閆曉清，施介華,2（.浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院，浙江　杭州3004；2.浙江工業(yè)大學(xué)綠色化學(xué)合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江　杭州3004）

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氯丙基雜化毛細(xì)管氣相色譜整體柱的制備及其分離機(jī)理研究

閆曉清1，施介華1,2
（1.浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院，浙江杭州310014；2.浙江工業(yè)大學(xué)綠色化學(xué)合成技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江杭州310014）

摘要：采用溶膠-凝膠法制備了3-氯丙基三甲氧基硅烷與正硅酸乙酯雜化的毛細(xì)管氣相色譜整體柱，通過(guò)熱力學(xué)參數(shù)和線性溶劑化能相關(guān)性模型探討了固定相的分離機(jī)理。結(jié)果表明：在色譜過(guò)程中溶質(zhì)分子與固定相之間的相互作用力是恒定的，此整體柱固定相的作用力特征為色散作用>氫鍵酸性>偶極性/極化性。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)該柱對(duì)一些極性和非極性物質(zhì)的分離有良好的分離選擇性。

關(guān)鍵詞：雜化整體柱；氣相色譜；熱力學(xué)參數(shù)；線性溶劑化能

整體柱在氣相色譜中的應(yīng)用最早出現(xiàn)在二十世紀(jì)七十年代初[1-2]，以聚氨酯類整體材料為主。但是初期的聚氨酯整體柱的柱效較低，且聚氨酯材料與玻璃毛細(xì)管柱壁間單純的吸附作用可能使柱體和管壁間存在縫隙。之后發(fā)展出了聚二乙烯苯類氣相色譜整體柱，在制備過(guò)程中先用3-（三甲氧基硅基）丙基甲基丙烯酸酯預(yù)處理硅膠毛細(xì)管[3]，解決了有機(jī)聚合物整體柱與毛細(xì)管管壁的結(jié)合問(wèn)題。Tanaka研究組首次將硅膠整體柱引入氣相色譜體系中[4-5]，與有機(jī)聚合物整體柱相比制備周期較長(zhǎng)且結(jié)構(gòu)改性困難。一步法制備雜化整體柱則可以兼具有機(jī)官能團(tuán)的多選擇性和硅膠基質(zhì)的良好機(jī)械性能，同時(shí)制備簡(jiǎn)單、周期短。然而，目前據(jù)我們的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雜化整體柱的概念在毛細(xì)管氣相色譜中罕見(jiàn)報(bào)道。

本文通過(guò)溶膠-凝膠法制備了雜化毛細(xì)管氣相色譜整體柱。選用多種探針?lè)肿訙y(cè)定其保留過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行線性溶劑化能相關(guān)性模型分析，探討固定相的作用力特征和分離機(jī)理。并用于一些極性和非極性物質(zhì)的分離。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器和試劑

Agilent 6820氣相色譜儀（FID檢測(cè)器）及Agilent Cerity QA-QC色譜工作站購(gòu)自美國(guó)安捷倫科技有限公司；彈性石英毛細(xì)管柱（內(nèi)徑0.25 mm）購(gòu)自永年縣銳灃色譜器件有限公司；正硅酸乙酯（TEOS，CR）購(gòu)自上?；瘜W(xué)試劑采購(gòu)供應(yīng)五聯(lián)化工廠；3-氯丙基三甲氧基硅烷（CPTMS，99%）購(gòu)自安耐吉化學(xué)；聚乙二醇（PEG，Mr:10000，GR），尿素（CR）購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇（CR）購(gòu)自杭州龍山精細(xì)化工有限公司；乙酸（CR）購(gòu)自杭州化學(xué)試劑有限公司；其他有機(jī)試劑均為分析純。所用水均為雙蒸水。

1.2色譜柱的制備

1.2.1毛細(xì)管預(yù)處理

以1 mol/L的NaOH水溶液沖洗毛細(xì)管柱0.5 h，兩端密封，于70℃下熱處理2 h；然后，雙蒸水沖洗至中性。再以1 mol/L的HCl水溶液沖洗0.5 h，兩端密封后于70℃下熱處理2 h；隨后，雙蒸水沖洗至中性，以甲醇沖洗0.5 h，100℃下氮?dú)獯祾咧林芨稍铩?/p>

