CN1213799C - 有序介孔硅胶整体柱及其制法和用途 - Google Patents

Abstract

一种有序介孔硅胶整体柱材料，该整体柱材料由相互交联的硅胶骨架和相互贯穿的通透孔道构成，硅胶骨架表面有骨架孔，骨架孔排列有序且具有规整结构。该整体柱材料由溶胶-凝胶(sol-gel)技术制得，具体方法是：在能够形成有序结构的添加剂存在下，硅溶胶围绕添加剂脱水缩聚，添加剂的有序结构充当了骨架孔的模板，后处理过程中将之去除后便可获得有序结构的骨架孔。同时添加剂的存在诱导体系相分离，而得到相互交联、相互贯穿的氧化硅聚集体富集相和溶剂富集相，二者经过后续处理便形成相互交联的硅胶骨架和相互贯穿的通透孔道。该整体柱材料由于其特殊的整体结构和有序的中孔结构，在分离领域、催化领域表现出极大的应用潜能。

Description

有序介孔硅胶整体柱及其制法和用途

技术领域

本发明涉及一种有序介孔硅胶整体柱及其制法和用途。

背景技术

高效液相色谱(High-performance liquid-chromatography，HPLC)是20世纪70年代以来发展最快的分离分析手段，它主要基于不同样品与流动相和固定相之间作用力不同而得到分离，这些作用可以是分配、吸附、离子交换等等。根据这些作用的不同，液相色谱大致可分为以下几类；分配色谱、吸附色谱、离子交换色谱、亲合色谱等等，不同的色谱模式可用于不同的样品体系，可根据样品的特性选择不同的色谱类型及操作模式，具有广泛的适用性，应用于多种物质的分离，如高沸点、强极性、离子性、热不稳定性化合物的分离，具有生物活性物质的分离，大分子的分离等等。据估计，70％以上的不挥发性化合物，均可用高效液相色谱分离分析。鉴于其广泛的适用性、良好的选择性，高的柱效，目前广泛应用于生化、医学、药学、化学化工、食品卫生、环保检测、商检和法检等领域。

在液相色谱系统中，决定分析结果和分离程度好坏的核心部件是色谱柱，目前色谱柱常用固定相可分为有机基质和无机基质两大类。有机基质固定相主要有：聚羟基甲基丙烯酸丙酯(PHAM)、聚乙烯醇(PVA)等亲水性聚合物；聚苯乙烯-二乙烯基苯交联共聚物(PS-DVB)、聚甲基丙烯酸酯等疏水性聚合物或烷基配体改性PS-DVB、PHAM、HEMA、PVA等；葡聚糖、琼脂糖、纤维素、等软胶。无机基质主要有：氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化铈、氧化钍、氧化镁等无机氧化物及复合无机氧化物、分子筛、羟基磷灰石、碳等。

有机基质固定相制备简单，化学稳定性好，表面性质均匀，具有良好的生物相容性，常用于蛋白质、氨基酸的分离纯化，然而该类固定相机械强度不高，耐溶剂性能差，耐高温性能较差，微生物存在时易降解，使用过程中易发生溶胀、变形，导致柱效下降、柱压升高，柱寿命较低。与有机基质固定相相比，无机基质固定相结构致密，机械强度高，耐高压，溶胀性小、耐溶剂性能好，稳定性好，应用更为广泛。

在无机基质固定相中，不同的基质材料具有不同的表面性能，适用于不同的分离对象，如氧化锆常用于碱性样品的分离，氧化钛用于蛋白质的分离，石墨碳用于异构体的分离。这些材料由于其特异的表面性质，往往对特定的物质分离效果较好，不具有普遍的适应性，相对而言，氧化硅(硅胶)应用更为广泛。

氧化硅表面性质简单，无晶格缺陷，能量均匀分布，能有效避免固定相与样品的非特异作用而造成的柱效低下。另外，硅胶表面存在丰富的硅羟基，易参加键合反应，利于表面改性，以适应不同的分离对象，如键合长链烷基用于分离疏水性化合物，键合短链烷基用于分离蛋白质，而键合多羟基化合物则可以实现糖类物质的分离。总之，就目前液相色谱而言，硅胶和改性硅胶是应用最广泛的固定相，也是最成熟的固定相。

