趙麗華，施介華

（浙江工業(yè)大學藥學院，浙江杭州 310012）

聚合物整體柱的制備方法及其研究進展

趙麗華，施介華

（浙江工業(yè)大學藥學院，浙江杭州 310012）

整體柱作為第4代色譜填料，已廣泛應用于生命科學、環(huán)境科學、醫(yī)藥衛(wèi)生和化學化工等學科領域，具有一定的應用價值和發(fā)展前景。該文對聚合物整體柱的制備方法及其研究進展進行了綜述，主要介紹了有機聚合物整體柱、無機硅膠整體柱、有機-無機雜化整體柱，并對有機聚合物整體柱進行了詳細分類。

整體柱；有機聚合物；無機硅膠；有機-無機雜化

色譜（chromatography）這一概念，由 Tswett于1906年提出，經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，已成長為一門相當成熟的學科——色譜學。隨著化學、醫(yī)學、生命科學以及環(huán)境科學等學科領域的迅猛發(fā)展，色譜學同時面臨著新的機遇和嚴峻的挑戰(zhàn)，如何提供一種高效、快速、靈敏、高通量的分離分析方法是科研工作者正迫切解決的問題，整體柱技術便在這一時代和技術背景下應運而生且迅猛發(fā)展起來的。整體柱（monolithic column），同時又稱無柱塞柱、連續(xù)床層、棒狀柱等，主要由功能單體、致孔劑、交聯(lián)劑和引發(fā)劑等混合物通過原位聚合的方法制備而成。

目前，整體材料在毛細管電色譜（CEC）中的應用最為普遍，在微流控芯片技術、微液相色譜和氣相色譜中也有所涉及。在常規(guī)高效液相色譜中，整體材料的應用雖也取得了不錯的進展，但是距離技術完善還相差甚遠。本文主要對聚合物整體柱的制備方法及其研究進展進行綜述，闡明了整體柱潛在的應用價值，為拓展整體柱的應用范圍提供了廣泛的前景。

1 整體柱

整體柱，主要通過有機或無機聚合的方法在色譜柱內部原位聚合而成，是一種新型的色譜分離固定相[1]。此類色譜柱制備方法簡單，可以針對不同的樣品引入不同功能基團，保留性質靈活多變[2]。此外，在制備過程和色譜柱的重現(xiàn)性方面，細內徑的整體柱均優(yōu)于相同尺寸的填充柱[3]；在高效液相色譜柱應用方面，整體柱理論塔板高度隨流速增長的速率要遠低于填充柱[4]；在復雜樣品的分析方面，整體柱的抗污染能力要明顯強于填充柱，且整體柱具有制備成本低、分辨率高、使用壽命長、穩(wěn)定性好、傳質性能好等特點，適用于色譜領域的快速分離分析，故被譽為繼多聚糖、交聯(lián)與涂漬、單分散之后的第4代色譜填料。目前使用的整體柱有：有機聚合物整體柱、無機硅膠整體柱、有機-無機雜化整體柱3類。

1.1 有機聚合物整體柱

有機聚合物整體柱，主要通過熱引發(fā)、紫外光引發(fā)或自由基引發(fā)等方法，將空管柱內的單體混合物聚合，經(jīng)過一段時間反應之后，選取合適的溶劑將整體柱體內殘留的單體和致孔劑去除制備而成[5]10[6]。此類整體柱具有選材廣、柱效高、易制備、易改性、重復性好等優(yōu)點。但也存在著固有的缺點，如：機械強度相對較低；在有機溶劑作用下，固定相發(fā)生溶脹或收縮，從而導致柱體和柱性能發(fā)生變化，柱壽命縮短；另外，柱容量也較低[7-8]。根據(jù)整體柱材料，有機聚合物整體柱可分為聚甲基丙烯酸酯類整體柱、聚甲基丙烯酰胺類整體柱、聚苯乙烯類整體柱和分子印跡整體柱。

1.1.1 聚甲基丙烯酸酯類整體柱

該類整體柱主要以甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）等為功能單體，亞甲基雙甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）等為交聯(lián)劑，甲醇、1-丙醇、1，4-丁二醇、環(huán)乙醇、十二醇等為致孔劑，同時加入一定量的引發(fā)劑混合制備而成[5]10。

譚瑩采用甲基丙烯酸縮水甘油酯為功能單體，乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑原位聚合了GMA-EDMA有機聚合物整體柱，通過吸附的方法固載牛血清白蛋白，制備得到牛血清白蛋白生物大分子親和整體柱，并考察流動相組成、緩沖溶液濃度、pH、流速等因素對當歸在親和整體柱上分離的影響，成功將當歸中的2種組分分離[9]。Lin等人通過孔徑結構、滲透性、柱效能等參數(shù)，考察了一系列以烷基-甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸為二元功能單體的有機聚合物整體柱柱效能，最終制備得到以甲基丙烯酸月桂酯-甲基丙烯酸為單體的具有優(yōu)良傳質性能的整體柱。該整體柱可在5 min內采用梯度洗脫的方式將6種苯酚衍生物成功分離，同時，還分離了5種黃曲霉素和3種利固醇抗生素，在食品安全檢測中具有潛在的應用價值[10]。

