两性离子交换有机聚合物包覆硅球整体柱的制备及评价

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 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；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 containing
50mM 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.6
Separation of 4inorganic anions and 3organic amine cations on column containing silica micro－particles encapsulated in organic
monolith.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 detection
214nm.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.
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