无机硅胶有机聚合物混合基质C16毛细管整体柱的制备和性能研究

　　　　 作者：王园朝 吴琼 金瑛芝 刘金华

【摘要】 　　利用具有双功能基团的3(三甲氧基硅烷)丙基甲基丙烯酸酯在酸性水溶液中硅氧烷水解缩聚后，再在热引发条件下与甲基丙烯酸十六酯进行双键聚合反应，制备了一类新型的无机硅胶有机聚合混合基质毛细管电色谱整体柱，实现了硅胶基质整体柱和有机聚合基质整体柱制柱方法合二为一。提出了吸汞法控制溶胶混合溶液引入毛细管适当位置，以获得平整的整体柱固定相界面的简易操作方法。优化了整体柱制备条件，采用扫描电镜和氮吸附比表面仪对整体柱材料的结构特征进行了表征，材料平均比表面积为103.4 m2/g，中孔孔径主要分布在3～7 nm范围。探讨了运行电压、缓冲液浓度、pH值和有机改性剂含量等因素对电渗流流速的影响。利用制备柱基线分离了7种中性芳香烃类物质。对萘的柱效达54000塔板数/m;连续运行5次的保留时间的RSD为0.9%， 容量因子的RSD为0.6%;连续运行3 d，保留时间的RSD为1.2%，容量因子的RSD为0.8%;不同批次3支整体柱，保留时间的RSD为8.7%，容量因子的RSD为5.7%。

【关键词】 整体柱; 毛细管电色谱; 无机硅胶有机聚合物混合基质; 制备

　　Abstract A novel type of inorganic silica gelorganic polymer mixture based capillary monolithic column was prepared sing methacryloxypropyltrimethoxysilane hydrolyzing and cocondensation polymerization in the presence of an acid solution， and the product reacted with hexadecyl methacrylcetyl ester by double bond polymerization in the presence of a heat initiator. The method proposed combined of the preparation of silicabased monolithic column with organic polymerbased monolithic column. A technique introducing sol mixture into capillary by suction mercury was carried out to obtain a flat and orderly interface of stationary phase. The influences of running voltage， organic additive， concentration and pH of buffer on electroosmotic flow(EOF) were investigated respectively. The structure and pore size distribution of the monolithic material were characterized by scanning electronmicroscopy and nitrogen adsorption method. The pore size distribution profile of mesopores of the material was around 3-7 nm with average specific surface area of material was 103.4 M2/g. Chromatographic characteristics of the monolithic column prepared with the optimized fabrication condition were studied. Seven neutral hydrocarbon， such as alkylbenzenes and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)， were baselinely separated using the mixture based monolithic column. For naphthalene， the separation efficiency of 54000 theoretical plates/m was achieved， the RSD values of retention times and capacity factor were 0.9% and 0.6% for five consecutive runs， 1.2% and 0.8% for daytoday(n=3)， 8.7% and 5.7% for columntocolumn(n=3)， respectively.

　　Keywords Monolithic column; Capillary electrochromatography; Inorganic silica gelorganic polymer mixture materials; Preparation