硅胶用做液相色谱固定相，其形状、几何尺寸、孔结构以及孔径大小是影响色谱柱效的关键因素。早期的液相色谱常采用无定形硅胶为固定相。无定形硅胶受其外形限制，无法紧密填充，同时颗粒的不规整导致颗粒间缝隙的杂乱无章，导致涡流扩散严重，从而柱效低下，样品分离困难。随着科学技术的进步，球形硅胶被广泛合成，并应用于液相色谱。球形硅胶为色谱柱的均匀紧密填充奠定了基础，为增高柱效提供了保证。早期使用的球形硅胶粒径大约在30～50μm，由于其尺寸过大，空隙较深，过深的孔隙造成样品传质路径的过长，传质速率慢，色谱峰宽，柱效低；颗粒尺寸的降低能有效降低孔隙深度，减少流动相与固定相之间的传质阻力，从而大幅度提高柱效，因此色谱填料粒径尺寸趋子小型化发展。然而颗粒粒度并不能无限缩小，小的颗粒粒度往往引起高的柱压降，对色谱仪器提出了更高的要求。目前普遍使用的液相色谱，其泵压上限大多在50MPa，无法满足小颗粒尺寸色谱柱的压力需求。鉴于柱压与色谱柱长度成反比，在采用小粒度色谱填料时，常采用较短的色谱柱以弥补泵压的不足，然而这样一来，单根色谱柱柱效并没有显著提高。因此，目前广泛使用的色谱柱填料其粒度尺寸大都介于5～10μm。

除填料的形状、粒度尺寸影响色谱柱效外，填料表面孔的结构、大小也对之有深刻影响。表面孔的存在能有效增加固定相的比表面，提供与样品更多的作用位点，增加分离选择性，因此色谱填料常为多孔结构。适宜的色谱填料其孔结构应当是孔径大小适中、分布窄、孔隙深度浅。不同的分离对象对孔径要求不同，如小分子的分离常选用孔径10nm左右的填料，而大分子蛋白质的分离则要求孔径尺寸在30nm以上。孔径大小应当与样品的扩散传质速率相匹配，太大虽然有利于传质，但引起比表面下降，造成分离选择性降低；太小则不利于传质，导致柱效较低。除孔径尺寸外，孔径分布对色谱柱效也至关重要，孔径分布窄，则样品在各个孔中的传质速率一致，色谱峰对称，柱效较高；孔径分布宽，样品在不同的孔中传质速率不同，在小孔中存在滞后效应，色谱峰拖尾，柱效较低，因此孔径分布越窄越好。

目前广泛使用的液相色谱填料对颗粒尺寸、孔径大小、孔径分布进行了行之有效的控制，如5μm左右的硅胶可以提供80000-100000plate/m的柱效，能满足普通样品分离的需求，而随着生物化学、组合合成化学等其他学科的发展，对液相色谱系统提出了更高的要求，液相色谱系统必须能够同时提供高柱效和高样品通透量以与之适应。传统的液相色谱填料由于流动相与固定相之间的传质为扩散传质，传质速率较慢，流动相的流速必须与之相匹配，才能提供高的柱效，若流动相流速较高，而传质速率却较慢，则色谱峰宽，柱效低，同时流动相流速的提高会增加柱压，降低仪器及色谱柱的使用寿命。因而传统的色谱柱虽然能够提供较高的柱效，却无法提供高的样品通透量，分离效率较低。新一代的液相色谱固定相---整体柱固定相由于其独特的柱体结构，能实现高流速下的高柱效，为生物化学、组合合成化学等的发展提供了契机。

20世纪90年代Nakanishi等率先采用溶胶-凝胶技术合成了硅胶整体柱，并用于液相色谱。其合成路线如下：将硅酸酯、催化剂、水、聚乙二醇(或聚乙烯醇)混合，在催化剂作用下，硅酸酯水解、缩聚，形成二氧化硅交联骨架网络，而体系中的其他组分填充在网络间隙间，经过后续烘干、灼烧处理形成通透孔道，连续的硅胶骨架及贯穿的通透孔道即为硅胶整体柱。采用此种方法合成的整体柱材料，其骨架表面的孔一般较小，应用于色谱时不利于传质，因而需要经过扩孔处理。不同浓度氨水腐蚀硅胶骨架一定时间，骨架表面发生溶解—再沉积化学变化，孔径增大，为快速传质提供基础。整体柱中通透孔及二氧化硅骨架的大小可通过选择合适的反应物组成来进行调节；而整体柱的中孔结构及比表面大小可通过对氨水浓度的控制而得到控制；因而，整体柱的整个柱床结构可以单独调控以满足不同的实际应用。

整体柱这种双孔分布的特殊结构，决定了其卓越的色谱性能。通透孔的存在使得整体柱的孔隙率大大增加，从而流动相的高流速并不会导致高的柱压降，意味着色谱分离可以在高流动相流速下完成；同时通透孔的存在也允许流动相直接流经整体柱内部，实现了对流传质。与普通颗粒性填料扩散传质相比较，对流传质的速度大大提高，样品可以在流动相和固定相间快速分配平衡，无滞后效应，因而流动相流速的提高，并不会造成柱效的下降，即实现了高流速下高柱效。整体柱的出现加快了传统的分离分析速度，单位时间内样品的处理能力得到了极大提高，为生命科学、组合合成化学等的发展奠定了基础。

