官能化和离子不可透性材料包围。原则上，聚烯烃材料应由饱和脂肪族烃主链和/或环(来自直链、支链或环状烯烃单体)组成；但是，低于300nm的明显光学吸收表明残留的烯烃部分将存在于商用材料中，并且正是这些部分将可能随着某些α-氯β-链烷磺酸形成而首先受到攻击[11]。材料上的氯磺酸攻击将另外用磺酸(-SO3H)基替代H原子(反应性：叔>仲>伯H)，释放HCl[12]。因此，值得注意的是磺化(原则上，但不完全)最初磺化不饱和部分。
图2显示了使用氯磺酸(ClSO3)制造磺酸酯官能化内表面110(例如区域120)的方法。需要注意的是，这种酸是一种具有极端侵蚀性的试剂，能够与水发生爆炸性反应，产生H2SO4和HCl烟雾，并且可能导致严重烧伤。因此，所述方法优选包括干燥COP毛细管内表面110的初始步骤(工艺步骤210)。例如，可以让干燥氮气在60-100psi通过毛细管5-10分钟，使毛细管彻底干燥。对于干毛细管，所述方法(工艺步骤220)使毛细管的内表面110暴露于氯磺酸以使聚烯烃材料磺化。所述酸可以作为纯氯磺酸的形式提供，但优选以包括85wt％至95wt％氯磺酸以及与氯磺酸相容的非水性稀释剂配比的磺化试剂形式提供。例如，可以使用冰乙酸(CH3COOH)、无水硫酸(H2SO4)或者其组合作为稀释剂。在图3所示的执行所述方法的示例系统300中，毛细管302的一端连接到可加压储器310，后者连接到干燥氮气源320。然后，可以通过单纯对储器310加压来干燥毛细管(工艺步骤210)。干燥之后，毛细管302的末端可以降低到位于储器310中和包含少量(1mL)磺化试剂332的试剂瓶330中。试剂瓶330优选被惰性膜334所覆盖，以提供防溢出措施，因此毛细管末端必须在降到瓶底部时刺破膜。根据毛细管的长度和孔，可以将储器加压至10-60psi，以泵送磺化剂穿过毛细管。毛细管304的另一端可以插入废物瓶340中，以收集排出的试剂供处置。废物瓶340可以包含氯磺酸相容性非水稀释剂342，例如冰醋酸，以减少无意暴露于水的潜在影响。废物瓶也可以用惰性膜344覆盖，以提供防溢出措施。暴露之后，所述方法优选将毛细管的磺化内表面110置于与氯磺酸相容的非水性冲洗剂中(工艺步骤230)。工艺步骤230中使用的冲洗剂可以与上述稀释剂相同或不同。例如，可以通过以下方式气动冲洗毛细管：用冰乙酸瓶350替换试剂瓶330，并将储器310加压至80psi持续30分钟，以便从毛细管孔和磺化区域120移除残留的氯磺酸。或者，可以用气体气动冲洗毛细管并且允许任何残留的磺化剂自行耗尽。然后，在工艺步骤240中，可以用去离子水或碱淋洗毛细管的氯磺化内表面110，以将产生的氯磺酸部分水解成磺酸酯官能团。例如，可以将柱100连接到HPLC泵并用去离子水以1至10μL/min淋洗20至100小时，以便促进水解和清除残留的磺化试剂、冲洗试剂或其它离子和未结合的化学物种，这一点将在下面进一步详细讨论。或者，柱100可以用至少10mM的碱金属氢氧化物溶液淋洗5至25小时，以加快氯磺酸酯部分的水解速率。
在某些实施方案中，柱100的磺酸酯官能化内表面110用一层阴离子交换纳米粒子130涂覆。在小孔毛细管中实施多步骤化学以提供不同或混合的分离区域可能困难并且导致低产率，同时可以通过让悬浮液经过带相反电荷的毛细管实现官能化纳米粒子涂覆。对于本发明的柱，内表面110的带负电荷的磺酸酯官能团和AEX纳米粒子130的外表面上带正电荷的阴离子交换官能团之间的静电吸引使纳米粒子静电结合到内表面110，形成这样的单层，所述单层允许固定相向AEX官能团高效传质和中性物穿过纳米粒子层向磺酸酯官能化区域120的一致传质行为。例如，申请人将中数直径为65nm的季铵基官能化乳胶纳米粒子(由位于美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市的Thermo Fisher Scientific公司制造，用于其Dionex IonPac AS18氢氧化物选择性阴离子交换柱)静电结合到此类官能化内表面。重新参考图2，在工艺步骤250中，毛细管的磺化内表面110可以暴露于阴离子交换纳米粒子130的水性悬浮液中。