高碳含量新型亞微米無孔二氧化硅材料的修飾方法及其在反相加壓毛細管電色譜平臺上的應(yīng)用

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]，亞微米無孔二氧化硅(NPS)材料開始逐漸被應(yīng)用于毛細管填充柱與加壓毛細管電色譜(pCEC)平臺[2,3]。依據(jù)Van Deemter方程,亞微米級別粒徑的填料能大幅提升色譜性能，且無孔材料相比多孔材料而言,不存在流動相在介孔結(jié)構(gòu)中停滯流動從而造成傳質(zhì)阻力的問題,傳質(zhì)阻力減小,理論塔板高度進一步降低[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孔的雙重優(yōu)勢,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],當采用十八烷基氯硅烷等傳統(tǒng)C18修飾方法修飾時,修飾效率低,碳含量通常僅為1%左右,遠低于多孔材料的10%～17%[4]。在反相色譜分離機理下,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,通過多步反應(yīng)的方式來提高碳含量。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)上針對亞微米NPS微球設(shè)計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,通過硬脂酰氯的?；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、元素分析、熱重實驗等手段對修飾方法進行表征;并利用pCEC平臺可規(guī)避反壓限制的特性[11,12],將該亞微米級別的色譜填料運用于pCEC平臺,對電滲流(EOF)的大小進行測定,并用苯系物及多環(huán)芳烴等物質(zhì)考察其作用機理,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)連接的亞微米無孔二氧化硅固定相(C18-NH2-GPTS-SiO2)是一種與加壓毛細管電色譜平臺具有良好契合度的新型色譜填料。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

TriSep-3000加壓毛細管電色譜儀(美國Unimicro Technologies Pleasanton CA公司);熔融石英毛細管(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Brookhaven公司);比表面積與孔隙度分析儀(美國Quantachrome儀器公司);紅外光譜儀(美國Thermo Fisher公司); 600 MHz固體核磁共振波譜儀(瑞士Bruker公司); S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi電子株式會社); Vario EL Cube型元素分析儀(德國Elementar公司); Tyris 1型熱重分析儀(TGA, 美國PerkinElmer公司)。

720 nm NPS微球(美國Fiber Optic Center公司); 3 μm PS微球(加拿大Silicycle公司); GPTS (純度97%)購自北京伊諾凱科技有限公司;聚乙烯亞胺(Mr70 000, 50%水溶液)購自上海僑怡生物科技有限公司;硬脂酰氯(純度97%)購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、甲酸均購自阿拉丁上海有限公司,純度均不小于98%;乙腈(色譜純)購于美國Tedia公司;濃硝酸、甲苯、丙酮、無水乙醚、無水乙醇、二氯甲烷等均為化學(xué)純,購自國藥集團化學(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,安裝冷凝管及氮氣保護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,通氮氣后用橡膠塞封口,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、無水乙醇洗滌,置于60 ℃真空干燥箱中干燥,將材料標記為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[3]相同方法在同款720 nm NPS微球表面修飾C18基團,記為720 nm-C18-SiO2。

1.3 毛細管色譜柱的制備

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

1.4 色譜分離條件

苯系物的分離:流動相A為10 mmol/L甲酸銨水溶液,甲酸調(diào)節(jié)pH至4.00;流動相B為乙腈。毛細管進口端接地,出口端施加+15 kv的電壓,分流比為2 000∶1,定量環(huán)1 μL,紫外檢測波長214 nm,泵流速0.035 mL/min。梯度洗脫程序為0～10 min, 30%B～70%B; 10～40 min, 70%B。

