CN109865507B

CN109865507B - 一种硅胶基质表面修饰方法及其应用

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Publication number: CN109865507B
Application number: CN201711268323.9A
Authority: CN
Inventors: 张丽华; 朱旭东; 梁玉; 杨开广; 李洋; 梁振; 张玉奎
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: CN109865507A

Abstract

一种硅胶基质表面修饰方法及应用，所述的硅胶基质表面修饰方法是基于五元杂环硅烷化试剂具有不稳定的杂环结构，与硅羟基水解开环，反应活性高，显著提高键和密度。另外开环的杂原子形成亲水基团，有效避免未反应硅羟基对于分析物的非特异性吸附。与传统的氯硅烷修饰相比，本发明的硅胶基质表面修饰方法键和效率高，反应条件温和，不存在交联，能够保证硅胶的孔结构，因而制备的色谱固定相有效地改善分离效率，能够广泛用于碱性分析物和生物样品的分离。

Description

一种硅胶基质表面修饰方法及其应用

技术领域

本发明涉及功能化材料及分离分析领域，包括具有不同疏水性的色谱填料及制备方法和在色谱分离领域的应用。

背景技术

液相色谱技术是分析化学学科的一个重要分支，近年来发展日趋成熟(Olives,A.I.,Trends in Anal.Chem.,2015,64:17-28；Fekete,S. Trends in Anal.Chem.,2014,63:2-13)。其分离原理为样品分散于流动相中，由压力或者电压驱动经过固定相，基于不同样品在流动相和固定相间具有不同的分配系数导致其保留时间不同，从而实现样品的分离。由于其高效和快速的特点，该技术被广泛应用于不同的研究领域，例如制药，生命科学，环境分析和食品安全等(Maurer,H.H.,J Chromatogr.A,2013,1292:19-24；Haun,J.,Anal.Chem.,2013,85 (21):10083-10090)。

色谱填料的发展始终是色谱技术发展的核心，根据色谱填料基质，可分为：硅胶基质和聚合物基质填料，其中硅胶基质的填料具有表面积大，通孔和介孔尺寸可以独立调控，且机械强度高，柱效高等优势，因而具有很广泛的应用(Wang,Y.,J Chromatogr.A,2012,1228: 99-109)。根据填料的保留机理，色谱填料可以分为反相，亲水，阳离子和阴离子交换，亲和和排阻色谱填料等；这其中应用最广泛的是硅胶基质微球。反相色谱具有分离分析物种类广、质谱兼容性好等特点，因而被广泛应用于不同的研究领域，例如制药，生命科学，环境分析和食品安全等领域。但是目前使用的反相硅胶基质填料残留的硅羟基显著影响了其柱效，例如碱性化合物峰拖尾、生物样品非特异性吸附等。因而亟待发展一种键和方式，弥补现有填料的不足。

传统反相填料的制备方法是通过碳十八氯硅烷在无水甲苯中回流键和，另外采用甲基氯硅烷进行封尾。该方法中使用的氯硅烷活性高，特别容易与溶剂中的活泼氢发生水解反应，而水解后的硅烷化试剂形成寡聚链，堵塞硅胶表面孔道。同时，生成的HCl也会影响硅胶稳定性。五元杂硅烷具有不稳定的五元环结构，另外Si-N键键能低，极易断裂，因而可用于硅胶高效键和(Dokyoung K.,J.Am.Chem. Soc.2016,138,15106-15109)。通过置换开环，无HCl形成，且开环后的分子带有氨基，在硅胶表面形成亲水层，避免分析物与硅羟基的接触，因而有效避免分析物的非特异性吸附。同时，硅烷化试剂含有的双键可点击不同疏水性的固定相，用于各种极性分析物的高效分离。

发明内容

针对传统硅胶键和存在的键和效率低、材料硅羟基对于样品非特异性的问题，提出一种硅胶基质表面修饰方法。基于五元杂环硅烷化试剂具有不稳定的杂环结构，易与硅羟基水解开环，反应活性高，显著提高键和密度。开环的杂原子形成亲水基团，有效避免未反应硅羟基对于分析物的非特异性吸附。另外利用“巯基-双键”点击化学反应，在其表面修饰不同疏水性的官能团，实现不同分析物的高效分离。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于五元杂环硅烷易与硅羟基水解开环，提高硅羟基键和密度。然后在材料表面点击不同固定相，制备具有不同疏水性的色谱填料，并用于生物样品的分离分析。