例如，可以通过将浓缩悬浮液用中性或适度碱性的水(例如10mM LiOH溶液)稀释成10％(wt/v)纳米粒子悬浮液，制备AS18乳胶纳米粒子悬浮液。值得注意的是，可以在不首先执行工艺步骤240的情况下执行工艺步骤250，从而悬浮溶液自身促进氯磺酸酯部分水解为磺酸酯官能团。可以使用系统300泵送悬浮液通过毛细管，不过申请人发现，优选通过以下方式保存悬浮液：使用两个此类系统，将毛管细304的另一端暴露于第二个可加压储器的瓶中(未显示)，并且另外对另一个储器通气时，对一个储器310加压，以使悬浮液穿过毛细管在各瓶之间来回流动。最后，在工艺步骤260中，可以用去离子水冲洗毛细管的涂覆内表面110，以清洁涂覆柱。例如，可以将柱100连接到HPLC泵，然后以1至10μL/min淋洗0.5到2小时，以便从孔清除悬浮液流体和未结合的残留纳米粒子。
图4显示了使用氯磺酸(ClSO3)产生磺胺连接的胺基官能化内表面110的相关方法。工艺步骤410-430与如上述的工艺步骤210-230相同。然后，所述方法(工艺步骤440)将毛细管的内表面110暴露于不对称二胺，以产生磺胺连接的胺部分。例如，工艺步骤440可以将内表面暴露于包含N-N-二甲基乙二胺的胺化剂，以产生磺胺连接的二甲基氨基链烷烃。应当注意，此示例化合物中的两个甲基接合至相同的胺基，以产生不对称特征。氯磺酸部分和二胺的胺参与缩合反应，以产生磺胺连接的胺部分和盐酸，并且因此胺化剂也可以包含碱，如芳香族不对称二胺，以中和衍生的酸。产生的磺胺连接的胺基官能化内表面110可以作为弱碱性阴离子交换材料。任选地，所述方法(工艺步骤450)可以将侧挂氨基部分暴露于合适的甲基化试剂，例如甲基碘或硫酸二甲酯，以产生侧挂季铵基和因而产生作为强碱性阴离子交换材料的季胺基官能化内表面110。
在某些实施方案中，柱100的磺胺连接的胺基官能化内表面110用一层阳离子交换纳米粒子132涂覆。在这些实施方案中，内表面110的带正电荷的胺官能团和CEX纳米粒子132的外表面上带负电荷的阳离子交换官能团之间的静电吸引使纳米粒子静电结合到内表面110，形成这样单层，所述单层如同CEX表面上的AEX纳米粒子那样，允许固定相向CEX官能团高效传质。例如，磺酸酯官能化和羧酸酯官能化乳胶粒子，例如由Thermo FisherScientific(Waltham MA)生产的用于其Dionex IonPac Cs10(275纳米直径阳离子交换乳胶粒子，具有5％交联和磺酸基)和Acclaim Trinity Q1(85纳米直径阳离子交换乳胶粒子，具有2％交联和羧酸基)阳离子交换柱的那些纳米粒子，静电结合到此类官能化内表面。在工艺步骤460中，毛细管的胺基官能化内表面110可以暴露于阳离子交换纳米粒子130的水性悬浮液中。例如，可以用0.1 M盐酸稀释浓缩悬浮液(在CS10乳胶情况下)或使用0.1 M氢氧化铵(在Acclaim Trinity Q1乳胶情况下)制备CS10或Acclaim Trinity Q1乳胶纳米粒子悬浮液。可以使用系统300或上面描述的双系统变化形式或任何其它合适的泵送设备，泵送悬浮液通过毛细管。最后，在工艺步骤470中，可以用去离子水冲洗毛细管的涂覆内表面110，以清洁涂覆柱。例如，可以将柱100连接到HPLC泵，然后以1至10μL/min的速度淋洗0.5到2小时，以便从孔清除悬浮液流体和未结合的残留纳米粒子。
实施例和结果
工作实施例1：
材料：330R(降冰片烯型环烯烃聚合物)
尺寸：370μm o.d.；28μm i.d.
磺化条件：在20-25℃下2小时暴露于95.1％ClSO3H:4.9％CH3COOH
产生的平均阳离子交换容量：3.2peq./mm2
工作实施例2：
材料：330R(降冰片烯型环烯烃聚合物)
尺寸：370 28μm o.d.；28μm i.d.
磺化条件：在20-25℃下6小时暴露于95.1％ClSO3H:4.9％CH3COOH
产生的平均阳离子交换容量：70.1peq./mm2
工作实施例3：
材料：330R(降冰片烯型环烯烃聚合物)
尺寸：370μm o.d.；28μm i.d.
