夏子航, Soumia CHEDDAH, 王薇薇, 王 彥, 閻 超

(上海交通大學(xué)藥學(xué)院, 上海 200240)

隨著液相色譜技術(shù)的發(fā)展,色譜填料正向著更小更均勻的方向發(fā)展[1]，亞微米無(wú)孔二氧化硅(NPS)材料開(kāi)始逐漸被應(yīng)用于毛細(xì)管填充柱與加壓毛細(xì)管電色譜(pCEC)平臺(tái)[2,3]。依據(jù)Van Deemter方程,亞微米級(jí)別粒徑的填料能大幅提升色譜性能，且無(wú)孔材料相比多孔材料而言,不存在流動(dòng)相在介孔結(jié)構(gòu)中停滯流動(dòng)從而造成傳質(zhì)阻力的問(wèn)題,傳質(zhì)阻力減小,理論塔板高度進(jìn)一步降低[4]。因此采用St?ber法[5]制備的亞微米NPS微球,具有小粒徑及表面無(wú)孔的雙重優(yōu)勢(shì),是色譜理論上效能較高的色譜材料之一[6]。

但另一方面,亞微米NPS微球的比表面積較低[7],當(dāng)采用十八烷基氯硅烷等傳統(tǒng)C18修飾方法修飾時(shí),修飾效率低,碳含量通常僅為1%左右,遠(yuǎn)低于多孔材料的10%～17%[4]。在反相色譜分離機(jī)理下,分離效果不佳。因而需要發(fā)展亞微米NPS色譜填料的表面修飾新方法,增加表面碳含量,提高反相色譜的分離效率。比如采用樹枝狀的分子結(jié)構(gòu)與聚合物表面包覆等方法可以巧妙地提高硅球表面的反應(yīng)位點(diǎn),通過(guò)多步反應(yīng)的方式來(lái)提高碳含量。Niu等[8]將聚合物PEG-600包覆在亞2 μm NPS微球表面,在蛋白質(zhì)樣品中表現(xiàn)出良好的分析能力;Chu等[9]在5 μm二氧化硅顆粒表面,修飾大量的樹枝狀結(jié)構(gòu),通過(guò)發(fā)散狀的方式循環(huán)反應(yīng)獲得了25.8%的高碳含量,并將其用作超高壓液相色譜的新型填料。

二氧化硅微球表面硅羥基的數(shù)量與狀態(tài)對(duì)二氧化硅球的分散性、穩(wěn)定性及表面修飾活性等性質(zhì)均有較大的影響[10]。本文首先對(duì)比NPS材料與多孔二氧化硅(PS)材料表面硅羥基的結(jié)構(gòu)差異,在此基礎(chǔ)上針對(duì)亞微米NPS微球設(shè)計(jì)一種表面修飾的新方法,將聚乙烯亞胺(PEI)包覆在二氧化硅微球表面,利用其自身大量的氨基作為反應(yīng)位點(diǎn),通過(guò)硬脂酰氯的?；磻?yīng)得到含較高密度C18的新型亞微米反相NPS材料。采用傅里葉變換紅外光譜、Zeta電勢(shì)、元素分析、熱重實(shí)驗(yàn)等手段對(duì)修飾方法進(jìn)行表征;并利用pCEC平臺(tái)可規(guī)避反壓限制的特性[11,12],將該亞微米級(jí)別的色譜填料運(yùn)用于pCEC平臺(tái),對(duì)電滲流(EOF)的大小進(jìn)行測(cè)定,并用苯系物及多環(huán)芳烴等物質(zhì)考察其作用機(jī)理,證明本研究合成的以C18、氨基為特征，3-縮水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTS)連接的亞微米無(wú)孔二氧化硅固定相(C18-NH2-GPTS-SiO2)是一種與加壓毛細(xì)管電色譜平臺(tái)具有良好契合度的新型色譜填料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