整体柱相对于填料柱的优势是不言而喻的，如何简便迅速的制备整体柱便成为亟待解决的问题。Nakanishi等制备整体柱的方法虽然行之有效，其步骤却过于繁琐，柱床必须经过碱液腐蚀才能获得适宜的中孔，而碱液腐蚀会导致孔结构杂乱，孔径分布变宽，进而造成传质的不均一性，损害柱效。

发明内容

本发明就是针对上述不足，提出了一种全新结构的硅胶整体柱即有序介孔硅胶整体柱及其制法和用途，所得整体柱可避免碱液腐蚀而导致的孔分布变宽，有利于提高色谱柱效。

本发明提供的技术方案是：一种有序介孔硅胶整体柱，该整体柱由穿透孔和氧化硅骨架构成，在氧化硅骨架表面和/或内部有骨架孔，骨架孔排列有序。

上述整体柱中穿透孔相互交联，形成通透结构，穿透孔孔径介于0.1μm～20μm。

上述整体柱中氧化硅骨架相互交联，形成连续的骨架结构，其结构可为片状、球形或棒状，其大小为0.5μm～20μm。

上述整体柱中硅胶表面和/或内部的骨架孔的排列呈六方或立方等有序规整结构，骨架孔孔径大小介于2nm～500nm。

本发明还提出了上述有序介孔硅胶整体柱的合成方法：在20～80℃，pH值为1～12的条件下，含有能形成有序结构的添加剂的体系中，硅溶胶以添加剂为模板，围绕其发生缩聚反应，随着缩聚反应的进行，添加剂诱导体系发生相分离而形成硅胶富集相和溶剂富集相，二者彼此相互贯穿形成双连通结构，经过老化、洗涤、干燥、灼烧等后续处理即可得到交联的硅胶骨架和贯穿的通透孔道，而有序的添加剂模板也在洗涤、灼烧等过程中被去除，从而留下有序的介孔结构，即得有序介孔硅胶整体柱。

上述添加剂是在溶液体系中能形成有序结构的物质，可以是单种物质，聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯嵌段共聚物如Pluronic F127(EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆)、Pluronic P123(EO₂₀-PO₇₀-EO₂₀)等，也可以是多种物质，如聚乙二醇和季胺盐阳离子的混合物。

上述硅溶胶由正硅酸酯、氯硅烷水解、部分水解、缩聚、部分缩聚所得。

上述干燥温度为30～80℃，灼烧温度为280～600℃。

本发明的整体柱可用作液相色谱固定相、毛细管电色谱固定相、催化剂或催化剂载体。

本发明以硅溶胶、在溶液中可形成有序结构的添加剂、水、催化剂为原料，采用溶胶-凝胶(sol-gel)技术，并充分利用添加剂既能形成有序结构又同时可以诱导相分离的双重功能，合成了有序介孔硅胶整体柱。添加剂形成的有序结构充当中孔模板，在后续处理中去除后便得到中孔结构，通过选择不同的添加剂可以得到不同形状的中孔结构，如采用F127可以得到立方结构的中孔。通过调整添加剂的量，让其在体系中形成不同尺寸的模板结构，则可以获得适度大小的中孔尺寸。采用这种方式得到的中孔，孔径有序，大小均一，避免了碱液腐蚀而导致的孔分布变宽，更有利于提高色谱柱效，同时步骤也更为简单。本发明由于其特殊的整体结构和有序的中孔结构，在分离领域、催化领域表现出极大的应用潜能。通过在表面键合或涂覆不同的反应基团，应用于不同的分离对象，如键合十八烷基，用于疏水性化合物的分离的分离，键合杯芳烃、环糊精用于手性化合物的拆分，表面涂覆碳用于位置异构体的分离等。

具体实施方式

实施例1：有序介孔硅胶整体柱的合成

1.08g F127溶于10ml pH2.0醋酸液，向其中滴加5ml三甲氧基氯硅烷，冰浴下剧烈搅拌，待溶液混合成均匀一相，放入烘箱40℃反应36h，冷却后取出，室温老化72h，待其自然干燥并具有一定机械强度，用水洗出有机物模板F127，尔后小心烘干，放置马弗炉中，从40℃以2℃/min程序升温至500℃并保温3h，取出即得有序介孔硅胶整体柱。扫描电镜显示硅骨架大小约2μm，贯穿孔大小约5μm，孔径测定仪表明骨架孔孔径大小平均为9.34nm，透射电镜显示孔呈立方结构，有序排列。