多環(huán)芳烴化合物的分離:流動相A為10 mmol/L甲酸銨水溶液,甲酸調(diào)節(jié)pH至3.00；流動相B為乙腈。紫外檢測波長254 nm。梯度洗脫程序為0～5 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)致在其表面進行修飾反應(yīng)及后續(xù)分離應(yīng)用會產(chǎn)生較大不同。本研究以720 nm無孔二氧化硅微球(720 nm-NPS)與3 μm多孔二氧化硅微球(3 μm-PS)為研究對象,采用動態(tài)光散射法(DLS)測定兩種微球的粒徑信息,通過BET比表面積測試法對比二者的孔徑、比表面積。并進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1兩種微球的氮氣吸附與解析附曲線所示: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)氮氣在微球的孔結(jié)構(gòu)中有毛細凝聚的現(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,幾乎沒有回滯環(huán)的產(chǎn)生,屬于Ⅲ型吸附等溫線。通過進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,可近似認為是無孔的,與文獻[14]結(jié)果一致。同時PS微球的比表面積遠大于NPS微球,二者的測試結(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情況:3 445 cm-1處的強寬峰一般來自于紅外壓片檢測過程中所使用的溴化鉀晶體所帶結(jié)晶水中-OH的反對稱伸縮振動峰,1 637 cm-1處的峰同樣來自樣品中水的H-O-H彎曲振動峰;而1 100 cm-1處寬而強的特征吸收峰為Si-O-Si的反對稱伸縮振動峰,800 cm-1處和470 cm-1處的峰分別為Si-O-Si的對稱伸縮振動峰和彎曲振動峰。

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。該差異在本實驗室自行合成或采購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)以及當羥基與鄰位的硅氧形成氫鍵時產(chǎn)生的鄰硅羥基結(jié)構(gòu)[15]。

本研究進一步采用600 MHz固體核磁共振波譜儀檢測29Si的核磁共振波譜來揭示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。通過對核磁圖譜解卷積并以面積歸一化法定量分析:PS微球16%的硅原子帶有一個硅羥基(孤立硅羥基,Q3)、19%帶有兩個硅羥基(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)。這進一步證明了紅外圖譜20 nm的差異是因為NPS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

可通過計算二氧化硅微球的總硅羥基比值(2Q2+Q3)/(Q2+Q3+Q4)進一步對比硅羥基的數(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[17]中被證實表面修飾活性遠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單一步反應(yīng)修飾得到高的碳含量。鑒于無孔和多孔表面羥基結(jié)構(gòu)的差異主要來源于兩種基質(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,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,最后以硬脂酰氯酰基化修飾得到具有長碳鏈的C18-NH2-GPTS-SiO2。該反應(yīng)的特點在于PEI聚合物的引入,利用PEI自身具有大量氨基反應(yīng)位點的特性來提高后續(xù)碳的含量。

2.2.1元素分析

采用元素分析對修飾過程中各步反應(yīng)的氮、碳、氫3種元素的含量變化進行監(jiān)測。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),說明該C18-NH2-GPTS-SiO2修飾方法已經(jīng)很成功地實現(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以下的飽和碳氫紅外吸收峰可用于表征亞微米NPS微球修飾過程中的各步反應(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的反對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰,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基團的吸收峰相對-CH2吸收峰較小,這與硬質(zhì)酰氯中-CH3與-CH2基團的比例近似,因此印證了C18基團的成功修飾。

2.2.3Zeta電勢

紅外圖譜很難展現(xiàn)出聚乙烯亞胺包覆前后官能團的差異,本研究采用Zeta電勢來輔助驗證這一修飾過程,通過將各反應(yīng)產(chǎn)物在無水乙醇中配制成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電勢為負值,而在聚乙烯亞胺包覆后Zeta電勢發(fā)生了電性的反轉(zhuǎn),從表面帶羥基的負電勢狀態(tài)增大到正值,該過程補充證明GPTS-SiO2與NH2-GPTS-SiO2紅外圖譜差異不大的現(xiàn)象,說明了經(jīng)過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電勢略有降低,而3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2的Zeta電勢繼續(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個階段:第一個階段發(fā)生在100 ℃以下,可認作是材料表面吸附水的流失和吸附氣體的揮發(fā);第二個階段發(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;第三個階段發(fā)生在390 ℃左右,可以認為是材料表面包覆的聚乙烯亞胺聚合物的燃燒,因為大分子聚合物的燃點較之小分子化合物更高;第四個階段發(fā)生在460 ℃附近,其可認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)過程與720 nm SiO2微球相仿,最大的差別來自于第二個階段C18碳鏈的流失較720 nm SiO2微球的流失溫度更高,與第三、第四個階段有所重合,顯示C18碳鏈與3 μm SiO2微球結(jié)合更為緊密?？紤]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色譜填料在毛細管電色譜平臺的機理考察