TriSep-3000加壓毛細(xì)管電色譜儀(美國(guó)Unimicro Technologies Pleasanton CA公司);熔融石英毛細(xì)管(100 μm i.d.,河北永年銳灃色譜器件有限公司);納米粒度Zeta電位儀(美國(guó)Brookhaven公司);比表面積與孔隙度分析儀(美國(guó)Quantachrome儀器公司);紅外光譜儀(美國(guó)Thermo Fisher公司); 600 MHz固體核磁共振波譜儀(瑞士Bruker公司); S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi電子株式會(huì)社); Vario EL Cube型元素分析儀(德國(guó)Elementar公司); Tyris 1型熱重分析儀(TGA, 美國(guó)PerkinElmer公司)。

720 nm NPS微球(美國(guó)Fiber Optic Center公司); 3 μm PS微球(加拿大Silicycle公司); GPTS (純度97%)購(gòu)自北京伊諾凱科技有限公司;聚乙烯亞胺(Mr70 000, 50%水溶液)購(gòu)自上海僑怡生物科技有限公司;硬脂酰氯(純度97%)購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司;苯、甲苯、乙基苯、正丙基苯、正丁基苯、環(huán)己基苯、萘、苊、蒽、苯并[a]蒽、甲酸銨、甲酸均購(gòu)自阿拉丁上海有限公司,純度均不小于98%;乙腈(色譜純)購(gòu)于美國(guó)Tedia公司;濃硝酸、甲苯、丙酮、無(wú)水乙醚、無(wú)水乙醇、二氯甲烷等均為化學(xué)純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 二氧化硅微球表面結(jié)構(gòu)修飾

720 nm NPS微球的活化:稱取2 g高溫煅燒后的720 nm NPS微球于150 mL圓底燒瓶中,加入40 mL超純水充分振蕩超聲后置于油浴鍋中,加入40 mL濃硝酸,于140 ℃冷凝回流反應(yīng)4 h。待反應(yīng)結(jié)束后,將材料使用超純水洗滌3次至洗滌液中性,無(wú)水乙醇洗滌2次后回收微球材料置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h,將材料標(biāo)記為720 nm-activated-SiO2。

720 nm-activated-SiO2修飾環(huán)氧丙基:稱取1.5 g上述反應(yīng)制備的720 nm-activated-SiO2,于120 ℃真空干燥箱中除水6 h,隨后轉(zhuǎn)移至150 mL雙頸燒瓶中,加入60 mL除水甲苯后,采用橡膠塞封口,充分振蕩超聲后置于油浴鍋中,安裝冷凝管及氮?dú)獗Ｗo(hù)裝置后使用注射器從橡膠塞口注入9 mL GPTS,于110 ℃冷凝回流反應(yīng)24 h。待反應(yīng)結(jié)束后,將材料依次使用50 mL甲苯、丙酮、無(wú)水乙醚洗滌,回收反應(yīng)后硅球材料置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h,備用,將材料標(biāo)記為720 nm-GPTS-SiO2。

720 nm-GPTS-SiO2修飾聚乙烯亞胺:稱取1 g上述反應(yīng)制備的720 nm-GPTS-SiO2,于150 mL圓底燒瓶中,加入40 mL無(wú)水乙醇,充分振蕩超聲后置于油浴鍋中,注入40 mL聚乙烯亞胺水溶液后,于55 ℃冷凝回流反應(yīng)24 h。待反應(yīng)結(jié)束后,將材料依次使用50 mL超純水、丙酮、無(wú)水乙醚洗滌,回收反應(yīng)后硅球材料置于60 ℃真空干燥箱中干燥12 h,備用,將材料標(biāo)記為720 nm-NH2-GPTS-SiO2。