所述的具有不同疏水性的色谱填料，具体制备步骤如下：

(1)硅胶表面活化：将硅胶分散于pH<2的酸液中，搅拌下恒温回流5～24h；然后蒸馏水洗至中性；最后干燥。

(2)硅烷化试剂高密度键和：将活化的硅胶分散于溶液中，该溶液由硅烷化试剂和无水有机溶剂组成；

无水有机溶剂包括苯、甲苯、苯甲醚、二苯醚、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳及四氢呋喃中的一种或两种以上；硅烷化试剂包括2,2,4-三甲基-1-硫杂-2-硅杂环戊烷、2,2-二乙氧基-1-硫杂-2-硅杂戊烷、N,N- 丁基-氮杂-2，2-二乙氧基硅杂戊烷、N-丙烯基-氮杂-2，2-二甲氧基硅杂戊烷、N-(2-胺乙基)-2,2,4-三甲基-1-氮杂-2-硅杂戊烷、N-甲基-氮杂 -2,2,4-三甲基硅杂戊烷、2,2-二甲氧基-1-硫杂-2-硅杂戊烷中的一种或两种以上。

溶液中硅烷化试剂的含量为1～20％(v/v)；溶液在0-50℃恒温下，搅拌1-24h。

(3)点击反应：点击反应的溶液包括引发剂、有机溶剂、巯基单体；有机溶剂包括乙酸乙酯、丙酮、二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇中的一种及两种以上；巯基单体包括谷胱甘肽、巯基乙醇、丁基硫醇、辛硫醇、十八烷基硫醇中的一种及两种以上。

点击化学反应的溶液中巯基单体含量为1/1000～1/100；引发剂与单体的摩尔比为1％-10％。

(4)所述方法制备获得的具有不同疏水性的色谱填料，能够广泛用于碱性分析物及生物样品的分离分析。

本发明具有如下优点：

1.本发明采用五元杂环硅烷键和硅胶，键和密度高，且硅烷化试剂本身不交联，可保持硅胶的孔结构。

2.本发明制备的色谱材料表面具有亲水基团，有效降低硅羟基非特异性吸附。

3.本发明制备的杂化介孔材料，在材料表面和骨架内部具有丰富的双键，显著提高固定相键和密度；可点击具有不同疏水性的固定相，从而使涂层多功能化。

附图说明

图1反相C18色谱填料制备流程图；

图2硅胶表面ζ电势随键和时间的变化；

图3硅胶键和前后SEM对比；

图4反相C18色谱填料热重分析图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明提供的方法进行详述，但不以任何形式限制本发明。

实施例1

1、反相C18色谱填料制备

如图1所示，按如下流程制备：

(1)硅胶表面活化：将1g硅胶分散于1M盐酸中，搅拌下恒温回流12h；然后蒸馏水洗至中性；最后70℃下干燥。

(2)硅烷化试剂高密度键和：将活化的硅胶分散于50％N-丙烯基-氮杂-2，2-二甲氧基硅杂戊烷的二氯甲烷溶液(v/v)；25℃恒温下，搅拌时间为2h。

(3)点击反应：准确称取硅胶20mg，3mg AIBN、20mg巯基碳十八、750μL乙醇，混合均匀后，60℃恒温反应12h。反应完成后，乙醇冲洗1h，过滤，50℃干燥，即制得经修饰的反相C18色谱填料。