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有關(guān)。從紅外與Zeta電勢的實驗結(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,兩種基團的同時存在導(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pH值相對不敏感。

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)整保留因子隨流動相中乙腈體積分數(shù)的變化關(guān)系,可以觀察到:無論是3 μm還是720 nm的C18-NH2-GPTS-SiO2毛細管填充柱均符合反相色譜機理,苯、萘、苊、蒽和苯并[a]蒽等無機物小分子的保留時間均隨著流動相中乙腈體積分數(shù)的增加而降低?？梢娫摫砻娼Y(jié)構(gòu)修飾方案除了通過氨基包覆的方式加快電滲流之外,還以硬質(zhì)酰氯修飾提供長碳鏈的方式提高亞微米材料表面碳含量,提高反相機理下的分離能力,具有實際意義,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)相對簡單、可以一次性利用高分子聚合物提供更多反應(yīng)位點的優(yōu)勢。

圖 9 施加電壓對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價

2.4.1苯系物的分析

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

圖9b則對比了720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2、3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細管填充柱和傳統(tǒng)方法制備的720 nm C18-SiO2毛細管填充柱之間在同一色譜條件下的分離效果對比。傳統(tǒng)方法制備的720 nm C18-SiO2毛細管填充柱表面帶羥基,為負電荷,與前兩種氨基修飾帶正電荷相反,故分離時采用在毛細管后端施加-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毛細管填充柱在分離速度有明顯優(yōu)勢,說明通過將表面改為大量氨基的方法可以獲得更高的電滲流,使pCEC分離過程中的線性流速增加,從而縮短分析時間。

2.4.2多環(huán)芳烴類化合物的分析

圖9c對比了在pCEC模式下,施加不同電壓對5種多環(huán)芳烴類化合物分離效果的影響。與圖8a中EOF的實驗結(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,此時相比壓力流,電滲流的大小對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的條件下達到最高線性流速,實現(xiàn)了在5 min內(nèi)對5種化合物的快速分離。

圖9d同樣對比了多環(huán)芳烴類化合物在3種色譜填充柱的分離效果:與2.4.1中的實驗結(jié)果相似,采用本修飾方案的720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細管填充柱在分離速度的優(yōu)勢上最為明顯,分離速度明顯大于3 μm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細管填充柱和傳統(tǒng)720 nm C18- SiO2毛細管填充柱。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,720 nm C18-NH2-GPTS-SiO2毛細管填充柱具有兩大優(yōu)勢:其一是通過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;其二是通過酰胺鍵將長碳鏈與氨基連接,提高亞微米無孔材料的碳含量,在反相機理下取得更佳的分離效果。

3 結(jié)論

本文利用pCEC平臺的優(yōu)勢,將壓力流與電滲流作為共同驅(qū)動力,規(guī)避了亞微米NPS微球在傳統(tǒng)液相色譜上應(yīng)用時反壓過大的限制[19]。本文針對亞微米NPS微球表面性質(zhì)進行深入探究,發(fā)現(xiàn)了NPS材料具有表面硅羥基相對較少,缺少高反應(yīng)活性的偕硅羥基,表面修飾困難的特征,并針對這一特點,設(shè)計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,使得亞微米NPS微球表面碳含量大幅提高,并且在pCEC平臺應(yīng)用時,氨基的包覆使得電滲流大幅加快,提高了色譜分離速度?？梢奀18-NH2-GPTS-SiO2作為一種非常適用于pCEC平臺應(yīng)用的優(yōu)異材料修飾方法,為pCEC平臺色譜材料的開發(fā)與亞微米NPS微球的應(yīng)用提供了新的思路和參考。