　　1 引 言

　　目前， 整体柱的研究非常活跃，文献[1～3]综述了整体柱在制备和应用方面的新进展。整体柱按制备方法主要分为无机硅胶基质整体柱和有机聚合物基质整体柱，两者在柱制备方法和柱性能方面各有优缺点。人们寻求能兼顾两者优点，避其不足的柱制备新材料和新方法。近年来发展了一类“杂化有机无机硅胶基质”整体柱，该整体柱固定相的制备利用了Solgel原理，以四甲氧基硅烷(TMOS)或四乙氧基硅烷(TEOS)与含有机基团的硅烷化试剂为反应单体，以甲醇为溶剂，在酸性/碱性条件下加热水解缩聚形成。此柱制备条件较传统硅胶基质整体柱简单，具有硅氧四面体骨架，通过硅烷化试剂引入有机功能基团，分离效果好。由于含功能化基团的硅烷化试剂有限，目前见于报道的主要是含C18[4]、C8[5]、苯基[6，7]和具离子交换性质[8]的杂化硅胶基质整体柱。Lu等[9]采用2丙烯酰胺2甲基丙磺酸(AMPS)、三甲羟基丙烷三丙烯酸酯和十六碳烯为有机单体，于三元致孔剂组合溶剂中在偶氮二异丁腈(AIBN)引发下制备了高交联度的C16有机聚合物基质整体柱。邵华等[10]用3(三甲氧基硅烷)丙基甲基丙烯酸脂(γMPS)的双功能基团先在HCl溶液中进行硅氧烷水解缩聚，其缩聚产物再在引发剂AIBN作用下进行双键聚合以制备硅胶基质整体柱的方法。此实验表明，在同一体系中先后进行硅烷水解缩聚和有机双键聚合的可能性，但该实验中未引入有机树脂单体。Wu等[11]以聚乙二醇、硅氧烷试剂乙烯基三甲氧基硅烷、TMOS和烯丙基二乙基十二烷基溴化铵或丙烯酰胺为反应单体，利用“一锅法”制备了新型的有机硅胶杂化整体柱，证实了同一体系中分步进行硅氧烷水解缩聚与有机物双键聚合反应的事实。

　　与杂化硅胶整体柱和文献[9，10]不同，本研究的思路与文献[11]类似，提出了将无机硅胶整体柱与有机聚合物整体柱两种制柱过程合二为一的新型整体柱制备方法。即将具双功能基的γMPS中的硅氧烷先水解形成含硅胶结构聚合物单体，并以此产物为偶联剂。同一体系中，在自由基引发剂作用下与烷基丙烯酸脂类进行双键共聚，最后生成的聚合物固定相既含有SiOSi键硅胶结构，又含有CC长链结构，改善了纯硅胶基质的脆性，兼顾了无机硅胶基质和有机聚合物基质整体柱的优点。在反应物混合溶液引入毛细管时，本研究采用吸汞法控制固定相的窗口位置，使固定相在毛细管中的长度更易控制，界面更为平整。此整体柱制备过程简便，反应体系简单，条件易于控制。本实验选择甲基丙烯酸十六酯为有机树脂单体制备了一种含C16固定相整体柱，对其结构进行了表征，并以硫脲为标记物，分离了7种PAHs中性物质(苯、甲苯、乙苯、萘、联苯、芴和菲)。结果表明，此柱具有明显的反相保留机理。

　　2 实验部分

　　2.1 仪器与试剂

　　P/ACE MDQ型高效毛细管电泳仪(美国Beckman公司); PDA检测器;石英毛细管(100 μm i.d.，375 μm o.d.， 河北永年光导纤维厂);TS260型注射泵(保定兰格恒流泵有限公司); PLCWB型摄像显微镜(深圳市中开仪器有限公司);SEM s3000N型扫描电子显微镜(日本日立株式会社); Autosorb1型氮吸附比表面仪(美国康塔公司)。3(三甲氧基硅烷)丙基甲基丙烯酸酯(γMPS，武汉大学有机硅新材料股份有限公司);甲基丙烯酸十六酯(HDMA，东京化成工业株式会社);偶氮二异丁腈(AIBN，上海试一化学试剂有限公司); 硫脲、苯、甲苯、乙苯(AR，上海化学试剂公司);萘、联苯、芴和菲(纯度≥98%，上海百灵威化学试剂公司)。其它试剂均为分析纯试剂。水为去离子纯化水。