磺化条件：在20-25℃下2小时暴露于95.1％ClSO3H:4.9％CH3COOH，具有溶解的环烯烃聚合物反应产物，
产生的平均阳离子交换容量：23.9peq./mm2
工作实施例4：
材料：330R(降冰片烯型环烯烃聚合物)
尺寸：370μm o.d.；28μm i.d.；
磺化条件：在20-25℃下2小时暴露于90％ClSO3H:10％CH3COOH产生的平均阳离子交换容量：0.4peq./mm2
任选的涂覆材料：AS18乳胶(具有8％烷醇季铵交联的65nm粒状乳胶)
产生的平均阴离子交换容量：17.8peq./mm2
工作实施例5：
材料：330R(降冰片烯型环烯烃聚合物)
尺寸：370μm o.d.；28μm i.d.；
磺化条件：在20-25℃下6小时暴露于90％ClSO3H:10％CH3COOH产生的平均阳离子交换容量：3peq./mm2
任选的涂覆材料：AS18乳胶
产生的平均阴离子交换容量：28peq./mm2
磺化方法及性能
据申请人所知，尚未对借助氯磺酸磺化聚烯烃材料(包括或不包括环烯烃聚合物材料)进行过任何系统表征。通常，可以通过磺化试剂中氯磺酸的浓度、工艺温度和材料的磺化试剂暴露时间控制磺化率。尽管可以在人工冷却的方法中使用包含纯氯磺酸的磺化剂，但申请人发现，纯酸在室温以不可控速率攻击环烯烃聚合物材料。对于室温(20至25℃)进行的方法，已发现包含85wt％至95wt％氯磺酸的磺化剂产生可控和高效的反应速率。图5显示使用包含95.1wt％ClSO3H和4.9wt％CH3COOH的磺化剂时，对室温方法200相对于时间所观察到的磺化程度。磺化程度测量为每单位表面积的皮当量(peq.)阳离子交换容量，对于降冰片烯型毛细管材料，假设名义内表面积等于光滑无孔隙圆柱体的内表面积。对于配对样本(每个时间段两个)，显示经过相同处理的一组28μm i.d.毛细管的平均磺化程度连同相关误差线，其中分别在2小时(工作实施例1；A)、4小时(B)、6小时(工作实施例2；C)、8小时(D)和10小时(E)终止磺化试剂暴露过程。在暴露2小时的第一个配对样本(A：3.2±2.7peq/mm2)和暴露4小时的第二个配对样本(B：66.6±1.1peq/mm2)之间，磺化程度显著增加，但在暴露6小时(C)和8小时(D)的样本中仅见到适度的进一步增加。在10小时暴露(E)时，磺化程度显著小于暴露8小时的磺化程度。作为基准，磺酸基占据理论上的计算表面积是0.18-0.21nm2(取决于其方向[13])，从中可以计算最大单层覆盖率是8至9peq/mm2(请注意，彻底磺化大孔隙300m2/g表面积阳离子交换树脂的最大容量是大约1meq/g，转换为大约3.3peq/mm2)。因此，对于除2小时暴露时间以外的所有样本而言，显而易见，磺化反应必定超出单层覆盖率继续进行。另外，需要注意的是，报告的容量只是在高流量下清洗100多小时之后才获得，描述在步骤240且进一步论述在下文中。在不希望受理论束缚的情况下，申请人认为，由于试剂攻击新暴露的COP材料底层，磺酸酯基交换容量在2小时和4小时暴露之间显著增加，并认为在4小时暴露之后，进一步磺化伴随开环，从而经历适当的时间段，产生可以从内部区域120、尤其从内表面110洗掉的悬垂聚合物链。即使采用纯水作为洗脱液，仍观察到高度磺化的柱展示出更大的检测器噪声，所述噪声仅在持续清洗和某种相关的磺酸酯官能团交换容量损耗情况下才削弱。
申请人意外发现，磺化反应是自催化的。当磺化试剂接触COP材料时，形成某种实体，所述实体使磺化试剂变色，将其从清亮慢慢转化为黄色至深棕色。这伴随着磺化剂粘度增加(通过毛细管的流量将在恒定压力时降低)。图5还显示使用“部分损尽”的磺化试剂(与COP材料接触24小时之后95.1wt％ClSO3H和4.9wt％CH3COOH，颜色为浅黄色)时，对室温方法200相对于时间所观察到的磺化程度。这种磺化试剂有效得多－暴露2小时的配对样本(工作实施例3；F：23.9±1.1peq/mm2)和暴露4小时的配对样本(G：143.8±4.1peq/mm2)分别具有比暴露于“新鲜”磺化试剂的相应配对(A)和(B)显著更大的磺化程度。优选地，为了在保持可重现磺化行为的同时减少所需的暴露时间，磺化试剂可以用化学实体(或多种化学实体)内标，其中通过在纯磺化试剂中溶解少量COP材料大约48小时产生所述化学实体。例如，申请人的做法一直是在使用之前大约48小时，将一小段COP毛细管(每克纯磺化试剂大约4cm总长度)置于磺化试剂中。值得注意的是，可以使用其它形式的具有高表面积与体积比的COP材料。
