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(1.江蘇漢邦科技有限公司，淮安 223005；2.大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，大連116622)

高效液相色譜(HPLC)以其高效、快速的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、環(huán)保、化學(xué)化工等領(lǐng)域。作為其核心部分，液相色譜柱填料的研究一直備受關(guān)注。按照基質(zhì)材料的不同，高效液相色譜填料可以分為三大類(lèi)：無(wú)機(jī)基質(zhì)填料、有機(jī)基質(zhì)填料和有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化基質(zhì)填料。其中第三種為一類(lèi)新型硅基材料，是以含有機(jī)基團(tuán)的硅酯為硅源，采用共縮聚法將有機(jī)基團(tuán)直接引入到材料中而得到。與傳統(tǒng)的硅基材料相比，基團(tuán)完全摻入到材料的骨架當(dāng)中，該種材料結(jié)合了無(wú)機(jī)材料的高效性、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度以及有機(jī)材料的高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使得這類(lèi)有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化硅基材料被廣泛地應(yīng)用于色譜領(lǐng)域中。

上世紀(jì)90年代起，對(duì)雜化硅基填料的研究日益活躍，并逐步應(yīng)用于液相色譜中。1992年，Loy和Shea等人[1]制備了一種苯基橋聯(lián)聚合半硅氧烷凝膠，將其作為液相色譜填料在正相條件下對(duì)芳香烴進(jìn)行了分離，并且與傳統(tǒng)的硅膠做了對(duì)比。盡管顆粒的粒徑較大(25～38 μm)，形狀也不規(guī)則，然而雜化硅基填料還是顯示出了很好的柱效并表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)硅膠的選擇性。

1999年，Inagaki[2]等、Stein[3]等和Ozin[4]等分別獨(dú)立報(bào)道了一種骨架中含有機(jī)基團(tuán)的有序介孔材料，是由含有機(jī)基團(tuán)的雙硅脂(RO)3-Si-R-Si-(OR)3在模板劑作用下縮聚而成。與傳統(tǒng)的有序介孔硅膠相比，此種有機(jī)-無(wú)機(jī)介孔材料不僅可以調(diào)節(jié)材料的親水和親油性能，而且還使得材料具有更加良好的水熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

美國(guó)Waters公司開(kāi)發(fā)了一種商品化的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化硅基填料，它用兩種硅烷(Si(OR)4和 CH3Si(OR)3)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一種硅烷(Si(OR)4)制備而成，該材料的平均粒徑為5 μm，孔徑為12.5 nm，比表面積為179 m2/g。Cheng 等[5]對(duì)Waters公司開(kāi)發(fā)的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化色譜填料進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，用此類(lèi)填料在pH=1～11之間分離了強(qiáng)堿性抗抑制劑類(lèi)藥物,取得了較好的分離結(jié)果，且在較寬的pH范圍內(nèi)具有很好的穩(wěn)定性，可通過(guò)調(diào)節(jié)流動(dòng)相的 pH 值來(lái)改善分離效果。

Yu[6]等人通過(guò)相同方法制備出了1,4-二甲氧基苯基類(lèi)型雜化硅基填料，然后進(jìn)一步修飾C12鏈，應(yīng)用于反相色譜中，顯示出了良好的耐酸堿性。Peng[7]等人制備的雜化硅基填料，具有高比表面積特性，成果分離了尿嘧啶、苯酚、吡啶、甲苯、乙苯、叔丁基苯，還應(yīng)用于鄰苯二甲酸酯類(lèi)化合物，均顯示了良好的分離效果，顯示了良好的耐堿性。。Yue[8]等人通過(guò)一步法制備出了C18修飾的雜化硅基填料，應(yīng)用于尿嘧啶、苯酚、吡啶、1-萘胺、萘等樣品的分離，并顯示出良好的耐堿性。