　　2.2 实验方法

　　2.2.1 整体柱的制备

　　石英毛细管依次用0.1 mol/L HCl、水和1 mol/L NaOH冲洗0.5 h，纯水洗涤至中性后用甲醇冲洗0.5 h，于120 ℃气相色谱炉中用氮气吹干，用硅胶塞封口备用。取75 μL γMPS与50 μL 0.1 mol/L HCl于2.5 mL塑料小管中，超声水解20 min，然后加入25 μL HDMA、400 μL甲苯和0.01 g AIBN，将混合物超声处理20 min，静置至澄清，通过PEEK小管将注射泵连接到预处理过的长约30 cm的石英毛细管上，首先吸入约12 cm长度的汞液，再吸入上述澄清的反应液。将毛细管两端用硅胶塞封口，置于60 ℃水浴反应12 h，待反应液初步固化后，将毛细管取出，打开硅胶塞，吸出汞液，继续于60 ℃烘箱中反应24 h。此时反应液完全固化，取出用甲醇冲洗，除去色谱柱内未参与反应的单体和致孔剂，于气相色谱炉中80 ℃条件下用氮气吹干，在适当位置烧去2～3 mm 的聚酰亚胺涂层用作检测窗。按分离要求切去两端多余毛细管至适当长度。以不同配比的反应液制备了3支整体柱。2.2.2 整体柱的表征 截取5 mm长的毛细管整体柱，在横截面处镀金，用扫描电镜对整体柱微观结构进行表征。取10倍的反应液，按上述整体柱制备方法以100 mm×2.0 mm玻璃柱制备1支不留空的整体柱，利用氮吸附比表面仪测定固定相比表面积和孔径分布。表1 3种不同比例组成的反应液制备的整体柱(略)

　　2.2.3 电色谱条件

　　整体柱总长31 cm，有效长度20 cm，以8.0 mmol/L 磷酸盐缓冲液(含50%(V/V)乙腈， pH 8.0)为运行缓冲液，采用压力方式进样(0.021 MPa×5 s)，分离电压15 kV，分离温度25 ℃，硫脲为电渗流标记物，检测波长为214 nm，色谱柱两端同时加压0.14 MPa。 分 析 化 学第38卷第6期王园朝等：无机硅胶有机聚合物混合基质C16毛细管整体柱的制备和性能研究

　　3 结果与讨论

　　3.1 整体柱制备

　　实验研究了5种反应物组分的比例条件，组分配比与溶胶均匀程度、相分离过程、凝胶状态和固定相孔径大小及分布相关。γMPS和HDMA反应后产物构成固定相的骨架结构。固定其它条件，当γMPS比例增大，HDMA比例减小，或甲苯溶剂比例减小时，整体柱固定相密度增大，通透性变差，这是因为γMPS水解缩聚的产物在双键聚合过程中起着交联剂作用，γMPS比例大，固定相网眼小。甲苯既是树脂单体的溶剂又是致孔剂。当其比例增大时，固定相相对疏松和通透，但甲苯体积大于500 μL时，固定相出现间断和脱壁现象。当反应组分中无HCl时，固定相呈透明溶胶状态，凝胶生成，随着HCl用量的增加，固定相密度逐渐增大。实验同时研究了γMPS在HCl溶液中的水解聚合反应时间，该时间较长时，第一步水解缩聚反应后溶液浑浊，造成固定相分布不均匀，密度大;反应时间较短时固定相形成速度慢，后续反应时间长。在50～80 ℃范围内考察了反应温度对固定相的影响，发现反应温度为60 ℃时，形成的固定相效果好。

　　本实验采用两步反应，首先γMPS与HCl溶液在超声20 min条件下发生水解缩聚反应，然后在甲苯溶剂中前步反应产物与HDMA，在引发剂ABIN作用下发生双键聚合反应。最后生成具有网状结构并含有C16功能基团的固定相。

　　3.2 整体材料的表征

　　图1中A、B和C分别是柱A、柱B和柱C的整体柱横截面SEM图。由图1可知，固定相内部颗粒大小基本一致，孔径分布较均匀。对柱A进行氮吸附实验(BET)，结果表明，固定相平均比表面积为103.4 m2/g，中孔(Mesopores)孔径分布主要集中在3～7 nm范围。图2为使用毛细吸入法(A)和吸汞法(B)得到的固定相界面照片。由图2可以看出，未使用吸汞法时，界面因毛细现象有所分散，界面不整齐且位置不易控制;而使用吸汞控制法时，固定相界面非常整齐，容易控制。