关于稀释剂，对使用ClSO3H的磺化反应，建议用惰性稀释剂如CHCl3或CH2Cl2[12]，但这些氯化溶剂溶解COP基质。申请人发现，浓酸(例如CH3COOH、H2SO4和CH3SO3H)适合作为稀释剂使用。也可以使用其它的氯磺酸相容性非水材料，包括硝基芳香族物质如硝基苯和硝基二甲苯、烷基磺酸类如乙烷磺酸和丙烷磺酸以及羧酸酐如乙酸酐，同时保持与聚烯烃材料的相容性。低于大约80wt％ClSO3H，磺化似乎在室温24小时内不发生。尽管可能预期磺化在升高的工艺温度，随着低于85-95wt％的ClSO3H浓度发生，但不能将COP毛细管加热超出其相对有限的玻璃化转变温度(例如，对于商用COP材料，130至150℃)。除了自催化，磺化似乎完全取决于ClSO3H浓度－用H2SO4替代CH3COOH并未产生任何显著的磺化速率差异。
根据暴露时间，申请人已经例行获得阳离子交换(CEX)容量为200peq/mm2以及甚至超出300peq/mm2的柱。例如，图6显示了870mm长(有效长度)、370μm o.d./28μm i.d.毛细管的柱容量测定，所述毛细管根据工艺步骤210-250磺化，在室温暴露于95.1wt％ClSO3H和4.9wt％CH3COOH磺化试剂5小时，所述磺化试剂通过将储器310加压至40psi泵送。通过以下方式测定柱容量：用5.4毫摩尔浓度(mM)H2SO4再生柱，并随后监控以0.21μL/min泵送的7.2mM KOH溶液穿透。柱的观察容量是305peq/mm2。出于比较目的，申请人已经在强碱水解步骤之后在PMMA柱(具有天然–COOH官能团)上测量到仅大约1peq/mm2的容量[5]。
大部分阳离子交换分离应采用磺酸酯基相关阳离子交换容量为至少0.5peq/mm2、最高大约4peq/mm2的柱进行。但是，很像高度磺化的凝胶型树脂，基于高度磺化的COP的柱显示出以前对开管毛细管样式柱未曾报告的离子排阻行为。图7显示(a)高度可重复分离水和乙醇(50:50比率，5nL样本体积)的示例色谱图，其中使用CEX容量为125±12peq/mm2的750mm长(有效长度)、370μm o.d./28μm i.d.毛细管，使用按30psi泵送的0.5mM HCl洗脱液(流量为200nL/min)分离所述水和乙醇。水峰和乙醇峰之间实现明显分离。申请人指出，即使此类高度磺化的柱用阴离子交换纳米粒子130涂覆时，下方的磺化区域120仍然可接近，从而离子交换和中性物保留行为(通过分配入与磺酸酯部位相关的水相)同时推进，并且可以导致样本水比某些阴离子分析物明显更多地保留，如示例色谱图(b)中那样，或者与某种强烈保留的阴离子共洗脱，如示例色谱图(c)中那样。在所示的情况下，使用AS18乳胶涂覆的、CEX容量为1251±1peq/mm2的210mm长(有效长度)毛细管，使用按13psi泵送的1.0mM均苯三酸(pH4.5)洗脱液(流量为44nL/min)，执行分离。对于色谱图(b)，样本由含有0.5mM氯化物和硫酸盐的1.5nL溶液组成。对于色谱图(c)，样本由包含0.5mM氯化物、硫酸盐和高氯酸盐的1.5nL溶液组成。由于高氯酸盐在此系统中随水峰共洗脱，色谱图(c)包括了显示来自去离子水样本水峰的曲线供比较。如上所述，可以通过更改柱的磺化程度更改水峰的位置。这种混合但独立的保留模式可以提供有趣的可能性，即借助合适的检测器同时分离阴离子与中性物，以及检测否则本会被水峰掩盖的早期洗脱。
在延长用水清洗的时间时，高度磺化的柱(阳离子交换容量大于200peq/mm2)展示出某种交换容量下降，流出物基线电导随流量增加而降低。这可能表明导电材料正从柱100的内表面110洗掉，可能是来自开环磺化反应的低聚物或悬垂开链。如图8中所示，基线电导和基线噪声均只有在经过20至100小时的大范围冲洗步骤之后才达到稳定的低值。
涂覆方法及性能
