氧化石墨烯毛細(xì)管氣相色譜固定相的研究進(jìn)展

陳莉莉，劉　偉，劉為中,何廣衛(wèi)

(1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)，安徽 合肥　230012；2.合肥醫(yī)工醫(yī)藥有限公司，安徽 合肥　230088)

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◇綜述◇

氧化石墨烯毛細(xì)管氣相色譜固定相的研究進(jìn)展

陳莉莉1，劉偉2，劉為中2,何廣衛(wèi)2

(1.安徽中醫(yī)藥大學(xué)，安徽 合肥230012；2.合肥醫(yī)工醫(yī)藥有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：氧化石墨烯作為一種新型的納米材料，本身含有大量功能性含氧基團(tuán)，具有獨(dú)特的分離分析及高選擇性，在毛細(xì)管氣相色譜領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。該文通過(guò)對(duì)氧化石墨烯作為毛細(xì)管氣相色譜固定相在國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié)，較為系統(tǒng)的對(duì)氧化石墨烯及其制備工藝、用于毛細(xì)管柱固定相的特點(diǎn)、質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：氣相色譜固定相；氧化石墨烯；制備工藝；質(zhì)量評(píng)價(jià)

氣相色譜技術(shù)以其靈敏度高、分離能力強(qiáng)、分析速度快、柱效高等特點(diǎn)在藥物分析領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。高分離效能的固定相是氣相色譜分離技術(shù)的核心部分，氣相色譜技術(shù)創(chuàng)新主要集中在色譜固定相材料的研究中。目前所知的氣相固定相種類繁多，常用的固定相材料有聚乙二醇類[2]、烴類、聚硅氧烷類及用于手性固定相的金屬配合物[3]、環(huán)糊精類[4]等。盡管這些用做色譜固定相的材料大多數(shù)已經(jīng)被商品化，但制得的色譜柱依舊存在很多的不足，對(duì)沸點(diǎn)相近或結(jié)構(gòu)相似的化合物分離效果不佳，并且在選擇性及耐溫性等方面仍然有待提高。

為了開(kāi)發(fā)出選擇性更強(qiáng)、穩(wěn)定性更好、具有更好色譜性能的新型固定相，越來(lái)越多的研究工作者將目光集中在新型碳納米材料的研究中[5]。氧化石墨烯作為石墨烯的一種氧化形式，與其它的碳納米材料相比，其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較大的比表面積、較強(qiáng)的電子共軛作用及特殊的分子結(jié)構(gòu)受到了越來(lái)越多研究者的重視[6]。將氧化石墨烯用做氣相毛細(xì)管柱固定相中，制得的色譜柱具有優(yōu)良的色譜性能及特殊的分離選擇性，在對(duì)復(fù)雜混合物的分離中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文對(duì)氧化石墨烯及其制備工藝和用做氣相色譜固定相的特點(diǎn)，氧化石墨烯色譜柱的質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行綜述如下。

1氧化石墨烯

氧化石墨烯(graphene oxide，GO)屬于納米級(jí)材料，是由碳原子以sp2雜化方式形成的一種單層片狀結(jié)構(gòu)，其層狀結(jié)構(gòu)之間及片層表面隨機(jī)分布著大量的羧基、羥基及環(huán)氧基團(tuán)[7]。這些含氧官能團(tuán)的引入，使其表現(xiàn)出卓越的物理化學(xué)性能，如較強(qiáng)的電子共軛作用、優(yōu)良的電導(dǎo)率[8]、優(yōu)越的分散性[9]等，在能源及電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。此外，氧化石墨烯良好的生物相容性[10]及修飾改進(jìn)后在高鹽溶液及生理?xiàng)l件下能夠保持穩(wěn)定的生物學(xué)效應(yīng)，使其在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。申玉坤等[11]利用氧化石墨烯表面的羧基與葡聚糖上氨基之間的縮合反應(yīng)，對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行功能化修飾，得到了穩(wěn)定性高，生物相容性好的功能性氧化石墨烯。再利用自組裝技術(shù)，將此功能性氧化石墨烯與β-環(huán)糊精進(jìn)行連接，最終得到一個(gè)的GO-DEX-β-CD 藥物載體，拓展了氧化石墨烯在生物工程領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。