　　3.3 影响整体柱电渗流的因素

　　3.3.1 电压与电渗流的关系

　　电渗流流速是电色谱过程中的一个重要的参数，也是反映柱性能的重要参数。van de Goor等[12]提出了计算平均电渗流流速的公式：μeo=(ε ε0ζ/η)E，式中E是施加电压，η是电介质黏度，ζ是Zeta电位势，ε是缓冲溶液介电常数，ε0是真空介电常数。本实验以硫脲为分析对象，分别讨论电色谱体系中各条件对电渗流流速的影响。固定其它条件，在整体柱两端施加4～16 kV的电压，测定了电渗流与电压关系。结果表明，电渗流随着电压的增大呈良好的线性关系，μeo=0.5606V+7.587， r=0.9960，说明由电压升高而引起的焦耳热现象在整体柱中不明显。

　　3.3.2 缓冲液浓度与电渗流的关系

　　固定其它条件，考察磷酸盐缓冲液浓度在2～10 mmol/L范围对电渗流的影响。结果显示： 随着缓冲溶液浓度的增加，电渗流逐渐减少。这是因为缓冲溶液浓度增加，溶液中离子强度增加，双电层厚度减小，Zeta电势降低，最终导致电渗流减小。

　　3.3.3 缓冲液中乙腈含量与电渗流的关系

　　其它条件不变时，考察乙腈含量对电渗流的影响(图3A)。结果显示，当乙腈含量为40%～50%时，随乙腈含量增加，缓冲液离子强度减小，Zeta电势增大，电渗流增加;当乙腈含量为50%～60%时，缓冲溶液中介电常数减小，电渗流减小。乙腈含量增加，溶液粘度降低，电渗流增大，多种因素的共同作用使得电渗流随着乙腈含量的增加，呈先较快上升后缓慢下降的趋势。此实验结果与文献[10]报道的硅胶基质整体柱影响情况相反。

　　3.3.4 缓冲液pH值与电渗流的关系

　　固定其它条件，考察了缓冲液pH值在pH 5～9范围变化对电渗流速度的影响(图3B)。随着缓冲液pH值的增加，电渗流逐渐增大，并在高和低pH值时变化缓慢，此变化规律符合反相CEC中电渗流与[H+]关系式[13]： μeo=a+b/(c+[H+])， pH值的改变可影响固定相和柱壁表面官能团的解离情况，从而改变它们的表面电荷密度和Zeta电势。

　　3.4 容量因子与苯环取代基中碳原子数关系

　　在不同乙腈浓度的流动相中，研究了苯环上取代基中碳原子数对容量因子对数logK′的影响(K′=(tr-t0)/t0)。苯、甲苯和乙苯的logK′与苯环取代基上碳原子的关系如图4A，苯、萘、联苯、芴和菲的logK′与苯环取代基上碳原子数的关系如图4B。由图4可见，当乙腈浓度小于50%时，同一物质随着流动相中乙腈浓度的增加，溶质的保留因子减小;在相同乙腈浓度条件下， K′与取代基中碳原子数间有较好的线性关系，K′随取代基中碳原子数增大而增大，说明该混合基质色谱柱为反相柱。

　　3.5 整体柱保留重现性

　　以硫脲为标记物，利用柱A考察了萘的柱效和保留时间重现性。分离柱效为54000理论塔板/m，连续运行5次保留时间的RSD为0.9%，容量因子的RSD为0.6%。连续运行3 d，保留时间的RSD为1.2%，容量因子的RSD为0.8%。在相同条件下制备的3支不同批次整体柱，保留时间的RSD为8.7%，容量因子的RSD为5.7%。

　　3.6 整体柱的应用

　　利用自制备C16混合基质整体柱A，以硫脲为标记物，在毛细管电泳仪上分离了7种中性取代芳烃和稠环芳烃类物质，分离谱图见图5。7种物质均获得基线分离，谱峰对称性良好，出峰顺序与分离溶质的疏水性大小一致。按疏水性由弱到强的顺序流出，属于反相保留机理。

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