现已开发了包括具有广泛研究的选择性乳胶粒子的填充柱，但由于前述纳米粒子不能稳定地贴附于熔融石英和PMMA材料，因此在抑制氢氧化物开管毛细管离子色谱中通常不使用这些填充柱。基于-COOH的PMMA进展到–SO3H官能化COP时，本发明的柱提供对完全离子化的强酸部位更强的碱稳定的贴附。在充分大的纳米粒子，例如范围60-200nm的AEX乳胶纳米粒子的情况下，借助带类似电荷的材料多层覆盖是不太可能的，或者至少从未报道过[14]，这能够实现中性物通过纳米粒子层向磺酸酯官能化区域120的一致传质行为。申请人还通过实验观察到与单层形成一致的性能。用AS18乳胶涂覆大约1peq/mm2 CEX容量PMMA柱[5]产生大约10peq/mm2的AEX容量。申请人根据方法200并且尤其如上所述的步骤250-260涂覆的柱可以在90％氯磺酸磺化试剂暴露时间从2小时增加至6小时情况下，展示出CEX容量增加650％，从0.4(工作实施例4)增加至3peq/mm2(工作实施例5)；但是，如图9中所示，采用相同的AS18乳胶纳米粒子悬浮液涂覆时，AEX容量从磺化最小(工作实施例4，涂覆后)至磺化最大(工作实施例5，涂覆后)的实施例只增加<60％。的确，对于2-3peq/mm2的CEX容量(90％氯磺酸磺化试剂中磺化时间>5小时)，AEX容量是在统计不可区分(28.2±0.8peq/mm2)。此外，如图10中所示，对于大约1peq/mm2的CEX容量(空心圆圈)，可以借助65nm AS18乳胶纳米粒子涂层(无论柱i.d.如何)可重现地实现大约20peq/mm2的AEX交换容量(空心菱形)，表明图9中所示的AEX容量大量增加原因在于逐渐完整的单层随着内表面110逐渐完全磺化而形成，而不在于多层纳米粒子130涂层形成。确切地说，图10显示通过以下方式磺化的三对柱(配对1-3：370μm o.d./28μm i.d.毛细管)和三个单柱(柱4-6：370μm o.d./19μmi.d.)的结果：将暴露230于按15-50psi泵送的包含87.8％ClSO3:7.0％CH3COOH:5.2％H2SO4的试剂4.5-5小时(例外是柱6，其在否则相同条件下暴露于包含87.7％ClSO3:12.3％CH3COOH的试剂)，然后按照步骤230冲洗并按照步骤240淋洗，之后按照步骤250暴露于以前描述的示例性AS18乳胶纳米粒子悬浮液。值得注意的是，与AS18乳胶涂覆的PMMA柱相比，基于磺化COP的毛细管柱的AEX容量/单位面积明显更大。静电结合的乳胶纳米粒子并不在5mM氢氧化物中可察觉地洗掉，而在申请人先前的工作中，相同条件下PMMA上的此类结合并不稳定。具体来说，暴露于5mM KOH洗脱液时，用强碱AEX材料涂覆的柱保持基本相同的交换容量，所述材料包括AS5A乳胶(60nm粒状乳胶，具有4％交联和烷醇季铵阴离子交换部位)、AS11乳胶(85nm粒状乳胶，具有6％交联和烷醇季铵阴离子交换部位)、AS16乳胶(80nm粒状乳胶，具有1％交联和烷醇季铵阴离子交换部位)、AS18乳胶(65nm粒状乳胶，具有8％交联和烷醇季铵阴离子交换部位)和AminoPac PA10(80nm粒状乳胶，具有20％交联和烷基铵阴离子交换部位)，并且暴露于高达50mM KOH持续40-48小时时，某些柱(具有AS5A或AS18乳胶涂层)保持基本相同的交换容量。值得注意的是，根据预期的柱应用，可能采用其它的AEX纳米粒子130，包括携带弱碱性、AEX官能性脂肪族胺官能团的乳胶和其它基质(例如AminoPacPA10或Thermo Fisher Scientific A37353乳胶珠、胺基连接至脂肪族六碳间隔臂末端的60nm粒状乳胶)。
由于高CEX容量导致噪声增加并且需要延长清洗，将有可能通过居中CEX容量和乳胶涂覆之前及之后延长清洗，获得AEX容量稳定性和基线噪声的最佳组合。即使借助低CEX容量(1-3peq/mm2)，某些柱也显示出色的碱稳定性，而AS5A乳胶涂覆的柱在暴露于50mMKOH洗脱液近100小时(仅因间歇性容量测量而中断)期间没有显示明显的容量损失(30.5±1.8peq/mm2)。为了将这种柱与商用填充柱前瞻性比较，考虑适用的相比率是合适的。在其它类型的色谱中，相比率定义为流动相的体积除以固定相的体积；在OT毛细管柱中，前者是孔的体积[15]。在离子交换柱情况下，柱中附带任何特定洗脱液的相比率βiex的更有意义定义是流动相中存在的离子当量数/单位柱长度与按照相同长度表述的固定相离子交换容量的比率。显然，此数值越高，保留率越低。对于填充样式与19μm或28μm孔OT样式的AS5A柱，表1显示OT柱样式下相同的洗脱液呈现5-50倍更大的βiex,，这取决于OT样式涂层130中所用乳胶的类型；即，OT样式柱将需要按比例较低的洗脱液浓度以获得相同的保留系数。
