一种聚甲基丙烯酸酯类亲水作用毛细管电色谱整体柱的制备与评价

两性离子交换有机聚合物包覆硅球整体柱的制备及评价李金祥;韩晶;蔡广祥;王娇【摘要】利用甲基丙烯酸和2-二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,环己醇、甲醇和水为三元致孔剂,在内径为250μm石英毛细管内原位聚合制备了1种有机聚合物包覆硅球两性离子交换整体柱.通过对单体总浓度、致孔剂的组成和聚合反应时间的调节控制有机聚合物对硅球的包覆,并通过扫描电镜图和压力对流速关系曲线,确定了整体柱的最佳制备条件.最佳条件为单体总浓度T=25％、c=30％,致孔剂组成是环己醇∶甲醇∶水的体积比为8∶1∶1,反应时间为5h.从整体固定相的微观结构、抗压性、溶胀性、柱效和交换容量等方面对整体柱进行评价,认为该整体柱具有较好的抗压性、较高的柱效、较大的交换容量和很强的抗溶胀性.在此基础上,利用长度为4cm的整体柱在6min内分离了一组无机阴离子,在9min内分离了一组有机胺类阳离子.%A zwitterionic column containing silica micro-particles encapsulated in organic monolith was prepared by in-situ polymerization of methacrylic acid, ethylene dimetharylate and 2-(dimethyl ami-no) ethyl methacrylate in a 250 μm I. D. Fused silica capillary packed with silica micro-particles. The conditions of preparation were explored, the total concentration of the monomers, volumetric ratio of porogens and time was investigated by SEM and corroborated with back pressure measurements, and the optimal conditions for preparation of the column were established. The optimized concentration, volumetric ratio of porogens and time are T=25%(C=30%) ,8:1:1 and 5 h, respectively. The prepared column was evaluated in terms of micro-pore structure, endurance of pressure, permeability,ability of anti-swelling, ion-exchange capacity and column efficiency. The results demonstrated that the column is better in all the terms mentioned above than those of conventional organic monolithic column. Finally, the column was successfully used to fast baseline separate 4 inorganic anionic ions in 6 min and 3 organic amine cationic ions in 9 min.【期刊名称】《辽宁师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(035)001【总页数】5页(P73-77)【关键词】包覆硅球;两性离子交换;整体柱【作者】李金祥;韩晶;蔡广祥;王娇【作者单位】辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连116029;辽宁师范大学化学化工学院,辽宁大连116029【正文语种】中文【中图分类】O657.7近年来，由于两性离子交换固定相表面带有相异电荷离子基团，对阴、阳离子均具有较高的选择性而受到特别关注.制备两性离子交换固定相的最简单的方法是将两性离子表面活性剂动态吸附于反相固定相的表面［1］.该方法虽然简单，但物理吸附于固定相表面的活性剂分子在流动相连续冲洗及较高的柱温下容易流失.通过键合法得到的两性离子交换整体柱具有较好的稳定性.键合型两性离子交换整体柱的制备方法一般有2种，其一是以硅胶整体柱为基质材料，通过表面硅羟基嫁接两性离子表面活性剂的方法制备无机整体柱［2］；其二是直接利用离子型单体（如甲基丙烯酸和2－二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯）与交联剂发生聚合，或首先以具有环氧键的化合物为单体（如γ－甲基丙烯酸缩水甘油酯）制备多孔有机聚合物连续床，再通过开环反应引入两性离子基团等方法制备两性离子有机整体柱［2，3］.方法一制备过程较为繁琐，制备的整体柱只能在pH 2～8之间使用；有机聚合物整体柱的制备方法简单，适用pH范围宽.然而，有机聚合整体固定相在有机溶剂中存在一定的溶胀性，给色谱分析带来诸多的不良影响［4］.因此，本研究制备了1种有机聚合物包覆硅球两性离子交换整体柱，并从整体固定相的微观结构、抗压性、溶胀性、柱效和交换容量等方面对整体住进行了评价.1 实验部分1.1 仪器与试剂Lab Alliance液相色谱泵（美国）；Lab Alliance Mode 500紫外－可见光检测器（美国）配自制的检测池，体积为2nL；N－2 000双通道色谱工作站（浙江大学）；B－212酸度计（日本）；501超级恒温水浴（上海）；SK2 200H超声波清洗仪（上海科导超声仪器有限公司）；KYKY－1 000B型扫描电子显微镜（SEM，中国科学院科学仪器厂）；内径250μm，外径375μm的石英毛细管（河北永年）.