720 nm-NH2-GPTS-SiO2的硬質(zhì)酰氯修飾:稱取1 g上述反應(yīng)制備的720 nm-NH2-GPTS-SiO2材料,加入150 mL雙頸燒瓶中,通氮?dú)夂笥孟鹉z塞封口,采用注射器注入10 mL二氯甲烷,超聲使其分散均勻。配制0.1 g/mL硬質(zhì)酰氯溶液(稱取硬質(zhì)酰氯固體1 g,溶于10 mL二氯甲烷),置于10 mL恒壓滴液漏斗中,調(diào)整流速逐滴滴入雙頸燒瓶中,冰水浴下過(guò)夜反應(yīng)12 h。待反應(yīng)結(jié)束后,將材料依次使用50 mL二氯甲烷、無(wú)水乙醇洗滌,置于60 ℃真空干燥箱中干燥,將材料標(biāo)記為720 nm-C18-NH2-GPTS-SiO2。

采用相同的表面結(jié)構(gòu)修飾方案修飾3 μm PS微球用作后續(xù)色譜性能對(duì)比,各步反應(yīng)修飾產(chǎn)物分別記為3 μm-activated-SiO2、3 μm-GPTS-SiO2、3 μm-NH2-GPTS-SiO2、3 μm-C18-NH2-GPTS-SiO2。采用文獻(xiàn)[3]相同方法在同款720 nm NPS微球表面修飾C18基團(tuán),記為720 nm-C18-SiO2。

1.3 毛細(xì)管色譜柱的制備

采用高壓勻漿法將720 nm-C18-NH2-GPTS-SiO2色譜填料分別填入毛細(xì)管色譜填充柱。毛細(xì)管內(nèi)徑:100 μm,有效長(zhǎng)度:10 cm,毛細(xì)管總長(zhǎng):30 cm。分別在毛細(xì)管填充柱末端柱塞后1 mm處燒制紫外檢測(cè)窗口,用于后續(xù)pCEC平臺(tái)色譜性能實(shí)驗(yàn)。

1.4 色譜分離條件

苯系物的分離:流動(dòng)相A為10 mmol/L甲酸銨水溶液,甲酸調(diào)節(jié)pH至4.00;流動(dòng)相B為乙腈。毛細(xì)管進(jìn)口端接地,出口端施加+15 kv的電壓,分流比為2 000∶1,定量環(huán)1 μL,紫外檢測(cè)波長(zhǎng)214 nm,泵流速0.035 mL/min。梯度洗脫程序?yàn)?～10 min, 30%B～70%B; 10～40 min, 70%B。

多環(huán)芳烴化合物的分離:流動(dòng)相A為10 mmol/L甲酸銨水溶液,甲酸調(diào)節(jié)pH至3.00；流動(dòng)相B為乙腈。紫外檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm。梯度洗脫程序?yàn)?～5 min, 45%B～70%B; 5～40 min, 70%B。其余條件同苯系物的分離。

2 結(jié)果與討論

2.1 NPS微球與PS微球形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)的比較

由于制備方法的區(qū)別[13], NPS微球與PS微球在比表面積、孔徑孔容、表面硅羥基狀態(tài)等方面存在差異,導(dǎo)致在其表面進(jìn)行修飾反應(yīng)及后續(xù)分離應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生較大不同。本研究以720 nm無(wú)孔二氧化硅微球(720 nm-NPS)與3 μm多孔二氧化硅微球(3 μm-PS)為研究對(duì)象,采用動(dòng)態(tài)光散射法(DLS)測(cè)定兩種微球的粒徑信息,通過(guò)BET比表面積測(cè)試法對(duì)比二者的孔徑、比表面積。并進(jìn)一步采用傅里葉變換紅外光譜法和600 MHz固體核磁共振波譜儀比較了兩種二氧化硅微球表面羥基狀態(tài)的區(qū)別。

2.1.1孔結(jié)構(gòu)的差異

DLS單分散性測(cè)試結(jié)果顯示:兩種二氧化硅微球的分散性均良好,其中3 μm-PS測(cè)得平均粒徑為3 056.63 nm,分散性系數(shù)為0.088; 720 nm-NPS平均粒徑為718.94 nm,分散性系數(shù)為0.033。