表1商用填充柱与OT柱的相比率
整体性能
由于本发明的柱具有比相应的PMMA柱大得多的容量[16]，因此，可以使用更高的洗脱液浓度和/或更短的柱长度(需要极低的压力)。图11A和11B分别说明在施加的压力为6.6至19psi时，采用22cm(20cm有效长度)和32cm(30cm有效长度)370μm o.d./19μm i.d.柱的操作，获得2.2-4.7mm/s的流速(流量为39-80nL/min)，大大高于Van Deemter最佳值(1.2mm/s)。如图10A中所示，使用1.0mM苯甲酸Na(NaBz)作为洗脱液，可能在4分钟内分离标准五阴离子(F-(峰1)、Cl-(峰2)、NO2 -(峰3)、Br-(峰4)和NO3 -(峰5))。采用5mM NaBz在60psi时，可以在1.6分钟内基线分离相同的离子(实际分离窗口期小于45秒)，在30psi时在大约3分钟内可以实现基线分离。如图11B中所示，采用更强的6.0mM水杨酸钠(NaSal)洗脱液和更大的有效长度，在60psi时在3.5分钟内分离一套七种阴离子，包括某些极强保留的物种(Cl-(峰2)、ClO3 -(峰6)、I-(峰7)、SO4 2-(峰8)、SCN-(峰9)、ClO4 -(峰10)和S2O3 2-(峰11))。相当多的塔板数是可能的(对于氟和氯，最佳情况效率分别好到93,000和128,000塔板/米，如图11A中部和图11B底部所示)。如图12中所示，基于二价离子的洗脱液(例如盐，如邻苯二甲酸氢钾(KHP))可以用来分离强烈保留的阴离子，并且也提供以下可能性：操控洗脱液浓度和pH值，以便改变离子洗脱顺序，例如SO4 2-(峰8)和ClO3 -(峰6)(pH5.7的2.0mM KHP与pH7.5的10.0mM KHP)，或者S2O3 2-(峰11)和I-(峰7)(pH5.7的2.0mM KHP与pH5.7的10.0mM KHP)的离子洗脱顺序。
卷曲的开管格式毛细管柱
众所周知，直管中的轴向分散度最高。尽管考虑了变形通道对传质的影响[17]，并且变形的连接管已经用于至少一种商业液相色谱中[18]，但在毛细管尺度没有完成验证和应用，这可能是因为常用的石英毛细管很脆弱，弯曲半径明显最小。目前的COP毛细管具有良好的灵活性，尤其是在适度升高的温度下(例如，330R的玻璃化转变温度为123℃，热变形温度为103℃)。所公开的毛细管可以用至少约0.8mm(申请人已经用更小弯曲半径0.4mm制得螺旋卷曲，但对于这些厚壁毛细管，内表面似乎损坏－使用薄壁毛细管和放慢弯曲过程将可能允许至少0.4mm的弯曲半径)直到约2.0mm(其中有益效果变得最小)的弯曲半径(即，相对于内侧曲率的半径)轻易卷曲。图13显示已经用0.4mm和0.8mm弯曲半径卷曲的示例性基于COP的毛细管柱(产生dc值，等于所述卷曲的内径分别加1.17mm和1.97mm的毛细管直径)。图14显示了示例性0.8mm弯曲半径柱的端视图，卷曲的相应内径为大约1.6mm，卷曲的相应外径为大约2.3mm，dc为1.97mm(沿柱直径的孔至孔距离，或者大约是内径加毛细管直径)。
当加热时，柱100可以围绕某个形体(例如杆)卷曲。例如，申请人将直毛细管在沸水中加热，然后在浸入的同时，围绕0.8mm和1.6mm直径的金属杆缠绕毛细管。然后，将形成的螺旋盘绕柱冷却，并从形状物上取下。优选地，将毛细管的末端302和304保持平直并用胶带封住，以防止水在卷绕过程中进入毛细管(如果使用水或其它加热的流体；值得注意的是，也可能在自动化卷绕过程中使用空气或其它气体)。此类末端302和304也将允许在执行方法200之前卷绕，不过如下所讨论，也可以在磺化和涂覆之后执行卷绕过程。
从性质上讲，螺旋流中的离心分量(压力略大于同长度直管的压力)使跨孔的抛物线速度剖面变平，减少了轴向分散，而同时增加向壁的质量传输。关键参数是狄恩数其中NRe是雷诺数，dt和dc分别是孔直径和卷曲直径；同时离力效应随着NDe增加而增加(对于直管或大直径卷曲，基本上为零)。图15显示使用按各种流速(从0.05至0.9cm/s)泵送的4.0mM水杨酸钠(NaSal)洗脱液，在AS18乳胶涂覆的基于COP的733mm长(有效长度)、370μm o.d./19μm i.d.开管毛细管柱上流动的氯分析物的Van Deemter曲线。相同的柱首先作为直分离柱(总长度782mm)使用，然后成形为与图13-14中所示柱类似的dc＝1.97mm柱并作为螺旋卷曲分离柱(674mm的柱长度卷曲)使用。卷绕明显改善对氯化物的柱效率，并且对无保留的水峰观察到同样效果。实验上，氯化物的最小塔板高度从5.9μm变为5.7μm；塔板高度的绝对差随流速增加而增加。对于直柱和卷曲柱，与Van Deemter等式(即h＝B/u+C*u)的最佳拟合分别是：