1.2.2氯丙基雜化毛細(xì)管整體柱的制備

稱取0.25 g PEG于圓底燒瓶中，加入1 mL 1 mol/L的乙酸水溶液，攪拌至PEG完全溶解，依次加入1.5 mL無(wú)水乙醇，2.0 mL TEOS，0.5 mL CPTMS，室溫下攪拌30 min；加入0.25 g尿素，室溫下繼續(xù)攪拌2 h；得到的均勻溶膠液充入預(yù)處理過(guò)的1 m毛細(xì)管中，將毛細(xì)管兩端封口，置于恒溫箱內(nèi)70℃下加熱24 h，使溶膠液膠凝并陳化制得整體柱。相繼以甲醇和雙蒸水分別沖洗柱體去除未反應(yīng)單體、制孔劑、溶劑等。

對(duì)沖洗干凈的雜化柱進(jìn)行老化，具體操作為：以小流量N2（約0.02 MPa）保護(hù)，起始溫度為70℃，以0.5℃/min的速率程序升溫至180℃，然后在180℃下老化10 h。

該色譜柱以乙苯為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在85℃下測(cè)得柱效為357 N/m。

1.3色譜條件

載氣：N2；流速：0.5 mL/min；分流比：100:1；汽化室溫度：250℃；檢測(cè)器溫度：250℃；進(jìn)樣量：0.5 μL。

2　結(jié)果與討論

2.1氯丙基雜化毛細(xì)管整體柱的分離選擇性考察

本文通過(guò)分離一些極性和非極性的物質(zhì)對(duì)來(lái)考察所制備的氯丙基雜化毛細(xì)管整體柱的分離選擇性，結(jié)果如圖1所示。

圖1　物質(zhì)對(duì)的分離色譜圖

從圖1可以看出，本文制備的氯丙基雜化毛細(xì)管整體柱在物質(zhì)的分離中表現(xiàn)出峰型寬、相鄰峰重疊及分析時(shí)間長(zhǎng)的特征。對(duì)環(huán)己烷/苯、相鄰正構(gòu)烷烴和苯的同系物的分析中，分離因子均> 2.4，甲醇/乙醇的分離因子也達(dá)1.95，說(shuō)明該柱對(duì)不同物質(zhì)的保留存在明顯差異，即具有較好的分離選擇性。但是因?yàn)橹л^低，相鄰峰之間存在重疊。對(duì)苯的同系物的分離接近基線分離，說(shuō)明該柱更適用于對(duì)苯類非極性物質(zhì)的分離分析。

2.2分離機(jī)理研究

本文通過(guò)對(duì)所制備的氯丙基雜化毛細(xì)管氣相色譜整體柱的熱力學(xué)參數(shù)和線性溶劑化能的分析來(lái)研究其分離機(jī)理。

2.2.1熱力學(xué)參數(shù)研究

色譜保留過(guò)程中的熱力學(xué)參數(shù)可以通過(guò)Vanˊt Hoff方程計(jì)算[6]：

式中，ΔGo為吉布斯自由能；R表示氣體常數(shù)；T表示溫度；K表示分配系數(shù)；k表示容量因子；準(zhǔn)表示色譜過(guò)程中柱內(nèi)流動(dòng)相體積與固定相體積之比，所研究的色譜柱準(zhǔn)約為0.48。

本文選用12種溶劑作為探針?lè)肿?，并根?jù)以上方程對(duì)其色譜保留行為進(jìn)行了計(jì)算，熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在110℃～150℃范圍內(nèi)12種探針?lè)肿拥娜萘恳蜃拥淖匀粚?duì)數(shù)lnk與相應(yīng)的溫度的倒數(shù)1/T存在良好的線性相關(guān)性（R2> 0.99），表明探針?lè)肿釉谏V保留過(guò)程中的葒Ho和葒So是恒定不變的，即這些探針?lè)肿优c固定相間的相互作用力在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)是恒定不變的，證明本文中制備的整體柱固定相具有良好的穩(wěn)定性。