如圖1兩種微球的氮?dú)馕脚c解析附曲線所示:3 μm-PS屬于Ⅴ型吸附等溫線,在中等壓力處有回滯環(huán)的產(chǎn)生,體現(xiàn)氮?dú)庠谖⑶虻目捉Y(jié)構(gòu)中有毛細(xì)凝聚的現(xiàn)象發(fā)生,符合多孔微球的特征;而在720 nm-NPS的吸附與解吸附等溫線中,幾乎沒(méi)有回滯環(huán)的產(chǎn)生,屬于Ⅲ型吸附等溫線。通過(guò)進(jìn)一步分析二者的孔徑分布圖可以看到,3 μm-PS除了存在大量2 nm以下的微孔以外,還有大量的10～20 nm的中孔(介孔)結(jié)構(gòu),而720 nm-NPS僅有極少量的2 nm以下的微孔,考慮微球間自身堆積產(chǎn)生孔結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象,可近似認(rèn)為是無(wú)孔的,與文獻(xiàn)[14]結(jié)果一致。同時(shí)PS微球的比表面積遠(yuǎn)大于NPS微球,二者的測(cè)試結(jié)果分別為317.6 m2/g和4.815 m2/g。

圖 1 3 μm-PS與720 nm-NPS微球的N2吸附-解析附圖和孔徑分布圖Fig. 1 N2 adsorption-desorption plots and pore size distribution curves of 3 μm-PS and 720 nm-NPS microspheresPS: porous silica; NPS: nonporous silica.

圖 2 720 nm-NPS與3 μm-PS微球的紅外光譜圖Fig. 2 FT-IR spectra of 720 nm-NPS and 3 μm-PS microspheres

2.1.2硅羥基的差異

圖2的紅外圖譜展示了未修飾的兩種二氧化硅微球的官能團(tuán)情況:3 445 cm-1處的強(qiáng)寬峰一般來(lái)自于紅外壓片檢測(cè)過(guò)程中所使用的溴化鉀晶體所帶結(jié)晶水中-OH的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰,1 637 cm-1處的峰同樣來(lái)自樣品中水的H-O-H彎曲振動(dòng)峰;而1 100 cm-1處寬而強(qiáng)的特征吸收峰為Si-O-Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰,800 cm-1處和470 cm-1處的峰分別為Si-O-Si的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和彎曲振動(dòng)峰。

圖 3 表面硅氧烷、鄰位硅羥基、孤立硅羥基和偕硅羥基示意圖Fig. 3 Schematic diagrams of siloxanes, vicinal silanols,isolated silanols and geminal silanols

除了這些特征峰之外,本研究發(fā)現(xiàn)3 μm-PS的硅羥基出峰位置為975 cm-1,而720 nm-NPS的硅羥基出峰位置為955 cm-1,出現(xiàn)了微小程度的紅移。該差異在本實(shí)驗(yàn)室自行合成或采購(gòu)的其他品牌商品二氧化硅材料中均存在。NPS及PS微球的硅羥基紅外峰存在20 cm-1的差異,可能是NPS及PS材料表面硅羥基的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的不同。

二氧化硅微球表面的硅羥基及硅烷表面化學(xué)結(jié)構(gòu)種類如圖3所示可分為以下幾類:表面硅氧烷(Q4)、孤立硅羥基(Q3)、偕硅羥基(Q2)以及當(dāng)羥基與鄰位的硅氧形成氫鍵時(shí)產(chǎn)生的鄰硅羥基結(jié)構(gòu)[15]。

本研究進(jìn)一步采用600 MHz固體核磁共振波譜儀檢測(cè)29Si的核磁共振波譜來(lái)揭示NPS及PS材料表面硅羥基的結(jié)構(gòu)差異。圖4展示了720 nm-NPS與3 μm-PS在29Si核磁共振譜中的差異,δ110處最強(qiáng)的峰為Si-O-Si硅氧烷的吸收峰(Q4);δ100處為鄰位硅羥基或是孤立的硅羥基(Q3);δ90處則為偕硅羥基(Q2)的核磁共振峰。通過(guò)對(duì)核磁圖譜解卷積并以面積歸一化法定量分析:PS微球16%的硅原子帶有一個(gè)硅羥基(孤立硅羥基,Q3)、19%帶有兩個(gè)硅羥基(偕硅羥基,Q2);而NPS微球不存在偕硅羥基,僅有30%硅原子處于孤立硅羥基狀態(tài)。這進(jìn)一步證明了紅外圖譜20 nm的差異是因?yàn)镹PS及PS材料表面的硅羥基處于不同的狀態(tài)。