直径为5μm的多孔硅胶微球（硅球）；甲基丙烯酸（MAA），2－二甲基乙基胺甲基丙烯酸酯（DAMA），乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）（纯度均为99%以上，美国公司）；偶氮二异丁腈（AIBN，化学纯，武汉盛世精细化学品有限公司）；γ－（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（γ－MAPS纯度95%以上，武汉）；环己醇（化学纯，天津）；甲醇（分析纯，天津）；实验用水均为二次蒸馏水；其他试剂均为分析纯.1.2 硅球填充及毛细管内壁和硅球表面预烯基化处理取内径为250μm、长度约为6cm的石英毛细管1根，利用真空吸入法填入直径5μm的硅球；装有硅球的石英毛细管首先用1.0mol／L NaOH溶液、超纯水和1.0mol／L HCl溶液以5μL／min的流速依次分别冲洗1h、0.5h和1h，再用超纯水冲洗至中性，随后用甲醇冲洗0.5h并用氮气吹干；将预烯基化试剂γ－MAPS的甲醇溶液（体积比1∶1）注入石英毛细管中，密封，置于45℃水浴中反应12h；最后用甲醇冲洗2h，用氮气吹干，得到预处理的毛细管及硅球.1.3 两性离子交换整体柱制备取75μL MAA和75μL DAMA作为功能单体、50μL EDMA作为交联剂，混合，超声波振荡15min制成单体混合液①；取0.0021g AIBN作为引发剂，溶于按一定比例预混合好的三元致孔剂（环己醇、甲醇和水）中，超声波振荡15min制成混合液②；取一定体积混合液②与①混合，通入N2并超声波振荡15min后制得聚合混合液③；用注射器将聚合反应混合液③注入装有硅球并经预烯基化处理的毛细管中，两端密封后放入60℃水浴锅中反应5h.最后依次用大于50倍柱体积的甲醇和水冲洗，制得有机聚合物包覆硅球型毛细管整体柱（简称为包覆硅球整体柱）.为便于性能比较，平行制备了1根不含硅球的全有机聚合物整体柱（简称全有机整体柱）.2 结果与讨论2.1 整体柱制备条件的优化为了制备抗压性和渗透性好、内部结构均匀、分离效能高的包覆硅球型整体柱，有机聚合物包覆硅球的条件的优化是至关重要的［5］.本研究通过对聚合反应时间、单体总浓度和致孔剂的组成的调节来控制有机聚合物对硅球的包覆，并通过扫描电镜图和压力对流速关系曲线，确定了整体柱的最佳制备条件.最佳条件：反应时间5h；单体总浓度T＝25%、c＝30%；致孔剂组成，环己醇∶甲醇∶水的体积比为8∶1∶1.2.2 整体柱评价2.2.1 整体柱微观结构包覆硅球整体柱和全有机整体柱的扫描电镜（SEM）图如图1所示.从图1A中可观察到，包覆硅球整体固定相中，小球堆积紧密而均匀，进而在小球之间形成了较均匀的通孔，而全有机整体固定相的通孔孔径大小相差悬殊且分布不均匀；再仔细观察图1A中的小球，可以看到在硅球的表面均匀地分布着纳米有机聚合物微粒，这无疑会显著增加固定相的比表面积.以上观察结果预示着，与全有机整体柱相比，包覆硅球整体柱将具有更好的抗压性，更高的柱效和更大的交换容量.2.2.2 整体柱的抗压性和渗透性抗压性和渗透性是评价整体固定相性能优劣的重要参数.为了评价整体固定相的抗压性和渗透性，本实验考察了流动相驱动压力变化对流速的影响，实验结果如图2所示.在所考察的压力范围内，流动相通过包覆硅球整体柱的流速和通过全有机整体柱的流速均随压力增加而变快.对全有机整体柱来说，压力对流速关系曲线线性关系较差，在压力接近400psi处，压力对流速关系曲线出现拐点，流速不再随压力增加而线性增加，说明抗压性较差，暗示着整体固定相的孔结构已发生变化；对包覆硅球整体柱来说，在所考察的压力范围内，压力与流速呈很好的线性关系（线性相关系数R2＝0.998 9），说明包覆硅球整体柱具有很强的抗压性.2.2.3 整体柱的柱效根据色谱速率理论，各种因素对塔板高度H的影响可用Van Deemter曲线来描述.本研究以NO－2为测试对象，通过实验分别绘制了包覆硅球整体柱和全有机整体柱的Van Deemter曲线，如图3所示.从图3中可以看出，包覆硅球整体柱的Hmin比全有机整体柱的Hmin小，这主要是因为包覆硅球整体柱孔径均匀而使涡流扩散（A项）降低.还可以看出，随着流动相速度的增加，包覆硅球整体柱的柱效没有明显劣化，这表明该整体固定相的传质阻力较小，说明整体固定相的孔径较小、均匀，这与扫描电镜的观察结果一致.这一优点使得该柱更适合于快速液相色谱分离.图1 包覆硅球整体柱的SEM图：（A）3000×全有机整体柱的SEM图：（B）3000×Fig.1 Scanning electron micrograph images of（A）column containing silica micro－particles encapsulated in organic monolith（3000× magnification）and（B）conventional organic monolithic column （3000× magnification）.图2 压力对流速关系曲线Fig.2 Curves of back pressure versus flow rate for column containing silica micro－particles encapsulated in organic monolith and conventional organic monolithic column.Conditions：Column，4cm×250μm I.D.；Mobile phase：10mM phosphate buffer containing 50mM NaCl at pH 2.5.图3 包覆硅球整体柱和全有机整体柱的Van Deemter曲线Fig.3 Curves of Van Deemter plots for column containing silica micro－particles encapsulatedin organic monolith and conventional organic monolithiccolumn.Conditions：Column，4cm ×250μm I.D.；Mobile phase，10mM phosphate buffer containing 50mM NaCl at pH 2.5；UV detection 210nm；Analyte，5mM NO2－.2.2.4 整体柱的交换容量离子交换整体柱的交换容量决定了整体柱的分离性能，交换容量越高，整体柱分离性能越好.本研究参考文献［6］，在完全相同的实验条件下，分别以碘离子（I－）和对硝基苯胺为测试对象，通过实验得到包覆硅球整体柱和全有机整体柱的吸光度对时间突跃曲线，考察了整体柱的阴、阳离子交换容量，结果如图4所示.