表1　探針?lè)肿拥奈綗釡y(cè)定結(jié)果

對(duì)探針?lè)肿拥摩o與ΔSo的相關(guān)性的分析結(jié)果表明：脂肪醇類溶劑的焓變與熵變之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9971（式4），線性相關(guān)性顯著，且統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償溫度（Tβ=663.6 K）和調(diào)和平均溫度（Tbm= 403.2 K）存在著顯著的差異。這意味著脂肪醇類溶劑在此固定相上的保留過(guò)程中存在著焓熵補(bǔ)償行為，且保留機(jī)理基本一致。同時(shí)，對(duì)不同類別的探針?lè)肿拥摩o和ΔSo相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)它們的ΔHo和ΔSo沒(méi)有顯著的線性相關(guān)性，呈離散狀態(tài)（圖2）。這表明溶質(zhì)分子的類型不同，則在色譜過(guò)程中與固定相相互作用的方式和保留機(jī)理不同。

圖2　不同探針?lè)肿拥摩o和ΔSo關(guān)系圖

2.2.2線性溶劑化能相關(guān)性分析

Abraham假設(shè)溶質(zhì)分子從氣相轉(zhuǎn)移至固定相的總自由能變化來(lái)自于各種自由能變化的線性加和，建立了一種LSER模型來(lái)評(píng)價(jià)溶質(zhì)與固定相之間的相互作用，描述如下[7-8]：

式中，k是溶質(zhì)分子的容量因子；E，S，A，B，L是溶質(zhì)描述符，分別表示溶質(zhì)的孤對(duì)電子能力、偶極能力、氫鍵酸性能力、氫鍵堿性能力以及色散能力，描述的是溶質(zhì)即探針?lè)肿拥男再|(zhì)；e，s，a，b，l作為相互作用系數(shù)，體現(xiàn)的是探針?lè)肿拥纳鲜鑫宸N性質(zhì)分別對(duì)這個(gè)作用結(jié)果的貢獻(xiàn)程度，可以用來(lái)衡量相應(yīng)作用力的貢獻(xiàn)大小。c是系統(tǒng)常數(shù)。

本文選用23種溶質(zhì)作為探針?lè)肿?，相?yīng)的溶劑化溶質(zhì)描述符列于表2。為了評(píng)價(jià)探針?lè)肿痈鲄?shù)的適用性，對(duì)五個(gè)溶質(zhì)分子描述符進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在置信度為0.01的水平上，E與A、B、L的相關(guān)系數(shù)分別為-0.670、-0.573、0.829，表明了E與A、B、L間存在顯著相關(guān)性；A與S、L的相關(guān)系數(shù)分別為-0.558、-0.708，表明A與S、L間也存在顯著相關(guān)性。因此，出于參數(shù)的適用性和模型的簡(jiǎn)約性，將溶劑化參數(shù)模型中的eE和aA這兩項(xiàng)移除，從而簡(jiǎn)化如下：

表2　探針?lè)肿拥娜軇┗苜|(zhì)描述符及其保留數(shù)值

表3　溶質(zhì)描述符的相關(guān)系數(shù)矩陣

表4　固定相溶劑化參數(shù)多元線性回歸分析結(jié)果

利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)logk（表2）和式（6）中的溶質(zhì)描述符S，B，L進(jìn)行逐步多元線性回歸分析，結(jié)果如表4所示，s，b，l三個(gè)系數(shù)的sig.值均為0.000，且相關(guān)系數(shù)R > 0.99，表明因子S，B 和L與logk之間存在顯著線性相關(guān)性。這意味著溶質(zhì)分子與固定相間主要相互作用力是偶極-偶極作用、氫鍵作用和色散力。同時(shí)，從標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)β項(xiàng)可知，在此整體柱上各種相互作用力貢獻(xiàn)大小次序?yàn)椋篖>B>S，即色散力>氫鍵堿性作用>偶極-偶極作用。這與柱結(jié)構(gòu)的特征有關(guān)，正硅酸乙酯和氯丙基三硅氧烷完全聚合后，延伸在骨架外的主要是氯丙基，氯丙基與極性、非極性探針?lè)肿娱g均可以形成色散力，所以此固定相對(duì)外表現(xiàn)的主要是色散力，作用強(qiáng)度與探針?lè)肿拥淖冃涡韵嚓P(guān)。弱氫鍵酸性和偶極-偶極作用的存在可能是因?yàn)橛形赐耆酆系墓枇u基存在。

