CN113019348B

CN113019348B - 一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法

Info

Publication number: CN113019348B
Application number: CN202110276451.8A
Authority: CN
Inventors: 张博; 刘娅
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2041-03-15
Also published as: CN113019348A

Abstract

一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，涉及色谱填料。1)毛细管液滴微流控平台的构建：将三通、毛细管、注射器和注射泵进行组合，以构建液滴微流控平台；2)液滴生成：将配制好的反应液作为分散相引入液滴微流控装置中，再用与之不互溶的连续相进行切割，生成单分散液滴；3)微球固化：液滴作为模板经固化后即得所述色谱填料。毛细管液滴微流控平台的搭建不需要光刻技术和超净间，通过毛细管以及三通的组合即可构建，大大节约成本，可稳定生成更小尺寸的液滴。可极大提高填料的均一度，而且通过调节反应液的化学组成来调节填料的固定相化学，通过调节液滴的尺寸和形貌来调节生成填料的尺寸与形貌，从而实现色谱填料的精准制造。

Description

一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法

技术领域

本发明涉及色谱填料，尤其是涉及一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法。

背景技术

随着生命科学的发展，人们对生命体系的研究日渐深入。特别是后基因组学时代的到来，人们的目光开始转向蛋白质组学和代谢组学。蛋白质组学和代谢组学样本极其复杂，对分离分析手段提出了极高的要求。高效液相色谱因其优良的分辨能力已成为复杂体系高分辨分离分析的理想选择。色谱填料是高效液相色谱的核心部分，其性质会直接影响到色谱分离的选择性与分辨率。

色谱填料的分离性能与填料的尺寸和单分散性直接相关。减小填料粒径可以减小范氏方程中的A项，从而提高色谱分离的分辨率，但是色谱柱的背压也会随之升高，从而对仪器提出非常高的要求；因此不能一味地减小填料的粒径。除了减小填料粒径外，还可以通过提高填料的单分散性来改善色谱分离性能。传统的填料制备工艺(包括溶胶-凝胶法、喷雾干燥法和微乳液法等)难以制备出单分散性均一的色谱填料，填料的尺寸分布范围在CV＝10-20％，从而降低填料的色谱分离性能；因此，制备具有优良单分散性的色谱填料成为迫切需求。

液滴微流控技术的发展为这一需求提供有力的支持。液滴微流控是微流控技术的一个重要分支，在过去的几十年中显著推动分析化学的发展。它利用不互溶的流体分别作为连续相和分散相，其中分散相在表面张力和剪切力的共同作用下分散到连续相内，可以高通量(高达20000Hz以上)生成具有精确体积和组成的微米级液滴，且液滴具有高度的单分散性(CV＝1-3％)；同时，液滴微流控技术还可单独控制每个液滴的运输、混合和分析，使其作为独立的微化学反应器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述，提供可实现色谱填料尺寸、形貌以及化学组成的精确控制，从而大大改善填料色谱分离性能的一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)毛细管液滴微流控平台的构建：将三通、毛细管、注射器和注射泵进行组合，以构建液滴微流控平台；

2)液滴生成：将配制好的反应液作为分散相引入液滴微流控装置中，再用与之不互溶的连续相进行切割，生成单分散液滴；

3)微球固化：单分散液滴作为模板经固化后即得所述色谱填料。

在步骤1)中，所述毛细管的材质可包括玻璃、熔融石英、不锈钢或聚合物等；

所述毛细管包括运输、生成和收集毛细管，其中生成和收集毛细管带针尖，毛细管针尖可在毛细管拉制仪或者丁烷火焰下拉制形成。

所述毛细管需进行疏水化处理，可用全氟试剂进行疏水化处理，如Aquapel、EGC-1720电子氟化液、1H,1H,2H,2H-全氟辛基二甲基氯硅烷等。

所述毛细管可选择单孔毛细管或多孔毛细管。

所述三通可采用商品化三通或基于芯片技术或3D打印技术制备的三通。

在步骤2)中，所述反应液可采用由四硅氧烷试剂组成的无机硅胶体系，或含有有机功能基团的硅氧烷单体组成的有机-无机杂化硅胶体系，或由单体、交联剂、致孔剂和引发剂组成的有机聚合物体系；所述由四硅氧烷试剂组成的无机硅胶体系，如四甲氧基硅完或四乙氧基硅烷。