前述的雜化硅基填料是合成出來(lái)后直試其色譜性能，本研究將制備的氨基雜化介孔硅基填料進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)孔，通過(guò)涂覆的方法在其表面修飾纖維素類(lèi)衍生物，制備出雜化硅基手性色譜填料，并對(duì)其色譜性能進(jìn)行測(cè)試，將雜化硅基填料進(jìn)一步應(yīng)用到手性分離中，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

有機(jī)元素分析儀(德國(guó)vario MICRO)；比表面積孔徑分析儀(美國(guó)麥克TriStar 3020)；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)賽默飛ICAP 7000)；微型壓縮試驗(yàn)機(jī)(日本島津MCT 210)；紅外光譜儀(德國(guó)布魯克Alpha)；掃描電子顯微鏡(美國(guó) FEI Quanta 450FEG)；液相色譜儀(江蘇漢邦科技有限公司，NS4201二元分析液相色譜系統(tǒng))。

微晶纖維素購(gòu)于Alfa Aesar公司；反式-二苯乙烯氧化物(TSO)、扁桃酸甲酯、黃烷酮、己唑醇，購(gòu)于美國(guó)Sigma公司；十六烷三甲基溴化銨(分析純)、N,N-二甲基十六胺(分析純)、氟化銨(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、濃鹽酸(37%)均采購(gòu)于國(guó)藥試劑有限公司；1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷(97%)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(98%)購(gòu)于百靈威科技有限公司。

1.2 氨基修飾雜化硅基填料的制備及擴(kuò)孔

1.2.1氨基修飾雜化硅基填料的制備

依次稱(chēng)取2.5 g十六烷基三甲基溴化銨、60 mL去離子水、15 mL甲醇和0.8 g氫氧化鈉置于250 mL圓底燒瓶，在25 ℃下，攪拌至使之完全溶解得到透明澄清溶液。在劇烈攪拌下通過(guò)滴液漏斗或蠕動(dòng)泵緩慢滴加2.6 g 1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷和6.25 mL甲醇混合物，再繼續(xù)緩慢滴加0.7 g氨丙基三乙氧基硅烷和6.25 mL甲醇混合物，在25 ℃下繼續(xù)攪拌20 h，然后將其轉(zhuǎn)移至聚丙烯塑料瓶中，于95 ℃靜置24 h，過(guò)濾并用去離子水洗滌干燥。

1.2.2氨基修飾雜化硅基填料的擴(kuò)孔

稱(chēng)1 g上述氨基雜化硅基填料于聚四氟乙烯水熱釜中，并加入0.3 g N,N-二甲基十六胺、30 mg NH4F和30 mL水，攪拌1 h，再80 ℃靜置36 h，然后經(jīng)抽濾、洗滌、干燥得白色粉末粗品。將1g上述擴(kuò)孔后的白色粉末粗品加入到190 mL酸性乙醇溶液中，50 ℃索氏萃取8 h，過(guò)濾并用去離子水、乙醇、四氫呋喃、乙腈、異丙醇洗滌數(shù)次，重復(fù)上述萃取操作，50 ℃干燥過(guò)夜即得到擴(kuò)孔后的氨基雜化硅基填料。

1.3 雜化硅基手性色譜填料的制備

1.3.1纖維素類(lèi)衍生物的合成

將纖維素在120 ℃下真空干燥8 h；然后加入適量無(wú)水吡啶，抽真空，通氮?dú)?，?0 ℃下加熱回流24 h；再向其中加入3.5倍摩爾量的3,5-二甲基苯基異氰酸酯，再在100 ℃油浴下反應(yīng)48 h，冷卻至室溫，加入甲醇，攪拌后靜置沉淀；再以甲醇洗滌抽濾，于90 ℃下真空干燥24 h，即可得到纖維素衍生物。