近幾年氧化石墨烯在分析化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也發(fā)展迅速，其表面大量的含氧極性基團(tuán)、較強(qiáng)的離子交換能力及特殊的分子間作用擴(kuò)大了氧化石墨烯在色譜分離材料中的應(yīng)用范圍[12]，而其較高的比表面積及π-π靜電堆積和氫鍵作用使得氧化石墨烯被認(rèn)為是一種較好的吸附材料，在藥物分析領(lǐng)域的樣品前處理中被認(rèn)為是固相微萃取技術(shù)中優(yōu)良的吸附劑[13]。王恒玲等[14]利用氧化石墨烯的吸附特性，將氧化石墨烯表面的羧基通過(guò)共價(jià)偶聯(lián)與二氧化硅微球中的氨基結(jié)合，制備出GO-SiO2復(fù)合物，用于黃曲霉毒素樣品的初步提取。Zhai等[15]建立了分子印跡—氧化石墨烯毛細(xì)管色譜柱對(duì)咖啡豆中桃紅B的提取測(cè)定方法。

隨著色譜技術(shù)的不斷發(fā)展，氧化石墨烯已經(jīng)逐漸被用于色譜柱固定相方向中[16]。Xu等[17]將氧化石墨烯涂布在毛細(xì)管電泳中的毛細(xì)管內(nèi)壁中，制得穩(wěn)定性高、對(duì)于有機(jī)化合物具有較好分離效率的毛細(xì)管。在氣相色譜固定相領(lǐng)域中，氧化石墨烯色譜柱對(duì)易拖尾的胺類及醇類有著較好的選擇分離能力。而其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)及與含苯環(huán)化合物的π-π堆積作用，使得氧化石墨烯成為一種非常理想的氣相色譜固定相，尤其對(duì)芳香性物質(zhì)有著特殊的選擇性，其在氣相色譜固定相中有很大的應(yīng)用潛力。

2氧化石墨烯氣相色譜固定相的特點(diǎn)

2.1比表面積大氣相色譜柱根據(jù)柱內(nèi)徑的大小和長(zhǎng)度有填充柱和毛細(xì)管柱兩種，與填充柱相比，毛細(xì)管柱主要是將固定相涂布在管柱內(nèi)壁，其柱效高、分離效果好，但柱容量比較低，固定相只能分布于毛細(xì)管內(nèi)壁中。因此需要選用比表面積較大的固定相來(lái)增大毛細(xì)管柱中固定相的比例，提高柱容量。氧化石墨烯的一個(gè)重要的特點(diǎn)是比表面積大，它的比表面積可以達(dá)到700 m2·g-1[18]。并且氧化石墨烯固定相性質(zhì)穩(wěn)定，在分析過(guò)程中不易流失，非常符合氣相色譜固定相的條件。González-álvarez等[19]利用氧化石墨烯比表面積大的特點(diǎn)，將氧化石墨烯鍵合到色譜柱管壁內(nèi)部，制備得到分離效果更高、峰對(duì)稱性更好的氣相毛細(xì)管色譜柱。