圖 4 720 nm-NPS與3 μm-PS微球的29Si固體核磁圖譜Fig. 4 29Si solid-state NMR spectra of 720 nm-NPS and 3 μm-PS microspheres

可通過(guò)計(jì)算二氧化硅微球的總硅羥基比值(2Q2+Q3)/(Q2+Q3+Q4)進(jìn)一步對(duì)比硅羥基的數(shù)量[16]: NPS微球的總硅羥基比值為0.30,小于PS微球的0.54。而且偕硅羥基也在文獻(xiàn)[17]中被證實(shí)表面修飾活性遠(yuǎn)超于孤立硅羥基和鄰位硅羥基,因此這也解釋了亞微米NPS微球表面修飾反應(yīng)活性較低,難以用常規(guī)十八烷基氯硅烷等簡(jiǎn)單一步反應(yīng)修飾得到高的碳含量。鑒于無(wú)孔和多孔表面羥基結(jié)構(gòu)的差異主要來(lái)源于兩種基質(zhì)材料本身的合成方式的不同,所以本文后續(xù)采用多步反應(yīng)利用聚合物增加反應(yīng)位點(diǎn),制備高碳含量的新型亞微米NPS微球。

2.2 高碳含量二氧化硅微球的合成與表征

高碳含量NPS微球的具體合成過(guò)程如圖5所示:將酸活化后的SiO2用GPTS硅烷化試劑修飾得到具有環(huán)氧丙基的GPTS-SiO2,利用環(huán)氧丙基與氨基的共價(jià)鍵反應(yīng)將聚乙烯亞胺包覆在硅球表面得到NH2-GPTS-SiO2,最后以硬脂酰氯?；揎椀玫骄哂虚L(zhǎng)碳鏈的C18-NH2-GPTS-SiO2。該反應(yīng)的特點(diǎn)在于PEI聚合物的引入,利用PEI自身具有大量氨基反應(yīng)位點(diǎn)的特性來(lái)提高后續(xù)碳的含量。

2.2.1元素分析

采用元素分析對(duì)修飾過(guò)程中各步反應(yīng)的氮、碳、氫3種元素的含量變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如表1所示:720 nm的NPS微球碳含量從0.55%增加到了8.29%; 3 μm的PS微球碳含量從0.34%增加到了20.15%。如2.1節(jié)中所提到的,NPS微球由于比表面積低及硅羥基種類數(shù)量的限制,在該修飾方案下碳含量增幅不如PS微球,但8.29%的數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)C18修飾方案修飾的同款亞微米NPS材料0.79%的數(shù)據(jù),說(shuō)明該C18-NH2-GPTS-SiO2修飾方法已經(jīng)很成功地實(shí)現(xiàn)了提高亞微米NPS微球表面碳含量的目的。

表 1 結(jié)構(gòu)修飾過(guò)程元素分析結(jié)果Table 1 Elemental analysis result of modification process

2.2.2傅里葉變換紅外光譜

FT-IR中3 000 cm-1以下的飽和碳?xì)浼t外吸收峰可用于表征亞微米NPS微球修飾過(guò)程中的各步反應(yīng)。圖6a中GPTS-SiO2的譜帶相比未修飾硅球多了2 920 cm-1和2 850 cm-1處的吸收峰,分別表示-CH2的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰,這表明了GPTS的成功修飾。而在硬脂酰氯修飾后的C18-NH2-GPTS-SiO2譜帶中,2 960 cm-1處代表-CH3基團(tuán)的吸收峰相對(duì)-CH2吸收峰較小,這與硬質(zhì)酰氯中-CH3與-CH2基團(tuán)的比例近似,因此印證了C18基團(tuán)的成功修飾。

