利用層層自組裝技術(shù)制備聚電解質(zhì)多層膜高效液相色譜固定相

沈巧星，周曉燕，江秀明，倪書姣，毛 璞

(河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

利用層層自組裝技術(shù)制備聚電解質(zhì)多層膜高效液相色譜固定相

沈巧星，周曉燕，江秀明*，倪書姣，毛 璞

(河南工業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 鄭州 450001)

以聚(乙烯-alt-馬來酸) 的苯乙胺衍生物與聚烯丙基胺鹽酸鹽為原料, 通過層層自組裝技術(shù)(LBL)在色譜硅膠表面交替沉積得到聚電解質(zhì)多層膜高效液相色譜(HPLC)固定相；利用紫外光譜、紅外光譜和元素分析研究了HPLC固定相的結(jié)構(gòu)和組成. 結(jié)果表明，聚電解質(zhì)多層膜HPLC固定相被成功構(gòu)筑在硅膠顆粒表面；制備的多層膜固定相可方便地用于6種芳香烴類及4種烷基苯類物質(zhì)的分離分析. 本文的研究結(jié)果說明LBL技術(shù)在制備HPLC固定相方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

層層自組裝技術(shù)；聚電解質(zhì)多層膜；HPLC固定相；制備

層層靜電自組裝技術(shù)由ILER[1]于1966年首次提出，它利用帶相反電荷聚電解質(zhì)之間的交替沉積制備高分子多層膜，與其他制備多層膜的方法相比，具有操作條件溫和，可用來組裝的物質(zhì)體系眾多，組裝過程能夠在不同形狀和尺寸的基材表面實(shí)現(xiàn)，且改變沉積條件可以有效調(diào)控膜層厚度、表面形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)勢(shì)[2-5]. 自1991年被DECHER和HONG[6]再次提出以來，層層自組裝技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于光電設(shè)備，生物材料制備等眾多領(lǐng)域[7-9].

在分析化學(xué)領(lǐng)域，層層自組裝技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在化學(xué)及生物傳感器的制備和毛細(xì)管電泳性能改善等[10-11]方面. 利用層層自組裝技術(shù)，能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)、DNA、納米顆粒以及其他材料構(gòu)筑在電極表面，改善電極的電化學(xué)分析性能. 層層自組裝多層膜修飾的毛細(xì)管電泳系統(tǒng)或微芯片，能夠提供穩(wěn)定的電滲流，提高系統(tǒng)的峰容量和分離度. 此外，層層自組裝技術(shù)也已經(jīng)被用于開口毛細(xì)管離子色譜柱的制備，并實(shí)現(xiàn)了多種無(wú)機(jī)陰、陽(yáng)離子的分離分析[12].

本文作者研究了層層自組裝技術(shù)制備HPLC固定相的可行性. 利用聚烯丙基胺鹽酸鹽(PAH)和聚(乙烯-alt-馬來酸)的苯乙胺衍生物(PEMAPEA)在色譜硅膠表面的交替沉積構(gòu)筑聚電解質(zhì)多層膜，制備了新型PAH/PEMAPEA多層膜HPLC固定相；使用紫外吸收光譜、紅外吸收光譜、元素分析等技術(shù)研究多層膜自組裝過程；考察固定相對(duì)6種芳香烴類及4種烷基苯類分析對(duì)象的色譜分析行為.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

UV-2450型紫外-可見分光光度計(jì)(島津公司)；Prestige-21型傅立葉變換紅外分光光度計(jì)(島津公司)；Flash 2000 CHN-O型元素分析儀(賽默飛世爾公司)；ACGY-100B型氣動(dòng)泵(北京市福思源機(jī)械加工部)；高效液相色譜儀(島津公司，配備有CBM-10A vp plus色譜工作站、LC-10AT vp plus 型高壓泵、7725i型手動(dòng)進(jìn)樣閥和SPD-10A vp plus型紫外檢測(cè)器)

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 色譜硅膠上組裝多層膜

將4 g色譜硅膠加入帶蓋的100 mL塑料離心管中，向其中加入40 mL濃度為5 mmol·L-1的PAH溶液(含有0.3 mol·L-1NaCl、pH=7.0)，蓋上蓋子，在室溫下以200 rpm的速度震蕩30 min以組裝PAH膜層；以4 000 rpm的速度離心分離10 min，除去上清液，采用高純水分散洗滌固體產(chǎn)物，離心分離，除去上清液，重復(fù)此洗滌過程兩次；加入40 mL同樣鹽度、pH和濃度的PEMAPEA溶液，采取與組裝PAH膜層同樣的步驟組裝PEMAPEA膜層，形成一個(gè)雙層；如此循環(huán)直至組裝6個(gè)雙層的PAH/PEMAPEA多層膜. 同時(shí)，利用紫外光譜儀測(cè)試每次組裝前后PEMAPEA溶液的紫外吸收變化. 組裝好的固定相在真空干燥箱中90 ℃下干燥12 h，得到多層膜HPLC固定相，取出一部分用于紅外和元素分析，其余填裝色譜柱.