2.2特殊選擇性實(shí)際分析工作中，被檢測(cè)的樣品大多含有多種組分，包括大量極性、非極性或異構(gòu)體等。目前常用的商用固定相如聚乙二醇類[20]，多用于極性較大的酸類、酚類、醛類等物質(zhì)的分離分析，而對(duì)非極性物質(zhì)的保留作用較弱，分離效果不佳且不宜對(duì)稱色譜峰的形成。因此，為了得到色譜性能較高的氣相色譜毛細(xì)管柱，要求選用的固定相材料應(yīng)具備一些特殊的分離選擇性，以適用于復(fù)雜體系的分離分析。氧化石墨烯自身的大π共軛結(jié)構(gòu)及片層間大量的含氧極性基團(tuán)既能與醇類、酚類等物質(zhì)形成較強(qiáng)的氫鍵作用又可與含苯環(huán)物質(zhì)形成π-π堆積作用，提高了對(duì)被分析有機(jī)化合物的選擇性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合樣品的分離分析，并且其納米級(jí)結(jié)構(gòu)減小了傳質(zhì)阻力，便于對(duì)稱色譜峰的形成。

2.3分散性好在毛細(xì)管柱制備中，為了得到柱效較高的色譜柱，需要將固定液均勻的涂布在毛細(xì)管內(nèi)壁中，這就要求選用的固定相材料具有良好的涂漬性，能均勻分布在柱子的內(nèi)壁。氧化石墨烯片層結(jié)構(gòu)之間含有豐富的含氧活性基團(tuán)，這些功能性基團(tuán)增強(qiáng)了氧化石墨烯的水溶性使其在使用條件下可以穩(wěn)定分散在水溶液中[21]，便于在毛細(xì)管涂漬過(guò)程中管柱內(nèi)壁形成均勻的固定相薄膜。

2.4易于修飾改造在實(shí)際分析工作中，為了獲得更高分離性能的毛細(xì)管氣相色譜柱，就要求所選用的固定相材料在滿足基本分離要求的基礎(chǔ)上，具有較大的設(shè)計(jì)和改造空間，通過(guò)不斷地對(duì)其修飾改造，開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定性更好、分離性能更高的色譜柱。氧化石墨烯作為一種新型的色譜分離材料，其表面具有大量的含氧活性基團(tuán)，如-OH 、-COOH和環(huán)氧基，利用這些基團(tuán)可以很容易的對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行化學(xué)修飾和性能改善[22]，并且這些活性基團(tuán)分子還可以與其它分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成聚合物，提高自身的穩(wěn)定性。

3氧化石墨烯制備工藝

氧化石墨烯是通過(guò)對(duì)鱗片石墨進(jìn)行強(qiáng)氧化處理，后期對(duì)其超聲剝離而得到的一種新型的單碳基材料。將氧化石墨烯應(yīng)用到毛細(xì)管氣相色譜柱中的首要環(huán)節(jié)是制備純度高的氧化石墨材料。目前制備氧化石墨的方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法等。

3.1Brodie法Brodie法是指將石墨粉先通過(guò)濃硝酸進(jìn)行處理，再使用高氯酸鉀對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的氧化制得氧化石墨。該方法是最早用于氧化石墨制備的方法，但其反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，制備的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生易爆的ClO2氣體，危害性較大。并且最終得到的氧化石墨氧化程度不高。目前，該方法在氧化石墨烯的合成制備中已逐漸被淘汰。

3.2Staudenmaier法 Staudenmaier法是在Brodie法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在反應(yīng)體系中將氧化劑改進(jìn)為濃硫酸與濃硝酸的混合酸，采用分步加入氧化劑的方式對(duì)石墨進(jìn)行處理，得到了氧化程度較高的氧化石墨，并且相對(duì)縮短了反應(yīng)時(shí)間。

3.3Hummers法 Hummers法在這幾種方法中最為安全和穩(wěn)定，是目前制備氧化石墨優(yōu)先選用的方法。Hummers在氧化石墨制備過(guò)程中，使用高錳酸鉀和亞硝酸鈉代替氯酸鉀作為強(qiáng)氧化劑，采用交替氧化的方法，合成制得氧化程度較高的氧化石墨。方法操作簡(jiǎn)單，安全性高。蔣雷等[23]在制備殼聚糖—氧化石墨烯空微膠囊時(shí)，對(duì)中空微膠囊中的電解質(zhì)氧化石墨烯采用Hummers法進(jìn)行制備，通過(guò)一系列的氧化反應(yīng)制得氧化石墨，進(jìn)而采用細(xì)胞粉碎機(jī)對(duì)得到的淤泥狀氧化石墨超聲分散，通過(guò)冷凍干燥最終得到氧化石墨烯。