所述连续相由与分散相不互溶的溶剂和表面活性剂组成；当分散相是水相时，连续相由油相和油溶性表面活性剂组成，如油相有烷烃油、硅油、氟化油等，油溶性表面活性剂有EM 90、Span 80、氟表面活性剂、两亲性双嵌段共聚物等；当分散相是油相时，连续相可由水和水溶性表面活性剂组成，水溶性表面活性剂有十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇等。

在步骤3)中，所述微球固化可通过热、光或伽马射线引发聚合。

所述液滴的尺寸、频率和形貌可由分散相与连续相的流速、毛细管微通道的尺寸与毛细管组合方式等参数控制；

所述色谱填料的尺寸和形貌由液滴控制，色谱填料的尺寸范围在1～1000μm之间，色谱填料形貌可为球形、椭球形、圆柱形等，填料内部结构可为无孔型、全多孔型、核-壳型等。

相比于传统的芯片微流控平台，毛细管液滴微流控平台的搭建不需要光刻技术和超净间，通过毛细管以及三通的组合即可构建，大大节约成本。此外，毛细管微流控装置可拆卸和重组装，玻璃毛细管具有更好的承压能力和耐溶剂腐蚀性能，适用范围更广。使用毛细管微流控平台生成的液滴与通道内壁无接触，可以稳定生成更小尺寸的液滴。在本发明中，首先构建基于毛细管的液滴微流控平台，将反应液作为分散相引入到液滴微流控装置中，再用与之不互溶的连续相进行切割，之后将生成的液滴作为模板经固化即可制备单分散色谱填料。此方法可极大提高填料的均一度，而且通过调节反应液的化学组成来调节填料的固定相化学，通过调节液滴的尺寸和形貌来调节生成填料的尺寸与形貌，从而实现色谱填料的精准制造。本发明基于毛细管液滴微流控的优势，可快速稳定的生成单分散色谱填料，而且可以很好的控制填料的尺寸、形貌和固定相化学，实现色谱填料的精准制造。本发明基于毛细管的液滴微流控平台，可以快速、简单的实现微通道的几何设计与液滴内容物的组成调控，实现色谱填料的结构和化学的精密控制。

附图说明

图1为毛细管液滴微流控平台的示意图。

图2为毛细管针尖的显微镜照片。

图3为高速CCD下拍摄的液滴生成实物图。

图4为实施例1中硼酸色谱微球电镜图。

图5为实施例1中硼酸微球对含有顺式二羟基化合物的识别色谱图。

图6为实施例2中杂化硅胶色谱微球的电镜图。

图7为实施例2中杂化硅胶色谱微球的色谱表征图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。需要指出：本发明并不局限于以下实施例。以下实施例中的任何技术特征和实施方案均为多种可选技术特征和多种可选实施方案中的一种或几种。为了描述简便需要，本发明实施例无法穷举本发明所包含的所有可替代技术特征和实施方案，因此本领域的技术人员应知晓，本实施例内的任何技术特征和实施方案均不限制本发明的保护范围，该保护范围包括所有本领域技术人员不付出创造性劳动所采取的任何替代技术特征和实施方案。具体来说，将本发明中的任意技术特征进行替换或将本发明提供的任意两个及以上技术特征进行相互组合所得到的实施方案均应在本发明的保护范围内。实施例中未注明具体技术和条件者，按照本领域内文献所描述的技术和条件或按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购得到的常规产品。

本发明实施例包括以下步骤：

(1)毛细管液滴微流控平台的构建：将三通、毛细管、注射器和注射泵进行组合，以构建液滴微流控平台；所述毛细管的材质可包括玻璃、熔融石英、不锈钢或聚合物等；所述毛细管包括运输毛细管、生成毛细管和收集毛细管，其中生成毛细管和收集毛细管带针尖，毛细管针尖可在毛细管拉制仪或者丁烷火焰下拉制形成。所述毛细管需进行疏水化处理，可用全氟试剂进行疏水化处理，如Aquapel、EGC-1720电子氟化液、1H,1H,2H,2H-全氟辛基二甲基氯硅烷等。所述毛细管可选择单孔毛细管或多孔毛细管。所述三通可采用商品化三通或基于芯片技术或3D打印技术制备的三通。

