硅球擔載聚合物整體柱的制備及評價

安 然

（沈陽科技學院， 遼寧 沈陽 110167）

微柱高效液相色譜（μ-High Performance Liquid Chromatography, μ-HPLC）是在傳統(tǒng)液相色譜的基礎上發(fā)展起來的[1]。目前已經(jīng)廣泛應用在了藥物檢測、食品安全、蛋白質(zhì)組分分析[2-3]等領域。毛細管色譜柱作為分離方法的核心，決定了分離效果的好壞。

最常用的色譜柱是毛細管填充柱。該柱在不同內(nèi)徑的毛細管內(nèi)填充十八烷基鍵和的硅膠顆粒（ODS）或者其他功能化的硅球等，這些小顆粒具有多孔性，可以根據(jù)實際情況進行選擇或改性[4]且比較容易控制孔徑的大小。然而，填充柱在制備時需要燒制塞子，這一過程會破壞固定相表面的功能化基團且影響柱子的滲透性，使填充柱應用在毛細管電泳（CE）時容易產(chǎn)生氣泡。在一些液相色譜應用中，燒制塞子也可能產(chǎn)生非特異性吸附，造成譜帶變寬。

整體柱通過原位聚合功能單體，使固定相與毛細管管壁進行鍵和，該柱具有更高的相比和柱容量且無需燒制塞子。根據(jù)整體材料基質(zhì)的不同，整體柱分為有機-無機混合整體柱、無機硅膠整體柱和有機聚合物整體柱[4]。

無機柱采用溶膠-凝膠法制備而成，其最主要的物理化學變化就是水解縮聚反應。該柱具有很好的抗溶脹性，而且空隙率高，具有較大通孔尺寸和骨架尺寸比值，可以在高流速和低背壓下提供高柱效[5]，但仍然存在一定的缺點，如制備過程復雜且難以控制，在干燥和焙燒過程中固定相極易產(chǎn)生開裂和變形彎曲、制備比較費時、需要限制pH 使用范圍等。

有機柱是單體混合液及致孔劑通過熱引發(fā)，自由基引發(fā)或紫外光引發(fā)的方式在毛細管內(nèi)原位聚合反應而成的。有機柱制備簡單，可以通過改變不同的功能單體來控制固定相表面的化學性質(zhì)，因而可選用的單體種類較多，pH 值適用范圍廣。但該柱在有機溶劑中易發(fā)生溶脹效應影響柱子的重現(xiàn)性，機械穩(wěn)定性較差[6]。

有機-無機混合整體柱結(jié)合了有機柱和無機柱pH 適用范圍廣、機械穩(wěn)定性高、滲透性高的優(yōu)點，避免了填充柱需要燒制塞子，制備過程復雜的缺點，得到了很廣泛的應用。比較常見的制備方法有以下幾種：

一步法[7]通常以四烷氧基硅烷和含一個有機功能基團的三烷氧基硅烷Si(OR)3為原材料，運用溶膠-凝膠法將有機功能基團引入無機硅膠骨架中，從而避免了無機柱柱后修飾這一復雜過程，但是該方法依賴于帶有功能基團的硅烷試劑，在一定程度上限制了一步法的應用。

一鍋法[8]中有機單體和無機烷氧基硅烷通過原位縮合和共聚的方式將功能基團鍵和在無機硅膠整體基質(zhì)中。該方法具有一定的可變性，可以通過采用不同的有機單體來制備具有不同性能的整體柱。然而，烷氧基硅烷的使用會導致硅烷醇基團殘留在整體固定相表面，實際應用中因產(chǎn)生非特異性吸附而造成峰拖尾或是譜帶展寬。

硅球包夾整體柱將功能化的小顆粒包夾在可陷入的基質(zhì)中[9]，運用不同的基質(zhì)可以陷入不同的填充材料，而且合成的包夾整體柱都與其相應的填充柱具有相似的特性。然而，硅酸鹽基質(zhì)對固定相有一定的屏蔽作用，且在NH4OH 沖洗期間，容易產(chǎn)生水解，因而用硅酸鹽作為陷入基質(zhì)的包夾柱保留值明顯比填充柱小。有機多孔聚合物在陷入基質(zhì)方面有著很大的應用價值[10]。高度交聯(lián)的聚合物在致孔劑的存在下形成連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)，使溶液能夠順利通過。然而，在顆粒之間行成的聚合物不僅會使包夾柱產(chǎn)生不必要的高背壓，還會掩蔽填充顆粒的官能團。

為克服目前整體柱存在的主要缺點，本實驗制備了一種有機-無機混合整體柱。這種整體柱是在填充了裸硅球的毛細管中通過熱引發(fā)使功能單體甲基丙烯酸（MAA）、2-二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯（DAMA）和交聯(lián)劑乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）原位聚合的。由于整體柱中所有的功能性聚合物都是由硅球作為載體的，所以把這種整體柱稱為硅球擔載聚合物整體柱，簡稱擔載柱（supported column,S-column）。在優(yōu)化了擔載柱的制備條件之后，從機械穩(wěn)定性、滲透性、溶脹行為、柱效等方面對其進行了評價。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

HH-501 型超級恒溫水?。ń饓邪姿鸩龑嶒瀮x器廠，江蘇）；自組裝液相色譜系統(tǒng)：Model 500液相色譜泵（Lab Alliance, USA）,手動進樣閥（三通），Micro 21 UV-01 紫外-可見光檢測器（Jasco，日本）；KYKY-1000B 型掃描電子顯微鏡（SEM，中國科學院科學儀器廠）；微型精密酸度計（B-212，日本）；雙通道色譜工作站（N3000，浙江大學）。