1.2.2 色譜柱制備及性能評(píng)價(jià)

將組裝并干燥好的固定相通過四氯化碳溶液勻漿，以甲醇溶液作為頂替液，利用氣動(dòng)泵在50 MPa下裝填高效液相色譜柱(250 mm×4.6 mm I.D.). 將裝填好的色譜柱接入高效液相色譜系統(tǒng)，在室溫下，1.0 mL·min-1的流速，254 nm的檢測(cè)波長(zhǎng)下，對(duì)多環(huán)芳香烴類及烷基苯類物質(zhì)進(jìn)行分離檢測(cè)，評(píng)價(jià)色譜柱性能.

2 結(jié)果與討論

2.1 HPLC固定相的制備

含有0.3 mol·L-1的NaCl，且濃度為5 mmol·L-1的聚電解質(zhì)組裝溶液，在粒徑5 μm的色譜硅膠表面，通過正負(fù)電荷間的靜電相互作用，形成穩(wěn)定的、具有6個(gè)雙層的 PAH/PEMAPEA多層膜. 圖1為每層組裝前后PEMAPEA溶液的紫外吸收光譜. 可以看出，對(duì)比同樣稀釋倍數(shù)下的PEMAPEA溶液，組裝后的吸收峰強(qiáng)度明顯降低，表明PEMAPEA被成功組裝到硅膠表面. 根據(jù)組裝前后PEMAPEA溶液在210 nm處吸光度的變化幅度，可以計(jì)算出6個(gè)雙層PAH/PEMAPEA多層膜固定相中含有PEMAPEA的量為0.160 mmol·g-1，轉(zhuǎn)換成C含量為2.69%. 元素分析結(jié)果顯示，固定相中C、H和N元素的含量分別為3.51%、0.40%和0.72%，其中C含量高于由紫外吸收光譜數(shù)據(jù)計(jì)算的C含量，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是紫外光譜計(jì)算得到的C含量未包含多層膜中PAH的貢獻(xiàn)，因此數(shù)值較低.

修飾前后色譜硅膠的紅外光譜結(jié)果(圖2)同樣表明，PAH/PEMAPEA聚電解質(zhì)多層膜被成功組裝在色譜硅膠表面. 與硅膠的紅外譜圖(圖2a)相比，固定相的紅外光譜圖(圖2b)呈現(xiàn)出聚電解質(zhì)有機(jī)官能團(tuán)的特征吸收峰，其中2 922和2 850 cm-1處的吸收峰由飽和C-H鍵的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，1 637和1 550 cm-1處的吸收峰與PEMAPEA中的酰胺基團(tuán)有關(guān).

曲線0為PEMAPEA組裝溶液的吸收曲線(稀釋100倍)，曲線1到6分別為每次組裝后PEMAPEA溶液的吸收曲線(稀釋25倍)

圖2 色譜硅膠(a)和PAH/PEMAPEA多層膜修飾的色譜硅膠(b)的FT-IR譜圖Fig.2 FT-IR spectra of silica particles (a) and PAH/PEMAPEA multilayer modified silica particles (b)

2.2 固定相的色譜性能評(píng)價(jià)

色譜條件：流動(dòng)相：乙腈-水(體積比30∶70)，流速：1 mL·min-1，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)：254 nm

色譜條件：流動(dòng)相：乙腈-水(體積比20∶80)，流速：1 mL·min-1，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)：254 nm

色譜條件：流動(dòng)相：乙腈-水，流速：1 mL·min-1，紫外檢測(cè)波長(zhǎng)：254 nm自下而上分別為苯、萘、芴、蒽、苝

當(dāng)流動(dòng)相中極性相對(duì)較小的乙腈含量降低時(shí)，兩類化合物的容量因子均減小，分析物的容量因子的對(duì)數(shù)(lgk)與流動(dòng)相中乙腈含量在考察的范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系(見圖5)，表明該固定相與分析物間存在一定的疏水作用.

通過靜電作用交替沉積的PAH/PEMAPEA多層膜固定相，因其膜層中含有長(zhǎng)碳鏈及苯環(huán)結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出疏水作用，同時(shí)，PEMAPEA中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)又與芳香類物質(zhì)中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)形成較強(qiáng)的π-π相互作用，使多層膜固定相呈反相色譜特性，能夠在反相條件下，實(shí)現(xiàn)極性較弱的多環(huán)芳烴和烷基苯化合物的有效分離.

3 結(jié)論

利用LBL技術(shù)，帶相反電荷的聚電解質(zhì)PAH和PEMAPEA能夠很好的交替沉積在色譜硅膠表面. HPLC 固定相的成功制備及其在反相條件下對(duì)6種多環(huán)芳烴和4種烷基苯類物質(zhì)的有效分離，表明LBL多層膜能夠用于色譜固定相的構(gòu)筑. 固定相對(duì)兩類分析物的色譜數(shù)據(jù)顯示，多層膜與分析物間的疏水及π-π相互作用，是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)組分有效分離的基礎(chǔ). LBL技術(shù)在HPLC固定相制備領(lǐng)域的成功應(yīng)用、LBL技術(shù)所構(gòu)筑的多層膜性質(zhì)的可調(diào)控性以及其組裝基材選擇的多樣性，為HPLC固定相制備技術(shù)的拓展提供了一種新的選擇.