2.2.3Zeta電勢(shì)

紅外圖譜很難展現(xiàn)出聚乙烯亞胺包覆前后官能團(tuán)的差異,本研究采用Zeta電勢(shì)來(lái)輔助驗(yàn)證這一修飾過(guò)程,通過(guò)將各反應(yīng)產(chǎn)物在無(wú)水乙醇中配制成0.3 mg/mL的混懸液,得到如圖6b所示結(jié)果:經(jīng)酸活化的二氧化硅微球及GPTS修飾后的微球由于表面帶有大部分硅羥基,其表面Zeta電勢(shì)為負(fù)值,而在聚乙烯亞胺包覆后Zeta電勢(shì)發(fā)生了電性的反轉(zhuǎn),從表面帶羥基的負(fù)電勢(shì)狀態(tài)增大到正值,該過(guò)程補(bǔ)充證明GPTS-SiO2與NH2-GPTS-SiO2紅外圖譜差異不大的現(xiàn)象,說(shuō)明了經(jīng)過(guò)聚乙烯亞胺的包覆后,二氧化硅微球表面主要帶氨基,為正電荷。在硬脂酰氯的修飾反應(yīng)中,720 nm-C18-NH2-GPTS-SiO2的Zeta電勢(shì)略有降低,而3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2的Zeta電勢(shì)繼續(xù)升高,體現(xiàn)出氨基包覆與多孔材料的結(jié)合更為緊密,聚合物結(jié)合在微球內(nèi)部,不易因后續(xù)反應(yīng)失去。

2.2.4熱重分析

圖6c展示了C18-NH2-GPTS-SiO2修飾方案修飾后的720 nm與3 μm SiO2微球的TGA曲線。3 μm SiO2微球的質(zhì)量損失較720 nm微球大得多,該結(jié)果與元素分析中兩者碳含量差異(20.15%和8.29%)的結(jié)果相符。TGA曲線微分后得到的DTG曲線(見(jiàn)圖6d)可以分析2種材料的不同質(zhì)量損失階段,720 nm微球的質(zhì)量損失可以明顯地被分成4個(gè)階段:第一個(gè)階段發(fā)生在100 ℃以下,可認(rèn)作是材料表面吸附水的流失和吸附氣體的揮發(fā);第二個(gè)階段發(fā)生在210 ℃附近,其質(zhì)量損失幅度最大,可歸結(jié)為C18-NH2-GPTS-SiO2修飾方案中最后一步通過(guò)硬質(zhì)酰氯修飾提供的C18碳鏈的流失,同樣符合元素分析結(jié)果中720 nm NH2-GPTS-SiO2微球與720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2微球碳含量從2.19%到8.29%的最大增長(zhǎng);第三個(gè)階段發(fā)生在390 ℃左右,可以認(rèn)為是材料表面包覆的聚乙烯亞胺聚合物的燃燒,因?yàn)榇蠓肿泳酆衔锏娜键c(diǎn)較之小分子化合物更高;第四個(gè)階段發(fā)生在460 ℃附近,其可認(rèn)為是硅球表面最后包覆的一層GPTS硅烷化試劑。反觀3 μm PS微球的DTG微分曲線,其幾個(gè)質(zhì)量損失階段有所重合,第一階段100 ℃以下,材料表面吸附水的流失和吸附氣體的揮發(fā)過(guò)程與720 nm SiO2微球相仿,最大的差別來(lái)自于第二個(gè)階段C18碳鏈的流失較720 nm SiO2微球的流失溫度更高,與第三、第四個(gè)階段有所重合,顯示C18碳鏈與3 μm SiO2微球結(jié)合更為緊密。考慮到其具有多孔結(jié)構(gòu),碳鏈修飾在微球內(nèi)部,所需質(zhì)量流失的溫度也更高。