(2)液滴生成：将配制好的反应液作为分散相引入液滴微流控装置中，再用与之不互溶的连续相进行切割，生成单分散液滴；所述反应液可采用由四硅氧烷试剂组成的无机硅胶体系，或含有有机功能基团的硅氧烷单体组成的有机-无机杂化硅胶体系，或由单体、交联剂、致孔剂和引发剂组成的有机聚合物体系；所述由四硅氧烷试剂组成的无机硅胶体系，如四甲氧基硅完或四乙氧基硅烷。所述连续相由与分散相不互溶的溶剂和表面活性剂组成；当分散相是水相时，连续相由油相和油溶性表面活性剂组成，如油相有烷烃油、硅油、氟化油等，表面活性剂有EM 90、Span 80、氟表面活性剂、两亲性双嵌段共聚物等；当分散相是油相时，连续相可由水和水溶性表面活性剂组成，水溶性表面活性剂有十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇等。

(3)填料微球固化：液滴在一定条件下固化形成填料微球。所述固化可通过热、光或伽马射线引发聚合。所述液滴的尺寸、频率和形貌可由分散相与连续相的流速、毛细管微通道的尺寸与毛细管组合方式等参数控制；所述填料微球的尺寸和形貌由液滴控制，填料微球的尺寸范围在1～1000μm之间，填料形貌可为球形、椭球形、圆柱形等，填料内部结构可为无孔型、全多孔型、核-壳型等。

以下给出具体实施例。

实施例1：基于毛细管液滴微流控技术的硼酸微球制备方法

1、分散相与连续相的配置

分散相：先配制硅烷水解液，混合360μLTMOS、400μLGPTMS、1mL 0.01M乙酸和50μLPEG 200，于冰水浴下搅拌1h后混合10mg APBA和250μL水解液，即完成分散相的制备。

连续相：混合正十六烷和10wt％的EM90作为连续相。

2、毛细管液滴微流控平台的构建

毛细管液滴微流控平台构建主要分为以下几步：(1)毛细管针尖的拉制：毛细管针尖在丁烷火焰上进行拉制，先在火焰的外焰处将毛细管拉细，再在内焰处将毛细管拉断，即可形成毛细管针尖，如图2所示。用此方法分别对75μm和150μm内径的毛细管进行拉制，形成的针尖内径分别为15μm和25μm左右。(2)疏水性处理：分别对带针尖的毛细管和530μm ID×690μm OD的毛细管用Aquapel进行疏水性处理，防止水溶性分散相液滴黏附在毛细管内壁。(3)装置搭建：按图1的方式搭建装置，其中75μm内径带针尖的毛细管作为运输分散相的管路，而且针尖作为产生液滴的端口；150μm内径带针尖的毛细管作为接收液滴的管路；530μmID×690μm OD的毛细管用来运输连续相；三通起连接毛细管的作用；注射器作为分散相和连续相的储液槽。(4)将装置放置到倒置显微镜上，并调节装置的位置，使两个毛细管尖端的水平位置和垂直位置都对齐。(5)用注射泵将注射器内的分散相和连续相推入装置内，调节分散相和连续相流量，使能稳定的生成单分散性良好的液滴，生成液滴的实物图如图3所示。

3、液滴固化生成微球

将生成的液滴收集到离心管内，并分别于40℃和80℃固化反应12h，再分别用己烷和甲醇超声清洗生成的微球，并于扫描电子显微镜下观测生成微球的形貌、尺寸和粒径分布，如图4所示。

4、色谱表征

用优化好的毛细管液滴微流控平台和水解液化学体系生成7.6μm粒径的硼酸微球，再通过高压匀浆填柱技术制备8cm长、150μm内径的毛细管色谱柱，并对含有顺式二羟基的小分子化合物进行识别，色谱图如图5所示。