目前，制備氧化石墨烯的方法大多是在傳統(tǒng)Hummers法基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整[24]，以減少NO2、N2O4或ClO2等有毒氣體的產(chǎn)生，便于操作。王露[25]在傳統(tǒng)Hummers法基礎(chǔ)上通過(guò)將濃 H2SO4與 H3PO4的體積比改成9∶1，同時(shí)又加大高錳酸鉀的用量，制備了層間距更大，更便于后期超聲剝離的氧化石墨。所改進(jìn)后的方法便于操作，制得的氧化石墨烯表面含有大量的羥基和羧基，并且含有一定數(shù)量的環(huán)氧基團(tuán)，制備工藝簡(jiǎn)單。

4氧化石墨烯氣相色譜柱的性能評(píng)價(jià)

將氧化石墨烯應(yīng)用于色譜分析領(lǐng)域，需要對(duì)制得的毛細(xì)管柱進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。對(duì)色譜柱綜合性能的評(píng)價(jià)可以通過(guò)柱效、熱穩(wěn)定性和分離性能這三項(xiàng)主要指標(biāo)予以考察。其中毛細(xì)管柱的柱效通常用理論塔板數(shù)的大小來(lái)衡量，而對(duì)毛細(xì)管柱分離性能的評(píng)價(jià)是判斷色譜柱優(yōu)良的重要標(biāo)志之一。

González-álvarez 等[26]將氧化石墨烯摻入毛細(xì)管柱二氧化硅表面再用離子液體溶液進(jìn)行填充制備了毛細(xì)管氣相色譜柱。通過(guò)對(duì)比農(nóng)藥混合物在離子液體毛細(xì)管色譜柱及摻入氧化石墨烯制備的離子液體毛細(xì)管柱上的色譜分離圖，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯比表面積大的性質(zhì)，提高了離子液體毛細(xì)管柱的柱效。同時(shí)氧化石墨烯的加入促使離子液體可以在色譜柱上形成更均勻的聚合物膜，降低了硅醇基團(tuán)間的非特異性作用，但并未改變混合物的洗脫順序，所制備的毛細(xì)管色譜柱的柱效更高、分離效果更好。

Feng等[27]采用一步混合法將氧化石墨烯涂漬在毛細(xì)管內(nèi)壁，制得具有較高理論塔板數(shù)及高選擇性的色譜柱，制備中選用3-氨丙基二乙氧基甲基硅烷作為偶聯(lián)劑，將氧化石墨烯與偶聯(lián)劑混合均勻，一步法制得氧化石墨烯柱。制備工藝克服了氧化石墨烯在弱極性有機(jī)溶劑中容易團(tuán)聚的現(xiàn)象。除此之外，通過(guò)對(duì)制得的氧化石墨烯毛細(xì)管柱的麥?zhǔn)铣?shù)、色譜分離效能、熱力學(xué)參數(shù)等方面的分析，對(duì)其進(jìn)行了綜合性能的評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，制備出的毛細(xì)管柱是中等極性柱，重復(fù)性良好。制得的色譜柱可以對(duì)極性相對(duì)較高的醇類混合物及其異構(gòu)體實(shí)現(xiàn)良好的分離，且得到的色譜峰峰形較好。在對(duì)苯胺類和胺類物質(zhì)分析分離時(shí)，與HP-INNOWAX毛細(xì)管柱相比，氧化石墨烯柱顯示出卓越的優(yōu)越性?；旌蠘悠吩谘趸┲峡梢詫?shí)現(xiàn)完全分離，其分離效能高，對(duì)容易產(chǎn)生拖尾的醇和胺類有較好的選擇分離性能。