2.2.5掃描電鏡

圖7展示了720 nm和3 μm SiO2微球在C18-NH2-GPTS-SiO2修飾方案修飾后的形貌變化,相較于修飾前較為光滑的表面,在修飾后的微球表面較為粗糙,具有一層表面結(jié)構(gòu)修飾的包覆層。

2.3 C18-NH2-GPTS-SiO2色譜填料在毛細(xì)管電色譜平臺(tái)的機(jī)理考察

2.3.1EOF的比較

圖8a展示了720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2與3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2材料毛細(xì)管填充柱在不同pH值、不同電壓下EOF的變化情況。720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2色譜柱的EOF對(duì)pH值變化敏感,電滲流隨著pH值的減小而急劇增大,其特性應(yīng)與該種材料表面的基團(tuán)有關(guān)。從紅外與Zeta電勢(shì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看到,改性后的硅球表面除了含有大量的氨基使得微球表面帶正電荷外,從紅外圖譜上還可以觀察到存在部分殘留羥基(955 cm-1處),其很可能是反應(yīng)活性較低未與GPTS反應(yīng)的孤立硅羥基,兩種基團(tuán)的同時(shí)存在導(dǎo)致該材料需在酸性pH應(yīng)用以獲取極快的電滲流。而3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2材料毛細(xì)管填充柱,由于該大顆粒多孔材料表面多是反應(yīng)活性高的偕硅羥基,其在本修飾方法中已被完全取代,材料表面僅存帶正電荷的氨基,故其EOF對(duì)pH值相對(duì)不敏感。

圖 8 720 nm與3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2色譜柱的(a)電滲流隨pH、施加電壓的變化關(guān)系和(b)反相作用機(jī)理考察Fig. 8 (a) EOF velocity versus pH and applied voltage of 720 nm and 3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2 columns and (b) investigation of hydrophobic mechanismEOF: electroosmotic flow.

2.3.2C18-NH2-GPTS-SiO2色譜填料反相機(jī)理的考察

圖8b比較了苯、萘、苊、蒽和苯并[a]蒽等5種物質(zhì)的調(diào)整保留因子隨流動(dòng)相中乙腈體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系,可以觀察到:無(wú)論是3 μm還是720 nm的C18-NH2-GPTS-SiO2毛細(xì)管填充柱均符合反相色譜機(jī)理,苯、萘、苊、蒽和苯并[a]蒽等無(wú)機(jī)物小分子的保留時(shí)間均隨著流動(dòng)相中乙腈體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。可見(jiàn)該表面結(jié)構(gòu)修飾方案除了通過(guò)氨基包覆的方式加快電滲流之外,還以硬質(zhì)酰氯修飾提供長(zhǎng)碳鏈的方式提高亞微米材料表面碳含量,提高反相機(jī)理下的分離能力,具有實(shí)際意義,且本文的合成方法相較于采用“樹枝狀”或是“刷子型”[9,18]等其他提高碳含量的修飾方法,具有反應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單、可以一次性利用高分子聚合物提供更多反應(yīng)位點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。

圖 9 施加電壓對(duì)720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2色譜柱分離(a)苯系物與(b)多環(huán)芳烴的影響和不同色譜柱分離(c)苯系物與(d)多環(huán)芳烴效果對(duì)比Fig. 9 Effects of voltages on the separation of (a) benzene series and (b) polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in 720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2 column and comparison between different columns on the separation of (c) benzene series and (d) PAHs1. benzene; 2. toluene; 3. ethylbenzene; 4. n-propyl benzene; 5. n-butylbenzene; 6. cyclohexylbenzene; 7. benzene; 8. naphthalene; 9. acenaphthene; 10. anthracene; 11. benz(a)anthracene.