1.3.2手性色譜填料的涂覆

將上述所得的纖維素衍生物溶于四氫呋喃中，加入一定量的苯甲酸甲酯，超聲10 min，得到纖維素衍生物溶液，將纖維素衍生物溶液加到雜化硅基填料中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，60～80℃鼓風(fēng)干燥16～24h，即可得到雜化硅基手性色譜填料。具體路線如圖1所示。

圖1 雜化硅基手性色譜填料的合成路線圖

2 結(jié)果與討論

2.1 氨基雜化硅基色譜填料的表征

2.1.1顯微鏡形貌表征

圖2是氨基雜化硅基填料的SEM圖，可以看出，制備的填料為完整、表面光滑的球形形貌，且粒徑較為均一，粒徑大小為6～7 μm。

2.1.2比表面積及孔徑表征

稱(chēng)取0.2 g擴(kuò)孔前的氨基雜化硅球，在60 ℃下通氮?dú)? h，測(cè)試其比表面積和孔徑。擴(kuò)孔前的氨基雜化硅基填料的吸脫附曲線及孔徑分布曲線如圖3所示。從圖中可知其屬于IUPAC分類(lèi)中的IV型，H1滯后環(huán)，具有介孔結(jié)構(gòu)。用Brunauer-Emmet-Teller(BET)公式計(jì)算得其比表面積為980 m2/g，平均孔徑為3.0 nm，孔徑分布較窄。

圖2 氨基雜化硅基填料的掃描電子顯微鏡圖(a).500倍；(b).1000倍；(c).10000倍；(d).15000倍

圖3 擴(kuò)孔前氨基雜化硅球的吸脫附曲線及孔徑分布曲線

常規(guī)色譜填料的孔徑一般要求在10nm左右，以滿(mǎn)足小分子樣品的分離分析。本研究對(duì)制備的氨基雜化硅基填料進(jìn)行了后續(xù)擴(kuò)孔，考察了諸如擴(kuò)孔劑含量、組成、擴(kuò)孔溫度、擴(kuò)孔時(shí)間等因素的影響。具體結(jié)果如圖4，可以看出其吸脫附曲線屬于IUPAC分類(lèi)中的IV型，H1滯后環(huán)，具有較大的介孔結(jié)構(gòu)。用BET公式計(jì)算得其比表面積在600 m2/g左右，平均孔徑在10 nm以上，孔徑較大，孔徑分布較窄。經(jīng)后續(xù)擴(kuò)孔得到的氨基雜化硅基填料比表面積和孔徑能滿(mǎn)足其應(yīng)用于液相色譜的條件。

圖4 后續(xù)擴(kuò)孔后氨基雜化硅球的吸脫附曲線及孔徑分布曲線

2.1.3金屬離子含量表征

稱(chēng)取0.2 g氨基雜化硅基填料于聚四氟乙烯坩堝中，加4 mL濃硝酸在110 ℃放置1 h，加3 mL氫氟酸在130 ℃放置0.5 h，加2 mL濃高氯酸在170 ℃放置，剛開(kāi)始有白煙冒出，直至沒(méi)有白煙冒出且只剩1個(gè)小液滴，取出坩堝冷卻，轉(zhuǎn)移至容量瓶中并定容。通過(guò)ICP測(cè)其金屬離子含量，結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可知，所有的金屬離子含量均低于50 mg/kg，除Al、Ca、Fe和Na含量相對(duì)較高外，其余金屬離子含量均低于10mg/kg，可以滿(mǎn)足液相色譜填料對(duì)金屬離子含量的要求。

表1 氨基雜化硅基填料中金屬離子含量 mg/kg

注：編號(hào)1號(hào)和2號(hào)分別為滴液漏斗和蠕動(dòng)泵合成的氨基雜化硅基填料。

2.1.4有機(jī)元素分析表征

稱(chēng)取約20 mg樣品，用錫箔紙包好，測(cè)其C、N、H、S含量。具體結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知，制備的氨基雜化硅基填料含有一定量的N，歸屬于氨丙基中的N；同時(shí)C含量較高，這是由于反應(yīng)原料中含有C-C骨架結(jié)構(gòu)。