实施例2：有序介孔硅胶整体柱的合成

1.00g聚乙二醇和0.24g十六烷基三甲基溴化胺溶于10ml pH10.5氨水，向其中滴加4.5ml正硅酸甲酯，冰浴下剧烈搅拌，待溶液混合成均匀一相，放入烘箱25℃反应36h，冷却后取出，室温老化96h，待其自然干燥并具有一定机械强度，用水洗出有机物模板聚乙二醇和十六烷基三甲基溴化胺，尔后小心烘干，放置马弗炉中，从40℃以2℃/min程序升温至350℃并保温3h，取出即得有序介孔硅胶整体柱。扫描电镜显示硅骨架大小约4μm，贯穿孔大小约3μm，孔径测定仪表明骨架孔孔径大小平均为13.30nm，透射电镜显示孔呈六角形有序排列。

实施例3：有序介孔硅胶整体柱用于疏水性化合物的分离

整体柱表面键合十八烷基基团：5mol/L盐酸清洗本发明的整体柱柱床2h后，二次水清洗至中性，充分干燥后，浸泡在5.0ml十八烷基三乙氧基硅烷和50ml甲苯的混合液中，氮气气氛下回流10h，而后依次用甲苯、甲醇洗涤。以此整体柱为固定相，以甲醇/水(85/15，v/v)为流动相，流速5ml/min，苯、甲苯、乙苯、丙苯3min内达到基线分离；以甲醇/水(60/40，v/v)为流动相，流速为3ml/min时，对甲基苯胺，萘胺和联苯胺2min内达到基线分离。

实施例4：有序介孔硅胶整体柱用于手性拆分

整体柱表面键合β-环糊精基团：5mol/L盐酸清洗本发明的整体柱柱床2h后，二次水清洗至中性，充分干燥后备用。取经真空干燥过的β-环糊精5g，以无水二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，NaH为催化剂，在室温下搅拌反应1h，滤去未反应的固体，于滤液中加入KH-560(γ-(环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷)10ml。将整体柱浸泡在此溶液中，110℃反应10h后，依次用DMF、甲醇、洗涤。以此整体柱为固定相，以0.5％TEAA/醇(98/2，v/v)为流动相，流速为2ml/min时很好拆分了安息香消旋体。

实施例5：有序介孔硅胶整体柱用于位置异构体的分离

以F127为模板合成的有序介孔硅胶整体柱为基体，在其表面和内部沉积碳后，得到碳涂覆的介孔硅胶整体柱，将此整体柱用适当的外接套管密封并接入液相色谱系统中，以乙腈∶水(50∶50)为流动相，流速3ml/min，以邻、间、对硝基甲苯为探针，检测波长为254nm，考察了碳涂覆介孔硅胶整体柱对位置异构体的分离情况，5min内邻、间、对硝基甲苯得到了基线分离。

Claims (9)

1.一种有序介孔硅胶整体柱，其特征在于：该整体柱由穿透孔和氧化硅骨架构成，在氧化硅骨架表面和/或内部有骨架孔，骨架孔排列有序；穿透孔孔径介于0.1μm～20μm，骨架孔孔径大小介于2nm～500nm。

2.根据权利要求1所述的整体柱，其特征在于：穿透孔相互交联，形成通透结构。

3.根据权利要求1或2所述的整体柱，其特征在于：氧化硅骨架相互交联，形成连续的骨架结构，其结构为片状、球形或棒状，其大小为0.5μm～20μm。

4.根据权利要求1或2所述的整体柱，其特征在于：骨架孔的排列呈六方或立方结构。

5.权利要求1所述整体柱的制法，其特征在于：在20～80℃，pH值为1～12的条件下，以能形成有序结构的添加剂为模板，将硅溶胶加入添加剂中围绕添加剂脱水缩聚，形成交联网状结构，然后经过老化、洗涤、干燥、灼烧处理，得到有序介孔硅胶整体柱材料。

6.根据权利要求5所述的制法，其特征在于：能形成有序结构的添加剂为聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯嵌段共聚物，或聚乙二醇和季胺盐阳离子的混合物。

7.根据权利要求5或6所述的制法，其特征在于：上述干燥温度为30～80℃，灼烧温度为280～600℃。

8.根据权利要求5或6所述的制法，其特征在于：所用的硅溶胶为正硅酸酯、氯硅烷的水解产物或部分水解产物。

9.权利要求1所述的整体柱用作液相色谱固定相、毛细管电色谱固定相、催化剂或催化剂载体。