实施例2：基于毛细管液滴微流控技术的杂化硅胶微球制备方法

1、分散相与连续相的配置

分散相：223μL TMOS、378μL BTME、1.5mL 0.01M乙酸、100μL PEG 200和0.16g尿素，于冰水浴下搅拌1h；

连续相：混合正十六烷和10wt％的EM90作为连续相。

2、液滴生成

按实施例1的方式构建毛细管液滴微流控平台，并生成单分散液滴。

3、液滴固化生成微球

将生成的液滴收集到离心管内，于40℃反应14h固化，之后升温至120℃反应7h使尿素分解。再分别用己烷和甲醇超声清洗生成的微球。

4、微球煅烧

对生成的微球进行高温煅烧以增加它的机械强度，煅烧程序为：0～60min，25～220℃；360min，300℃；420min，300℃；720min，600℃；1080min，600℃；之后缓慢降至室温，煅烧后微球电镜图如图6所示。

5、键合固定相

使用高压匀浆法制备毛细管色谱柱，并对毛细管进行干燥处理；配制10％(V/V)的三氯十八烷基硅烷/无水甲苯溶液，之后将此溶液压入毛细管色谱柱中，并在70℃条件下键合，之后用无水甲苯和甲醇冲洗毛细管色谱柱，将反应液冲洗干净。

6、色谱表征

在Ultimate 3000纳流液相色谱系统上对毛细管色谱柱的分离性能进行表征：以60％ACN作为流动相，硫脲和苯的同系物作为分析物，用4nL的手动进样阀进行小体积进样，并在214nm波长下进行检测；其中硫脲作为死时间标记物以测定分离过程中流动相的线速度，苯系物作为柱效评价的样品，色谱图如图7所示。

Claims

1.一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）毛细管液滴微流控平台的构建：将三通、毛细管、注射器和注射泵进行组合，以构建液滴微流控平台；所述毛细管的材质包括玻璃、熔融石英、不锈钢或聚合物；

所述毛细管分为运输毛细管、生成毛细管和收集毛细管，其中生成毛细管和收集毛细管带针尖，毛细管针尖在毛细管拉制仪或者丁烷火焰下拉制形成；

所述毛细管先进行疏水化处理，所述疏水化处理采用全氟试剂进行疏水化处理，所述全氟试剂包括Aquapel、EGC-1720电子氟化液、1H,1H,2H,2H-全氟辛基二甲基氯硅烷中的至少一种；

所述毛细管采用单孔毛细管或多孔毛细管；

所述三通采用商品化三通或基于芯片技术或3D打印技术制备的三通；

2）液滴生成：将配制好的反应液作为分散相引入液滴微流控装置中，再用与之不互溶的连续相进行切割，生成单分散液滴；

3）微球固化：液滴作为模板经固化后即得所述色谱填料。

2.如权利要求1所述一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述反应液采用由四硅氧烷试剂组成的无机硅胶体系，或含有有机功能基团的硅氧烷单体组成的有机-无机杂化硅胶体系，或由单体、交联剂、致孔剂和引发剂组成的有机聚合物体系；所述由四硅氧烷试剂组成的无机硅胶体系，选自四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷。

3.如权利要求1所述一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述连续相由与分散相不互溶的溶剂和表面活性剂组成；当分散相是水相时，连续相由油相和油溶性表面活性剂组成；当分散相是油相时，连续相由水和水溶性表面活性剂组成。

4.如权利要求3所述一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，其特征在于所述油相为烷烃油、硅油、氟化油中的一种，所述油溶性表面活性剂选自EM 90、Span 80、氟表面活性剂、两亲性双嵌段共聚物中的一种；所述水溶性表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇中的一种。

5.如权利要求1所述一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述微球固化是通过热、光或伽马射线引发聚合。

6.如权利要求1所述一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述液滴的尺寸、频率和形貌由分散相与连续相的流速、毛细管微通道的尺寸与毛细管组合方式控制。

7.如权利要求1所述一种基于毛细管液滴微流控的色谱填料制备方法，其特征在于所述色谱填料的尺寸范围为1～1000 µm，色谱填料形貌为球形、椭球形或圆柱形，填料内部结构为无孔型、全多孔型或核-壳型。