2、键和时间对于键和密度的影响

为了提高键和密度，首先考察键和时间对于键和效率的影响，制备方法如1，将键和时间分别控制为0.5h、1h、2h、3h、5h，采用ζ电势对键和密度进行表征。

如图2所示，原始硅胶的电势为-60mV，反应1h后，电势达到+60 mV，充分说明环硅烷的反应速度快、效率高。

3、硅烷化试剂键和对于孔结构的影响

填料表面的孔对色谱分离起着至关重要的作用，因而需要保持填料的孔径。制备方法如实例1，键和时间为2h，采用SEM对制备的填料进行表征。

如图3所示，环硅烷键和前后，硅胶并未发生粘连，很好的保持填料表面的孔结构。

4、热重分析固定相制备过程

按照实施例1制备C18反相填料，每步键和反应均采用热重分析进行表征(如图4)。

实施例2

如图1所示，按如下流程制备反相C18色谱填料：

(1)硅胶表面活化：将硅胶分散于1M硫酸中，搅拌下恒温回流12h；然后蒸馏水洗至中性；最后70℃下干燥。

(2)硅烷化试剂高密度键和：将活化的硅胶分散于50％N-丙烯基-氮杂-2，2-二甲氧基硅杂戊烷的二氯甲烷溶液(v/v)；25℃恒温下，搅拌一定时间。

(3)点击反应：准确称取硅胶20mg，3mg AIBN、20mg HSC₁₈、 750μL乙醇，混合均匀后，60℃恒温反应12h。反应完成后，乙醇冲洗1h。

上述流程制备的色谱填料，与实施例1中制备的材料具有相近的键和效率，ζ电势达到63±0.5mV。

实施例3

如图1所示，按如下流程制备反相C18色谱填料：

(1)硅胶表面活化：将硅胶分散于1M盐酸中，搅拌下恒温回流12h；然后蒸馏水洗至中性；最后70℃下干燥。

(2)硅烷化试剂高密度键和：将活化的硅胶分散于30％N-丙烯基-氮杂-2，2-二甲氧基硅杂戊烷的二氯甲烷溶液(v/v)；25℃恒温下，搅拌一定时间。

(3)点击反应：准确称取硅胶20mg，3mg AIBN、20mg HSC₁₈、750μL乙醇，混合均匀后，60℃恒温反应12h。反应完成后，乙醇冲洗1h。

上述流程制备的色谱填料，与实施例1中制备的材料具有相近的键和效率，ζ电势达到60±2mV。

实施例4

如图1所示，按如下流程制备反相C18色谱填料：

(2)硅烷化试剂高密度键和：将活化的硅胶分散于50％N-丙烯基-氮杂-2，2-二甲氧基硅杂戊烷的二氯甲烷溶液(v/v)；30℃恒温下，搅拌一定时间。

上述流程制备的色谱填料，与实施例1中制备的材料具有相近的键和效率，ζ电势达到63±0.8mV。

实施例5

如图1所示，按如下流程制备反相C18色谱填料：

(3)点击反应：准确称取硅胶20mg，3mg AIBN、15mg HSC₁₈、 750μL乙醇，混合均匀后，60℃恒温反应12h。反应完成后，乙醇冲洗1h。

上述流程制备的色谱填料，与实施例1中制备的材料具有相近的键和效率，ζ电势达到64±0.7mV。

Claims

1.一种硅胶基质表面修饰方法，其特征在于：

（1）使用酸活化硅胶，暴露更多的硅羟基；

（2）基于杂环硅烷化试剂高反应活性，用于硅胶键和；

（3）采用点击反应制备具有不同疏水性的色谱固定相；

步骤（2）硅烷化试剂高密度键和：将步骤（1）中活化的硅胶分散于反应溶液中，完成反应后清洗干燥，反应溶液由硅烷化试剂和无水有机溶剂组成；

无水有机溶剂包括苯、甲苯、苯甲醚、二苯醚、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳及四氢呋喃中的一种或两种以上；

硅烷化试剂包括2,2,4-三甲基-1-硫杂-2-硅杂环戊烷、2,2-二乙氧基-1-硫杂-2-硅杂戊烷、N, N-丁基-氮杂-2，2-二乙氧基硅杂戊烷、N-丙烯基-氮杂-2，2-二甲氧基硅杂戊烷、N-(2-胺乙基)-2,2,4-三甲基-1-氮杂-2-硅杂戊烷、N-甲基-氮杂-2,2,4-三甲基硅杂戊烷或2,2-二甲氧基-1-硫杂-2-硅杂戊烷中的一种或两种以上。

2.按照权利要求1所述的一种硅胶基质表面修饰方法，其特征在于：步骤1中所述硅胶表面活化：将硅胶分散于pH 0~2的酸液中，搅拌下恒温回流5~24 h；然后用蒸馏水洗至中性后干燥，所述干燥温度为50~120℃。

3.按照权利要求2所述的一种硅胶基质表面修饰方法，其特征在于：所述酸液包括硫酸、盐酸、硝酸或醋酸中的一种或者两种以上。

4.按照权利要求1所述的一种硅胶基质表面修饰方法，其特征在于：溶液中硅烷化试剂的含量为1~60%（v/v）。

5.按照权利要求1所述的一种硅胶基质表面修饰方法，其特征在于：步骤（2）中溶液在0-50℃恒温下，搅拌1-24 h。

6.按照权利要求1所述的一种硅胶基质表面修饰方法，其特征在于：

步骤3点击反应：将步骤（2）中键合后的得到的硅胶分散在点击反应溶液中，0-80℃恒温下，搅拌1-24 h后，过滤，在50~120℃下干燥得到具有不同疏水性的色谱固定相；

点击反应的溶液包括引发剂、有机溶剂、巯基单体；

有机溶剂包括乙酸乙酯、丙酮、二甲基甲酰胺、乙醇或甲醇等中的一种或两种以上；

所述引发剂为AIBN或DMPA中的一种或两种；

巯基单体包括谷胱甘肽、巯基乙醇、丁基硫醇、辛硫醇或十八烷基硫醇等中的一种或两种以上。

7.按照权利要求6所述的制备方法，其特征在于：点击化学反应的溶液中巯基单体含量为1/1000~1/100（w/w）；引发剂与巯基单体的摩尔比为1%-10%。

8.一种上述任一权利要求制备的具有不同疏水性的色谱固定相。

9.一种权利要求8所述的色谱固定相的应用，其特征在于，具有不同疏水性的色谱填料，用于碱性分析物及生物样品的分离分析。