从图中可以看出，在相同实验条件下，测试物在包覆硅球整体柱上的突跃时间比全有机整体柱的长，表明包覆硅球整体柱交换容量较大.这主要是因为包覆硅球整体固定相比表面积较大，提供的交换点位较多.图4 包覆硅球整体柱和全有机整体柱的突跃曲线Fig.4 Breakthrough curves for column containing silica micro－particles encapsulated in organic monolith and conventional organic monolithic column.Conditions：（A）Column，5cm ×250μm I.D.；Mobile phase，10mM phosphate buffer containing50mM NaCl at pH 2.5；Flow rate，1.0μL／min；UV detection 210nm；Analyte，10mM KI.（B）Column，5cm ×250μm I.D.；Mobile phase，20mM phosphate buffer containing 40%ACN at pH 7.0；Flow rate，1.0μL／min；UV detection 214nm；Analyte，10mM p－nitroaniline.2.2.5 整体柱的溶胀性为了考察整体柱的溶胀性，本研究设计了时间对流速关系评价实验：在驱动压力一定的条件下，首先以水为流动相平衡整体柱24h以上.然后转换为含有有机溶剂的流动相，考察流动相在2种整体柱中通过的时间对流动相流速的影响，结果如图5所示.从图5中可以看出，对全有机整体柱来说，时间从0到2h，流速逐渐下降，这是由于全有机整体固定相在有机溶剂中发生了溶胀，使通孔的孔径变小所致；2h之后，随时间增加流速没有明显变化，这是因为全有机整体固定相溶胀到一定程度后达到了一种稳定状态，此时固定相通孔的孔径不再有明显变化.对包覆硅球整体柱而言，在所考察的时间范围内，流动相流速没有明显变化，这表明该整体固定相由于无机硅球的加入表现出了很强的抗溶胀性.图5 流动相在两种整体柱中通过的时间对流动相流速的影响Fig.5 Effect of time on flow rate of the mobile phase onditions：Mobile phase，20mM phosphate buffer containing 40%ACN at pH 7.0；Applied pressure，300psi.图6 4种无机阴离子和3种有机胺阳离子在包覆硅球整体柱上的分离Fig.6Separation of 4inorganic anions and 3organic amine cations on column containing silica micro－particles encapsulated in organicmonolith.Conditions：（Left）Column，4cm ×250μm I.D.；Mobile phase，10mM phosphate buffer containing 50mM NaCl at pH 2.5；UV detection 210nm.（Right）Column，4cm ×250μm I.D.；Mobile phase，20mM phosphate buffer containing 40%ACN at pH 7.0；UV detection214nm.Analyte，1，p－toluidine，2，p－chloroaniline，3，p－nitroaniline.2.3 色谱分离利用包覆硅球整体柱分离了一组无机阴离子和一组有机胺类阳离子，结果如图6所示.从图中可以看出，4种无机阴离子在6min内实现了基线分离，3种有机胺类阳离子在9min内基本达到基线分离.这主要得益于包覆硅球整体柱在较高的流动相流速下仍然具有较高的柱效.3 结论采用有机聚合物包覆硅球的方法制备了1种两性离子交换整体微柱，并对整体柱的性能进行了评价.与全有机整体柱相比，该整体柱孔径均匀、抗压性好、柱效高、交换容量大和抗溶胀性强.利用整体柱的这些优点快速分离了一组无机阴离子和一组有机胶类阳离子.此外，该整体固定相表面同时带有正、负电荷，故通过调节流动相pH值可进行阴阳离子交换模式相互转换，实现同一根整体柱分别分离阴、阳离子.有关该柱在色谱分析中的其他研究目前正在进行.参考文献：［1］NESTERENKO E P，NESTERENKO P N，PAULL B.Zwitterionic ion－exchangers in ion chromatography：A review of recent developments ［J］.Analytica Chimica Acta，2009，652：3－21.［2］黄晓佳，黄本立.离子交换整体柱材料的研究进展［J］.色谱，2007，25（3）：298－302.［3］李金祥，房晶，谢文辉.一种新型两性离子交换毛细管液相色谱整体柱［J］.辽宁师范大学学报：自然科学版，2010，33（1）：71－74.［4］WU M H，WU R A，WANG F J，et al.“One－pot”process for fabrication of organic－silica hybrid monolithic capillary columns using organic monomer and alkoxysilane［J］.Anal Chem，2009，81：3529－3536.［5］GIBSON G T T，KOERNER T B，XIE R，et al.Entrapment of functionalized silica microspheres with photo－initiated acrylate－based polymers［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2008，320：82－90.［6］SUGRUE E，NESTERENKO P N，PAULL B.Fast ion chromatography of inorganic anions and cations on a lysine bonded porous silica monolith ［J］.Journal of Chromatography A，2005，1075：167－175.。