1.1.2 聚甲基丙烯酰胺類整體柱

聚甲基丙烯酰胺類整體柱主要采用丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸丁酯（BMA）、N-異丙烯酰胺等為功能單體，采用乙二醇二甲基丙烯酸酯、哌嗪雙丙烯酰胺等為交聯(lián)劑制備而成[11-13]。此類整體柱被應用于多種色譜分離模式，如親水、疏水、離子交換色譜等[14]，具有較好的生物兼容性，適用于分離生物大分子。

Xu等人在自制的微流體芯片上采用紫外照射法原位聚合了BMA-EDMA整體柱，該整體柱具有較大的比表面積，并成功在人造血漿中富集了異丙嗪，對于生物樣品在整體柱上的應用及發(fā)展有一定的參考價值[15]。Liu等人制備了新型的固相萃取吸附劑poly（BMA-co-EDMA），可簡便、快速地從紅辣椒中檢測蘇丹紅，且該整體柱線性范圍較寬，靈敏度高，檢測限低[16]。 一種將2-甲基咪唑鋅鹽（ZIF-8）與poly（BMA-co-EDMA）相結合的 ZIF-8-poly（BMA-co-EDMA）毛細管整體柱由Yusuf K等人制備而得。該整體柱與poly（BMA-co-EDMA）相比，表面積大了3.4倍，且柱效高，采用程序升溫可在36 s內將5種烷烴混合物分離，同時還可分離辛烷與異丁烷異構體及一些氣體混合物，在氣相色譜中具有廣泛的應用范圍[17]。

1.1.3 聚苯乙烯類整體柱

制備聚苯乙烯類整體柱常用的單體有苯乙烯、對氯甲基苯乙烯等，交聯(lián)劑以二乙烯苯基為主，致孔劑有甲苯、甲醇、乙醇、丙醇等[5]11[18-19]。該類整體柱因具有較強的疏水性，適用于反相色譜體系中生物大分子及小分子肽的分離分析。同時，也可通過引入特定的官能團對整體柱進行改性，拓寬聚苯乙烯整體柱的應用范圍。

Chuang等人通過硅烷化、功能化、聚合、水解、金屬絡合等步驟合成了一種新型聚苯乙烯毛細管整體柱，在電色譜模式下考察了流動相組成、pH、濃度、有機改性劑等對氨基酸和寡肽混合物分離的影響，成功將二者混合物分離。同時通過分析得知，配位體交換、電泳遷移率、疏水作用和氫鍵作用等主要影響氨基酸和寡肽在整體柱上的保留[20]。Huang等人制備了以苯乙烯、二乙烯基苯、乙烯基苯磺酸為三元單體的毛細管整體柱，通過實驗證明反應時間和流動相中乙腈的含量是影響柱性能的重要因素，增加反應時間或減少乙腈含量可以增強酸性化合物在整體柱上的保留。最終在2.2 min內成功將6種化合物（山梨酸、對羥基苯磺酸甲酯、羥苯乙酯、無水乙酸、對羥基苯甲酸丙酯、對羥基苯甲酸丁酯）分離，分離度均大于1.5[21]。

1.1.4 分子印跡整體柱

分子印跡整體柱，是自1993年Marusi首次通過原位聚合的方法制得，并證明其對手性化合物具有拆分能力后迅猛發(fā)展而來[22]。該類整體柱模擬自然界存在的抗體與抗原、酶與底物等，采用目標分子作為模板合成聚合物實現(xiàn)分子識別作用。分子印跡整體柱對模板分子具有生物實體的專一識別性，且柱體穩(wěn)定性好、使用壽命長，已廣泛應用于固相萃取[23-24]、手性拆分[25-27]、抗體模擬[28-29]等領域。制備分子印跡整體柱常用的功能單體有甲基丙烯酸（MAA）、丙烯酰胺（AM）和三氟甲基丙烯酸（TFMAA）等。

Wu等人結合電滲泵制備了4-乙烯吡啶分子印跡毛細管整體柱，這一技術體現(xiàn)了電滲泵與毛細管電色譜具有很好的兼容性，解決了毛細管電色譜弱電滲流的問題，并成功分離2-硝基酚、3-硝基酚和4-硝基酚同分異構體[30]。Shao等人以橙皮素為模板分子，丙烯酰胺為功能單體，制備了具有較強吸附性能和選擇性的分子印跡整體柱，采用固相萃取技術從柑橘中提取出傳統(tǒng)的中藥成分橙皮素。結果表明，將分子印跡整體柱和分子印跡固相萃取技術相結合可成功應用于傳統(tǒng)中藥的純化[31]。