Qu等[28]將氧化石墨烯納米片共價(jià)鍵合到石英毛細(xì)管內(nèi)壁表面，制備出了分離效能高的毛細(xì)管氣相色譜柱。在對(duì)制備的毛細(xì)管柱進(jìn)行分離性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，所制備的氧化石墨烯毛細(xì)管柱可以對(duì)沸點(diǎn)78～218℃的混合物實(shí)現(xiàn)分離。其麥?zhǔn)铣?shù)分析測(cè)定中得到，制備出的色譜柱是非極性柱，極性比DB-1毛細(xì)管柱稍大。在相同的色譜條件下，通過(guò)對(duì)比苯、正丁醇、正戊醇、氯苯和苯甲醚這五種組分的混合物在DB-1毛細(xì)管柱及氧化石墨烯柱上的色譜分離圖，對(duì)制備的氧化石墨烯柱進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，苯和正丁醇在DB-1毛細(xì)管柱中并沒(méi)有得到較好的分離，而在氧化石墨烯色譜柱中五種混合組分可以完全實(shí)現(xiàn)分離，制備的氧化石墨烯柱分離效能高，選擇性好。

5展望

近年來(lái)，氧化石墨烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及較大的比表面積、較強(qiáng)的電子共軛作用、良好的水溶性等特性在色譜柱固定相的研究中存在很大的應(yīng)用空間。特別是作為毛細(xì)管氣相色譜柱領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

然而，目前氧化石墨烯在作為氣相色譜固定相的研究中仍存在一些急需探索解決的問(wèn)題，如氧化石墨烯的熱穩(wěn)定性低于石墨烯，在較高的反應(yīng)溫度下氧化石墨烯的極性含氧基團(tuán)會(huì)因承受不了太高的溫度發(fā)生脫落，影響色譜柱的分離分析性能。為了提高固定相的使用溫度、選擇性和色譜柱效，獲得良好熱穩(wěn)定性的色譜柱，需要對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行不斷的修飾改造及在色譜柱制備過(guò)程中對(duì)制備方法進(jìn)行多次改善。另外，由于氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，與石墨烯結(jié)構(gòu)相似，都是單層片狀的納米結(jié)構(gòu)，制備時(shí)其片層數(shù)、含氧基團(tuán)數(shù)目及氧化程度都不容易控制，故而日后，要將氧化石墨烯毛細(xì)管色譜柱商品化仍有很多工作去做。

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Research progress of graphene oxide as stationary phase for capillary gas chromatography

CHEN Li-li1，LIU Wei2，LIU Wei-zhong2，et al

(1.AuhuiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Hefei,Anhui230012,China;2.HefeiIndustrialPharmaceuticalInstituteCo.,Ltd.,Hefei,Anhui230088,China)

Abstract:As a new type of nanometer materials,graphene oxide has a large number of functional oxygen containing groups,featuring unique separation and high selectivity,thereby manifesting a good application prospect in the field of capillary gas chromatography. The at home and abroad research progress of graphene oxide as a stationary phase for capillary gas chromatography was summarized in this article,and an overview of graphene oxide capillary column including its preparation procedure,characteristics and quality evaluationwere also introduced.

Key words:gas chromatography;graphene oxide;preparation procedure;quality evaluation

(收稿日期：2016-01-04，修回日期：2016-02-10)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.04.001

作者簡(jiǎn)介:陳莉莉,女,碩士研究生通信作者：何廣衛(wèi)，男，主任藥師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：創(chuàng)新藥物研究與開(kāi)發(fā)，E-mail：hgwhipi@hotmail.com

基金項(xiàng)目：十二五國(guó)家“重大新藥創(chuàng)制”科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(No 2012ZX09401006)