直柱h＝1.91×10-5/u+2.66×10-3s-1*u
卷曲柱h＝1.83×10-5/u+2.46×10-3s-1*u
其中h的单位是cm，并且u的单位是cm/s。B项和(尤其)C项都在卷绕时下降。
当成形为螺旋卷曲时，相对于直柱布局，沿柱100的压降更大。取决于具体条件，两种布局之间的差异将正比与NDe平方根的第四分之一次幂[15]。在一项实验中，在不同流量测量78.2cm长、19μm i.d.直柱的压降，然后将柱围绕0.8mm直径支撑杆部分卷曲22.5cm、45.5cm和67.5cm柱长度时，重复相同的测量。图16显示在卷绕至0.4mm弯曲半径时可以通过以下等式得出的压力整体增加：
等式(1)附加ΔP/u(psi.s/cm)＝(3.4±0.1)×卷曲管的10-2*cm+0.12±0.28，
并且显示卷绕至这种直径比较小的螺旋卷曲的压降增加等同于直柱长度增加大约24％。
结论
概括而言，申请人已经公开了基于磺化聚烯烃的开管毛细管分离柱和AEX纳米粒子涂覆(基于磺化聚烯烃)的开管毛细管阴离子分离柱，所述柱可以经受住足够高浓度的氢氧化物洗脱液，以便执行基于电荷的分离，并且因而使它们独一无二地适合如美国专利申请号15/258,493中另外描述的抑制型电导滴定开管离子色谱(SC-OTIC)，所述文献的全部内容通过引用并入本文。示例性涂覆COP OT柱的AEX容量可以是AEX涂覆PMMA柱和石英柱的2倍或更高。19μm i.d.柱的塔板数可以超过125,000个塔板/米，因此在有效长度仅为20-30cm的情况下，与传统填充柱的板数相同，所公开的柱使用合适的洗脱液在短期内可以良好地分离许多常见的阴离子。聚烯烃材料的挠性允许以亚毫米弯曲半径卷曲毛细管，导致柱效率显著增加。某些聚烯烃材料，例如市售的基于降冰片烯的COP材料，有利地为光学光谱测定提供了合理透明的窗口，这些窗口增加了柱的通用性。
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Claims (42)

1.一种用于液相色谱和离子色谱的开管毛细管柱，所述柱包括：
离子不可透性聚烯烃毛细管；
所述毛细管具有附带磺酸酯基官能化内表面的孔。
2.根据权利要求1所述的开管毛细管柱，其中所述磺酸酯基官能化内表面提供至多9peq/mm2的磺酸酯基相关阳离子交换容量。
3.根据权利要求2的所述开管毛细管柱，其中所述磺酸酯基官能化内表面提供至少0.5peq/mm2的磺酸酯基相关阳离子交换容量。
4.根据权利要求1所述的开管毛细管柱，其中所述磺酸酯基官能化内表面提供至多300peq/mm2的磺酸酯基相关阳离子交换容量。
5.根据权利要求1所述的开管毛细管柱，其中所述孔还包括静电结合到所述磺酸酯基官能化内表面的阴离子交换纳米粒子涂层。
6.根据权利要求5所述的开管毛细管柱，其中所述阴离子交换纳米粒子包含季铵基官能化乳胶纳米粒子。
7.根据权利要求6所述的开管毛细管柱，其中所述季铵基官能化乳胶纳米粒子在所述磺酸酯基官能化内表面上形成单层。
8.根据权利要求1所述的开管毛细管柱，其中所述磺酸酯基官能化延伸入布置在所述孔的所述内表面下的区域。
9.根据权利要求1所述的开管毛细管柱，其中所述聚烯烃材料包括环烯烃聚合物。
10.根据权利要求9所述的开管毛细管柱，其中所述聚烯烃材料包括降冰片烯型环烯烃聚合物。
11.一种用于液相色谱和离子色谱的开管毛细管柱，所述柱包括：
聚烯烃材料的离子不可透性毛细管；
所述毛细管具有附带内表面的孔，所述内表面已暴露于包含氯磺酸(ClSO3H)的磺化试剂，以便磺化所述聚烯烃材料。
12.根据权利要求11所述的开管毛细管柱，其中所述磺化剂包含85wt％至95wt％的氯磺酸。
13.根据权利要求12所述的开管毛细管柱，其中所述内表面暴露于所述磺化剂至多8小时。
14.根据权利要求13所述的开管毛细管柱，其中所述内表面暴露于所述磺化剂至少2小时。
15.根据权利要求11所述的开管毛细管柱，其中所述孔还包括通过将所述内表面的所述磺化聚烯烃材料暴露于悬浮的阴离子交换纳米粒子溶液而形成的涂层。