1.2 無機硅膠整體柱

無機硅膠整體柱是一種以硅膠為基質，采用溶膠-凝膠法在空管柱內進行原位聚合的連續(xù)床固定相。一般情況下，烷氧基硅烷（四甲氧基或四乙氧基硅烷）在酸催化下發(fā)生水解、縮聚，形成相互交聯(lián)的網(wǎng)狀結構。無機硅膠整體柱具有制備簡單、機械強度好、孔結構豐富、重現(xiàn)性好等優(yōu)點，可實現(xiàn)小分子等混合物的高效、快速分離；但又有抗溶劑性能差，適用pH范圍較小等缺點。目前，無機硅膠整體柱已廣泛應用于藥學、生命科學、環(huán)境科學等領域[32-34]。

謝傳輝制備了毛細管硅膠整體柱，對中孔構建過程進行了條件優(yōu)化，使得孔結構更加均勻。采用未修飾的硅膠整體柱基質，實現(xiàn)了堿性化合物和中藥生物堿的分離分析。同時，又制備了十八烷基改性的反相硅膠整體柱和強陽離子交換硅膠整體柱，在電色譜模式下成功將苯的同系物、苯的衍生物、鹵代苯混合物、-阻滯劑混合物和黃連生物堿提取物等分離[35]。任呼博采用改進的溶膠-凝膠技術，制備了以四甲氧基硅烷和聚乙二醇為原料的硅膠整體柱，在此基礎上，加入一定量的多壁碳納米管，得到具有更高滲透比和更大比表面積的多壁碳納米管硅膠整體柱，在正相色譜條件下分離了苯及其衍生物[36]。

劉嬋將3-巰基丙基三甲氧基硅烷修飾在硅膠整體柱表面上，制備了一種新型的表面增強拉曼光譜（SERS）基底，通過Au-S鍵和Ag-S鍵將納米粒子鍵合在硅膠表面上，采用對硝基苯胺為探針分子進行SERS研究。結果表明，新型SERS基底的對硝基苯胺拉曼信號要比金、銀溶膠基底上的強，為實際生活中微量物質在拉曼光譜中檢測奠定了一定的技術基礎[37]。

龔彩榮等人公開了一種新型液相色譜硅膠整體柱的制備方法，采用乳液聚合法制備聚苯乙烯模板，再將模板溶于線性含氫聚硅氧烷和環(huán)狀四乙烯基四甲基環(huán)四硅氧烷中，經(jīng)高溫焚燒，預處理后得到具有通孔的硅膠整體柱。該整體柱具有優(yōu)異的分離性能，且解決了常規(guī)液相色譜柱填充的問題[38]。

1.3 有機-無機雜化整體柱

有機-無機雜化整體柱，主要通過硅烷化試劑將有機功能單體引入到硅膠基質中制備而得。在此類整體柱中，無機材料提供機械強度穩(wěn)定的聚合骨架，結合在無機相上且均勻分布的有機基團則可以改善材料的性能[39]。有機-無機雜化整體柱壽命長，機械性能高，且具有良好的兼容性，與傳統(tǒng)的無機硅膠整體柱相比，避免了化學改性，同時也提高了整體柱的重現(xiàn)性[40-41]。

Silva等人通過溶膠凝膠法，分別采用不同的前驅體四乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷-甲基三甲氧基硅烷混合物，和不同的催化劑尿素-醋酸混合物、氫氧化銨，制備了2種不同的硅膠納米雜化整體柱，成功分離了苯的衍生物、除草劑混合物和抗氧化劑混合物，為有機-無機雜化整體柱在環(huán)境科學方面的研究提供了參考價值[42]。張少文等人采用溶膠凝膠法，制備了表面含有酰胺基團的瓊脂糖鍵合硅膠雜化整體柱。制得的整體柱骨架結構穩(wěn)定、機械強度高、通透性好、重現(xiàn)性好，且該方法很好地解決了以瓊脂糖凝膠作為載體的免疫親和柱不易保存、易發(fā)生溶脹等缺點，對生物分子的富集具有高選擇性和高富集倍數(shù)[43]。Zhao等人以金納米粒子為媒介，通過一步共縮合作用將寡核苷酸適配子固載在有機-無機雜化整體柱表面，制備得到一種新型適配子有機-無機雜化親和整體柱。該整體柱成功用于富集和追蹤檢測人血清樣品中的凝血酶，具有卓越的特異性和高靈敏性，對于今后將不同類型納米粒子整體柱應用于分析科學和生命科學領域中提供了可能[44]。

2 展望

綜上所述，整體柱作為第4代色譜填料已廣泛地應用于生命科學、環(huán)境科學、醫(yī)藥衛(wèi)生和化學化工等學科領域。在制備過程中，通過選取不同的功能單體及材料可制備得到多種不同類別的整體柱，同時，通過進一步的修飾或改性，可應用于多種色譜分離模式，滿足了分析領域一直追求的快速高效分離分析。此外，與傳統(tǒng)的填充柱分離材料相比，整體柱制備成本低、分辨率高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、種類繁多，在今后的發(fā)展中勢必有廣泛的應用前景。

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2017-04-17