2.3模擬樣品的分離

為了進(jìn)一步考察本文制備的氯丙基雜化毛細(xì)管氣相色譜整體柱的分離選擇性及實(shí)際應(yīng)用可行性，對(duì)脂肪醇和苯的衍生物兩組混合物進(jìn)行了分離分析。結(jié)果如圖4和圖5所示，兩組混合物在此柱上均得到較好的分離。但是分析時(shí)間較長(zhǎng)，不利于實(shí)際分析中的快速分離。

圖4　正構(gòu)脂肪醇混合物的分離譜圖

圖5　苯及其衍生物的分離譜圖

3　結(jié)論

本文制備的氯丙基雜化毛細(xì)管氣相色譜整體柱在氣相色譜分離分析過(guò)程中表現(xiàn)出了獨(dú)特的性質(zhì)，如穩(wěn)定性好、柱效低、對(duì)極性和非極性化合物均有一定的分離選擇性。雖然較寬的峰型和明顯的拖尾降低了分離度，但是對(duì)不同物質(zhì)保留差異顯著，且在較低的柱效下表現(xiàn)出的明顯的分離趨勢(shì)，說(shuō)明本文制備的整體柱具有很好的潛力，有待進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)提高柱效和實(shí)現(xiàn)快速分離方面的改良研究。隨著對(duì)雜化整體柱制備技術(shù)的不斷深入研究，一定會(huì)打開(kāi)更廣更優(yōu)的思路制備出性能更加優(yōu)良的毛細(xì)管氣相色譜整體柱。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ross W D，Jefferson R T. In situ -formed open -pore polyurethane as chromatography supports[J]. J. Chromatogr. Sci.，1970，8（7）:386-389.

[2] Schnecko H，Bieber O. Foam filled columns in gas chromatography[J]. Chromatographia，1971，4（3）: 109-112.

[3] Sykora D，Peters E C，Svec F，F(xiàn)réchet J M J.“Molded”porous polymer monoliths: A novel format for capillary gas chromatography stationary phases[J]. Macromol. Mater. Eng.，2000，275（1）: 42-47.

[4] Korolev A A，Popova T P，Shiryaeva V E，et al. Permeability of monolithic capillary columns in gas chromatography[J]. Russ. J. Phys. Chem.，2005，79（3）: 457-460.

[5] Korolev A A，Popova T P，Shiryaeva V E，et al. Permeability，porosity，and structure of monolithic capillary columns in gas chromatography[J]. Russian Journal of Physical Chemistry，2006，80（1）: 120-123.

[6] Shi J H，Ding Z J，Hu Y. Experimental and theoretical studies on the enantioseparation and chiral recognition ofmandelate and cyclohexylmandelate on permethylated βcyclodextrin chiral stationary phase[J]. Chromatographia，2011，74（3-4）: 319-325.

[7] Abraham M H. Scales of solute hydrogen-bonding: their construction and application to physicochemical and bio chemical processes[J]. Chemical Society Reviews，1993，22（2）: 73-83.

[8] Abraham M H，Poole C F，Poole S K. Classification of stationary phases and other materials by gas chromatography[J]. Journal of Chromatography A，1999，842（1）: 79-114.

[9] Poole C F，Atapattu S N，Poole S K，et al. Determination of solute descriptors by chromatographic methods[J]. Analytica Chimica Acta，2009，652（1-2）: 32-53.

A Study on the Preparation and Separation Mechanism of a Chloropropyl-functionalized Monolithic Capillary Column in GC

YAN Xiao-qing1，SHI Jie-hua1，2
（1. College of Pharmaceutical Sciences，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China; 2. State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry Synthesis Technology, Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014, China）

Abstract:A（3-chloropropyl）-trimethoxysilane/tetraethoxysilane hybrid monolithic capillary column for gas chromatography was prepared by sol-gel technology and characterized by thermodynamic parameters and linear solvation energy relationship methodology. The results indicated that the interaction model of each probe molecule on the monolithic column was constant within the temperature studied and the characteristic forces were dispersion > hydrogen-bond acidity > dipolarity/polarizability. In addition, the separation results of some polar and non-polar compounds showed a good separation selectivity of this hybrid monolithic capillary column.

Keywords:hybrid monolithic column; gas chromatography; thermodynamic parameter; linear solvation energy relationship

作者簡(jiǎn)介：閆曉清（1987-），女，碩士，主要從事色譜學(xué)研究。E-mail: xiaoqing.363@163.com。

收稿日期：2015-05-05

文章編號(hào)：1006-4184（2016）1-0012-06