[1]ILER R K. Multilayers of colloidal particles [J]. J Colloid Interf Sci, 1966, 21: 569-594.

[2]DENG Z J, MORTON S W, BEN-AKIVA E, et al. Layer-by-layer nanoparticles for systemic codelivery of an anticancer drug and sirna for potential triple-negative breast cancer treatment [J]. ACS Nano, 2013, 7(11): 9571-9584.

[3]SUN Yixin, REN Kefeng, ZHAO Yixiu, et al. Construction of redox-active multilayer film for electrochemically controlled release [J]. Langmuir, 2013, 29(35): 11163-11168.

[4]ZHANG Jiawei, LI Fei, YUAN Bin, et al. Layer-by-layer assembly of azulene-based supra-amphiphiles: reversible encapsulation of organic molecules in water by charge-transfer interaction [J]. Langmuir, 2013, 29(21): 6348-6353.

[5]YAN Yan, SUCH G K, JOHNSTON A P R, et al. Toward therapeutic delivery with layer-by-layer engineered particles [J]. ACS Nano, 2011, 5(6): 4252-4257.

[6]DECHER G, HONG J D, SCHMITT J. Buildup of ultrathin multilayer films by a self-assembly process: III. Consecutively alternating adsorption of anionic and cationic polyelectrolytes on charged surfaces [J]. Thin Solid Films, 1992, 210/211: 831-835.

[7]ZHANG Yan, LIU Hongyun, HU Naifei. Electrochemical detection of natural DNA damage induced by in situ peroxidase-generated reactive nitrogen species in DNA layer-by-layer films [J]. Bioelectrochemistry, 2012, 86: 67-71.

[8]焉學(xué)佳, 鄧永紅, 王曉工. 一種偶氮聚電解質(zhì)在不同pH值條件下的靜電逐層自組裝研究[J]. 高分子學(xué)報(bào), 2007, (5): 440-444.

[9]高芒來, 孔祥興, 張 希, 等. 功能性超薄有序分子沉積膜的制備及其結(jié)構(gòu)研究[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 1993, 14(8): 1182-1183.

[10]陳棟棟, 馬瑩, 孫俊奇. 智能響應(yīng)與自修復(fù)的層層組裝聚合物膜[J]. 高分子學(xué)報(bào), 2012, (10): 1047-1054.

[11]王宗文, 蘇保衛(wèi), 高學(xué)理, 等. 層層自組裝PDADMAC/PSS納濾膜的制備[J]. 膜科學(xué)與技術(shù), 2012, 32(1): 27-32.

[12]PELCOVA P, KUBAN V, KIPLAGAT I K, et al. Polyelectrolyte multilayers as stationary phases for open tubular ion chromatography [J]. J Chromatogr A, 2009, 1216(51): 9022-9026.

[13]崔利飛, 江秀明, 王宏雁, 等. 旋光聚[乙烯-alt-R-N-(1-苯乙基)馬來酰胺酸]的合成及靜電自組裝[J]. 高分子學(xué)報(bào), 2009, (2): 140-144.

Preparationofhighperformanceliquidchromatographstationary
phasevialayer-by-layerself-assembledtechnique

SHEN Qiaoxing， ZHOU Xiaoyan， JIANG Xiuming*， NI Shujiao， MAO Pu

(SchoolofChemistryandChemicalEngineering，HenanUniversityofTechnology，Zhengzhou450001，Henan，China)

A novel high performance liquid chromatograph (HPLC) stationary phase was fabricated on the surface of spherical silicaviathe alternate layer-by-layer (LBL) self-assmbly of poly(allylamine hydrochloride) andα-phenylethylamine derivative of poly(ethylene-alt-maleic acid). The structure and composition of as-obtained multilayer HPLC stationary phase were analyzed by ultraviolet-visible light spectrophotometry, infrared spectrometry, and elemental analysis. Results indicate that polyelectrolyte multilayer film is successfully incorporated onto the surface of silica gel particulates. Besides, as-prepared multilayer HPLC stationary phase can be readily used to separate and analyze six kinds of aromatic hydrocarbons and four kinds of alkyl benzene, which demonstrates that LBL technique exhibits promising potential in preparing HPLC stationary phase.

LBL self-assemble technique; polyelectrolyte multilayer film; HPLC stationary phase; preparation

2014-03-06.

鄭州科技人才隊(duì)伍建設(shè)計(jì)劃—科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(131PCXTD605).

沈巧星(1984-)，男，碩士生，研究方向?yàn)樯V分析.*

，E-mail：jxm1965@haut.edu.cn.

O 657.7

A

1008-1011(2014)03-0234-04