DO I :0.3724/SP .J .1096.2010.00192丁基胺丙基硅胶毛细管整体柱的制备及其电色谱性能研究叶芳贵*韩燕燕 王顺 黄保军 赵书林(广西师范大学化学化工学院,药用资源化学与药物分子工程教育部重点实验室,桂林541004)摘 要 采用溶胶-凝胶技术制备了丁基胺丙基硅胶毛细管整体柱,此整体固定相表面同时含有能产生阳极的电渗流的仲胺官能团和产生疏水作用的正丁基和丙基官能团。

对所制备的整体柱电色谱性能进行了详细的表征和分析。

考察了流动相p H 值对电渗流的影响;对烷基苯同系物、有机酸酸性化合物和苯胺类碱性化合物保留行为进行了研究,并对其可能的保留机理进行了探讨。

实验结果表明,对于中性化合物的保留机理主要基于反相作用;而对于酸性化合物的保留行为则是基于混合模式作用机理,即除了电泳作用外,还包括阴离子交换和疏水作用。

碱性化合物在丁基胺丙基硅胶毛细管整体柱上的峰形较好,没有明显的峰拖尾现象。

关键词 毛细管电色谱;硅胶整体柱;溶胶-凝胶;混合模式2009-09-01收稿;2009-11-09接受本文系广西科学研究与技术开发应用基础研究专项(No .0731004)、药用资源化学与药物分子工程教育部重点实验室主任基金(No .07109001-08)、广西环境工程与保护评价重点实验室开放基金(No .0702k024)资助*E-m ai:l f anggu i ye @1 引 言毛细管电色谱(CEC)是近年来发展起来的一种高效微分离技术,它结合了高效液相色谱的高选择性和毛细管电泳的高效性。