裸硅球顆粒（直徑5 μm，深圳高比科技有限公司）；石英毛細管（內(nèi)徑250 μm，外徑375 μm，河北永年）；甲基丙烯酸（MAA，ACRōS，美國）；乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA， ACRōS，美國）；γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（γ-MAPS，武漢凱博實驗儀器有限公司）；偶氮二異丁腈（AIBN，上?；瘜W試劑有限公司）；2-二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯（DAMA，ACRōS，美國）；環(huán)己醇（化學純，天津富辰化學試劑廠）；甲醇（分析純，天津富辰化學試劑廠）；其他無機試劑均為分析純。

1.2 硅球擔載聚合物整體柱的制備

取7 cm 內(nèi)徑為250 μm，外徑為375 μm 的石英毛細管，利用真空吸入法填入直徑為5 μm 的裸硅球，并對毛細管及硅球進行預處理。準確稱量一定量的AIBN（引發(fā)劑）于離心管中，之后向離心管內(nèi)移取一定量的MAA（單體），DAMA（單體），EDMA（致孔劑），環(huán)己醇（致孔劑）和水（致孔劑），向聚合反應混合液中通入氮氣并超聲振蕩5 min，制成反應液a。移取一定量的甲醇（致孔劑）于離心管中，除氣泡后制成反應液b。用注射器將其注入到填充了硅球的毛細管中，兩端塞上硅膠塞密封后置于恒溫水浴中反應。待反應完成，用甲醇溶液沖洗整體柱，以除去未反應的單體及致孔劑，最終制成硅球擔載聚合物整體柱。

有機聚合物對硅球的包覆情況通過致孔劑的組成比例、單體總濃度和聚合反應時間來控制，并通過壓力-流速曲線以及擔載柱橫截面的掃描電鏡圖確定最佳制備條件。經(jīng)驗證，該柱最佳條件為：致孔劑組成，V（水）∶V（甲醇）∶V（環(huán)己醇）=1∶1∶8；單體總質(zhì)量分數(shù)T= 25%（C= 30%，V（MAA）∶V（DAMA）∶V（EDMA）=3∶3∶2；引發(fā)劑AIBN 的質(zhì)量分數(shù)為1%;反應時間5 h；反應溫度：60 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅球擔載聚合物整體柱的表面形態(tài)

通過對比圖1A 和圖1B、1C，可以觀察到小硅球表面包覆著一層薄薄的聚合物且厚度不超過1 μm，聚合物并沒有在硅球中間形成，而是與硅球聯(lián)結(jié)在一起，形成了一個整體，且形成顆粒的徑向分布與填充柱相似。圖1A 顯示聚合物以納米小顆粒的形式聚合在硅球表面，有效的增大擔載柱固定相的比表面積，從而可以增大擔載柱的柱容量。

圖1 擔載柱（A），有機柱（B）和裸硅球（C）的掃描電鏡圖（放大3 000 倍）

2.2 機械穩(wěn)定性和滲透性

擔載柱的機械穩(wěn)定性和滲透性是通過如圖2 所示壓力-流速關系曲線來進行評價的。有機柱在壓力為0.83～7.93 MPa 的條件下，呈現(xiàn)出了很好的線性關系，當壓力大于7.93 MPa 時，流速不再隨著壓力的增大而增大，而且曲線的斜率逐漸接近壓力軸一側(cè)，由此可以證明此時有機柱的部分固定相已經(jīng)發(fā)生了坍塌。而擔載柱，當壓力從0.52 MPa 增加到15.17 MPa 時，流速隨著壓力的增加而增加，很好的證明了該柱具有很高的機械穩(wěn)定性。當壓力大于15.17 MPa 時，擔載柱固定相從毛細管中被沖出來，這可能是因為固定相與毛細管壁是靠與有機柱相似的聚合反應鍵和到一起的。而對于傳統(tǒng)的填充柱來說，由于塞子的存在，填充的硅球不容易被沖出毛細管外，但是當壓力超過填充硅球的壓力時，柱內(nèi)填充的顆粒會越來越緊，從而引起背壓過高的問題。

圖2 有機柱（A）和擔載柱（B）的壓力對流速關系曲線

2.3 柱效

圖3 所示是擔載柱（A）和有機柱（B）在200～900 nL·min-1的流速區(qū)間內(nèi)檢測5 mM NO2-的Van Deemter 曲線。

圖3 擔載柱（A）和有機（B）的 Van Deemter 關系曲線

擔載柱曲線的形狀與填充柱相似，在400 nL·min-1的流速下有最小理論塔板高度（Hmin=8 μm）。有機柱的曲線在300 nL·min-1的時候有最小理論塔板高度（Hmin= 16 μm）。相同情況下，在所有的流速中，擔載柱測量出的柱效均比有機柱高。尤其在最佳流速之后，擔載柱柱效的損失比有機柱慢，由此可以證明擔載柱的傳質(zhì)阻力比有機柱小很多，該特點使擔載柱相對于有機柱更適用于在高流速下進行快速分析。

3 結(jié) 論

本實驗通過與相應的有機聚合物整體柱在色譜性能與機械性能等方面進行對比，對制備的擔載柱進行了評價。實驗證明，與傳統(tǒng)的有機柱相比，擔載柱的機械穩(wěn)定性高，不易溶脹和縮聚，柱容量高以及柱效高。以上優(yōu)點說明擔載柱有很大的潛力廣泛應用于微柱液相色譜以及毛細管固相萃取中，特別是應用于液相色譜的梯度洗脫中。