2.4 C18-NH2-GPTS-SiO2材料色譜分離性能評(píng)價(jià)

2.4.1苯系物的分析

圖9a對(duì)比了在pCEC模式下,施加不同電壓對(duì)于6種苯系物分離效果的變化,可以觀察到在pH值為4時(shí),相比微徑液相模式,施加電壓能顯著提高線性流速,縮短分析時(shí)間,且隨著施加電壓的增高峰形有一定的改善。

圖9b則對(duì)比了720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2、3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細(xì)管填充柱和傳統(tǒng)方法制備的720 nm C18-SiO2毛細(xì)管填充柱之間在同一色譜條件下的分離效果對(duì)比。傳統(tǒng)方法制備的720 nm C18-SiO2毛細(xì)管填充柱表面帶羥基,為負(fù)電荷,與前兩種氨基修飾帶正電荷相反,故分離時(shí)采用在毛細(xì)管后端施加-15 kV的電壓以獲得同樣正向的電滲流。從結(jié)果中可以看到,采用本修飾方案的720 nm和3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細(xì)管填充柱在分離速度有明顯優(yōu)勢(shì),說(shuō)明通過(guò)將表面改為大量氨基的方法可以獲得更高的電滲流,使pCEC分離過(guò)程中的線性流速增加,從而縮短分析時(shí)間。

2.4.2多環(huán)芳烴類化合物的分析

圖9c對(duì)比了在pCEC模式下,施加不同電壓對(duì)5種多環(huán)芳烴類化合物分離效果的影響。與圖8a中EOF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相印證的是,在pH為3的條件下,電滲流的大小隨施加電壓的增加呈倍數(shù)增長(zhǎng),此時(shí)相比壓力流,電滲流的大小對(duì)色譜分離速度起到主導(dǎo)作用,720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2色譜填充柱中各組分的分離速度隨著施加電壓的增加而大幅加快,在+15 kV的條件下達(dá)到最高線性流速,實(shí)現(xiàn)了在5 min內(nèi)對(duì)5種化合物的快速分離。

圖9d同樣對(duì)比了多環(huán)芳烴類化合物在3種色譜填充柱的分離效果:與2.4.1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,采用本修飾方案的720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細(xì)管填充柱在分離速度的優(yōu)勢(shì)上最為明顯,分離速度明顯大于3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細(xì)管填充柱和傳統(tǒng)720 nm C18- SiO2毛細(xì)管填充柱。而且由于碳含量的增加,分離效果上也比傳統(tǒng)C18修飾色譜柱更佳。由此可見(jiàn),720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細(xì)管填充柱具有兩大優(yōu)勢(shì):其一是通過(guò)氨基的包覆將二氧化硅微球表面的電性改變,并大幅加快電滲流以提高分離速度;其二是通過(guò)酰胺鍵將長(zhǎng)碳鏈與氨基連接,提高亞微米無(wú)孔材料的碳含量,在反相機(jī)理下取得更佳的分離效果。

3 結(jié)論

本文利用pCEC平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),將壓力流與電滲流作為共同驅(qū)動(dòng)力,規(guī)避了亞微米NPS微球在傳統(tǒng)液相色譜上應(yīng)用時(shí)反壓過(guò)大的限制[19]。本文針對(duì)亞微米NPS微球表面性質(zhì)進(jìn)行深入探究,發(fā)現(xiàn)了NPS材料具有表面硅羥基相對(duì)較少,缺少高反應(yīng)活性的偕硅羥基,表面修飾困難的特征,并針對(duì)這一特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種具有高碳含量的新型表面結(jié)構(gòu)修飾方法。該方法創(chuàng)新性地利用聚合物包覆的方式提供了更多的反應(yīng)位點(diǎn),使得亞微米NPS微球表面碳含量大幅提高,并且在pCEC平臺(tái)應(yīng)用時(shí),氨基的包覆使得電滲流大幅加快,提高了色譜分離速度?？梢?jiàn)C18-NH2-GPTS-SiO2作為一種非常適用于pCEC平臺(tái)應(yīng)用的優(yōu)異材料修飾方法,為pCEC平臺(tái)色譜材料的開(kāi)發(fā)與亞微米NPS微球的應(yīng)用提供了新的思路和參考。