毛细管整体柱是CEC 柱中的一种,它具有制备过程简单、内部结构均匀、通透性好和柱效高等优点[1]。

毛细管整体柱由于避免了CEC 填充柱需制作塞子和克服了开管柱相比小的缺点,引起了色谱工作者的广泛关注[2~4]。

目前,毛细管整体柱主要由有机聚合物整体柱和硅胶基质整体柱两大类组成。

硅胶基质整体柱是以烷氧基为主要原料,以溶胶-凝胶(So-l ge l)技术制备的无机整体柱。

正交试验法优化制备用于小分子物质分离的聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯-二乙烯基苯)型整体柱马伟;徐环昕;刘坐镇;宁方红【摘要】以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为单体,二乙烯基苯(DVB)为交联剂,以环己醇和正十二醇为致孔剂,过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂,直接以50 mm×4.6 mm 色谱柱为模具,通过原位聚合制备聚(GMA-DVB)型整体柱.以GMA和DVB的体积比、环己醇和十二醇的体积比以及BPO占聚合物的质量分数为三因素,以分离苯和乙苯等小分子物质时的半峰宽分离度(R_(1/2))为考察指标,进行三因素三水平的正交试验,通过测定整体柱的比表面积、孔径和孔容分布对其进行表征.结果表明,制备整体柱的最优配方为V(GMA): V(DVB)∶ V(环己醇)∶ V(正十二醇)=0.825∶0.825∶1.32∶2.03,BPO的质量分数为0.7% .应用所制备的整体柱分离苯和乙苯等小分子物质,理论塔板数达到 37 000 塔板/m,R_(1/2)值达到7.14,完全达到基线分离,分离时间小于10 min.该方法制备整体柱的重复性好,柱效较高,基本满足商品化要求.【期刊名称】《色谱》【年(卷),期】2010(028)002【总页数】5页(P175-179)【关键词】聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯-二乙烯基苯);整体柱;制备;高效液相色谱;小分子物质【作者】马伟;徐环昕;刘坐镇;宁方红【作者单位】华东理工大学生物反应器国家重点实验室,上海,200237;华东理工大学生物反应器国家重点实验室,上海,200237;上海华震科技有限公司,上海,200237;华东理工大学生物反应器国家重点实验室,上海,200237;上海华震科技有限公司,上海,200237;华东理工大学生物反应器国家重点实验室,上海,200237;上海华震科技有限公司,上海,200237【正文语种】中文【中图分类】O658Abstract:Amonolithic column of macro porouspoly(glycidyl methacrylate-divinyl benzene)(poly(GMA-DVB))has been p repared by free radical polym erization within the confines of a Chromatographic stainless steeltube(50mm×4.6mm).For the best separation and low backpressure,orthogonal experiments were carried out withV(cyclohexanol)∶V(dodecanol),V(GMA)∶V(D VB)and BPO dosage as the three main factors.The characteristic feature of the column,including specific surface area,pore volume as well as pore diameter distribution,was studied by scanning electron microscopy(SEM),mercury intrusion porosimetry analysis and B ET analysis.The obtained optimump reparation conditions were that the volume ratio of GMA,DVB,cyclohexanol and dodecanol was0.825∶0.825∶1.32∶2.03and the B PO dosage was0.7%(mass percentage),then it was heated at70℃for24h.U sing this m onolithic colum n,benzene and ethylbenzene and a drug of oxiracetam can be w ell separated on a high performance liquidChromatographic(HPLC)system equipped with a ultraviolet(UV)detectorat254 nm.A solution of acetonitrile-water(50∶50,v/v)for the separation of benzene and ethylbenzene,and acetonitrile-water(80∶20,v/v)for the separation of oxiracetam were used as mobile phases at a flow rateof1mL/m in.The theoretical p late number was37 000p lates/m and the resolution of peak width at half height(R1/2)was7.14.The separation time was less than10m in.The monolithic column prepared by this method is reproducible and has high column efficiency.It is an economical method to prepare monolithic column,which can be ap-plied to separate small molecules.Key words:poly(glycidyl methacrylate-divinylbenzene);monolithic column;p reparation;high perform ance liquid Chromatography(HPLC);small molecular整体柱(monolithic column),又称棒柱(rod)、连续床(continuous bed)、无塞柱(fritless colum n),被人们称为继多聚糖、交联与涂渍、单分散之后的第四代分离介质[1]。