16.根据权利要求15所述的开管毛细管柱，其中所述阴离子交换纳米粒子包含季铵基官能化乳胶纳米粒子。
17.根据权利要求16所述的开管毛细管柱，其中所述季铵基官能化乳胶纳米粒子在所述磺化的内表面上形成单层。
18.根据权利要求11所述的开管毛细管柱，其中所述环烯烃聚合物材料包括环烯烃聚合物。
19.根据权利要求11所述的开管毛细管柱，其中所述环烯烃聚合物材料包括降冰片烯型环烯烃聚合物。
20.根据权利要求11所述的开管毛细管柱，其中，在暴露于所述磺化剂之后，所述内表面已经暴露于不对称二胺胺化剂以形成磺胺连接的胺基官能化内表面。
21.根据权利要求20所述的开管毛细管柱，其中所述胺化剂包含N-N-二甲基乙二胺。
22.根据权利要求20所述的开管毛细管柱，其中，在暴露于所述胺化剂之后，所述内表面已经暴露于甲基化剂以形成磺胺连接的季铵基官能化内表面。
23.根据权利要求20所述的开管毛细管柱，其中所述孔还包括通过将所述磺胺连接的胺基官能化内表面暴露于悬浮的阳离子交换纳米粒子溶液而形成的涂层。
24.根据权利要求23所述的开管毛细管柱，其中所述悬浮的阳离子交换纳米粒子是磺酸酯基官能化或羧酸酯基官能化乳胶纳米粒子。
25.一种用于产生液相色谱和离子色谱用开管毛细管柱的方法，所述方法包括：
将从聚烯烃材料产生的毛细管的内表面暴露于包含氯磺酸的磺化试剂，以便磺化所述聚烯烃材料。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述磺化剂包含85wt％至95wt％的氯磺酸，并且将所述内表面暴露于所述磺化剂至多8小时。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括将所述毛细管的所述磺化内表面暴露于氯磺酸相容性的非水冲洗剂。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括用去离子水淋洗已冲洗和磺化的所述毛细管内表面。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括：
在暴露于所述冲洗剂之后，将所述磺化的毛细管内表面暴露于阴离子交换纳米粒子悬浮液，以便将所述阴离子交换纳米粒子静电结合到所述磺化的内表面。
30.根据权利要求27所述的方法，还包括：
在暴露于所述冲洗剂之后，将所述磺化的毛细管内表面暴露于不对称二胺胺化剂，以形成磺胺连接的胺基官能化内表面。
31.根据权利要求31所述的方法，其中所述不对称二胺胺化剂包括N-N-二甲基乙二胺。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括：
在暴露于所述胺化剂之后，将所述毛细管的所述内表面暴露于甲基化剂，以形成磺胺连接的季铵基官能化内表面。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述甲基化剂是甲基碘或硫酸二甲酯。
34.根据权利要求32所述的方法，还包括：
在暴露于所述胺化剂之后，将所述毛细管的所述内表面暴露于阳离子交换纳米粒子悬浮液，以便将所述阳离子交换纳米粒子静电结合到所述胺基官能化内表面。
35.一种用于液相色谱和离子色谱的开管毛细管柱，所述柱包括：
离子不可透性聚烯烃毛细管；
所述毛细管具有附带磺胺连接的胺基官能化内表面的孔。
36.根据权利要求35所述的开管毛细管柱，其中所述胺基官能化内表面提供季胺基。
37.根据权利要求35所述的开管毛细管柱，其中所述孔还包括静电结合到所述胺基官能化内表面的阳离子交换纳米粒子涂层。
38.根据权利要求37所述的开管毛细管柱，其中所述阳离子交换纳米粒子包括磺酸酯基官能化或羧酸酯基官能化乳胶纳米粒子。
39.根据权利要求37所述的开管毛细管柱，其中所述阳离子交换纳米粒子在所述胺基官能化内表面上形成单层。
40.根据权利要求35所述的开管毛细管柱，其中所述毛细管具有布置在所述孔的所述内表面下的磺酸酯基官能化区域。
41.根据权利要求35所述的开管毛细管柱，其中所述聚烯烃材料包括环烯烃聚合物。
42.根据权利要求41所述的开管毛细管柱，其中所述聚烯烃材料包括降冰片烯型环烯烃聚合物。
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