表2 氨基雜化硅基填料中CNHS含量

注：編號(hào)1號(hào)和2號(hào)分別為滴液漏斗和蠕動(dòng)泵合成的氨基雜化硅基填料。

2.1.5紅外表征

擴(kuò)孔后的氨基雜化硅基填料的紅外譜圖如圖5所示，從圖中可知2924 cm-1峰為氨丙基的-CH2的C-H特征峰，1616 cm-1峰為氨丙基的N-H特征峰，710 cm-1峰和790 cm-1峰為Si-CH2CH2-Si(BTEE)的Si-C特征峰，1047 cm-1峰和1183 cm-1峰為Si-O-Si特征峰，說(shuō)明氨基雜化硅基填料為氨基雜化的帶乙撐基橋接鏈的填料。

圖5 氨基雜化硅基填料的紅外譜圖

2.1.6機(jī)械性能表征

作為色譜填料，機(jī)械強(qiáng)度是其重要參數(shù)之一，本研究利用微型壓縮試驗(yàn)機(jī)對(duì)單個(gè)微球的機(jī)械性能進(jìn)行了測(cè)試， 并與商品化不同孔徑大小 (10、20、30 nm)的硅膠進(jìn)行了對(duì)比，具體如圖6所示?？梢钥闯?，氨基雜化硅基填料具有較大的Cs值(填料破碎時(shí)的壓強(qiáng)值)，說(shuō)明雜化硅基填料在色譜柱裝填過(guò)程中較難以破碎，機(jī)械強(qiáng)度較好。

圖6 雜化硅基填料與不同孔徑商品化填料機(jī)械強(qiáng)度對(duì)比圖(a).氨基雜化硅基填料；(b).商品化硅膠(孔徑10 nm)；(c).商品化硅膠(孔徑20 nm)；(d).商品化硅膠(孔徑30 nm)

2.2 雜化硅基手性色譜填料色譜性能測(cè)試

2.2.1涂覆量的影響

利用TSO對(duì)所制備的不同涂覆量的手性色譜填料進(jìn)行了色譜性能表征，從圖7中可以看出，10%涂覆量的手性填料并不能實(shí)現(xiàn)了TSO樣品的R、S構(gòu)型的基線分離，15%涂覆量的手性填料實(shí)現(xiàn)了TSO樣品的R、S構(gòu)型的的基線分離，Rs>1.5，且分離結(jié)果較好。

圖7 不同涂覆量的雜化硅基手性色譜填料分離TSO的HPLC譜圖流動(dòng)相：正己烷/異丙醇(90/10)，流速1mL/min。

2.2.2色譜性能測(cè)試

首先，對(duì)纖維素-3,5二甲基苯基氨基甲酸酯修飾雜化硅基手性色譜填料進(jìn)行了重現(xiàn)性測(cè)試。以TSO為測(cè)試對(duì)象，連續(xù)進(jìn)樣3次，R、S兩種構(gòu)型的RSD值為1.2%和1.9%，圖8為重現(xiàn)性譜圖，表明TSO樣品在制備的手性填料上具有良好的重現(xiàn)性。本研究還對(duì)纖維素-3,5二甲基苯基氨基甲酸酯修飾雜化硅基手性色譜填料進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試，用正己烷/異丙醇(90/10)流動(dòng)相沖洗色譜柱96小時(shí)，發(fā)現(xiàn)其保留時(shí)間沒(méi)有明顯變化(如圖9所示)，顯示出良好的穩(wěn)定性。

圖8 雜化硅基手性色譜填料分離TSO的HPLC重現(xiàn)性譜圖

圖9 雜化硅基手性色譜填料穩(wěn)定性測(cè)試

圖10 雜化硅基手性色譜填料分離4種手性樣品HPLC譜圖

然后對(duì)填料進(jìn)行了應(yīng)用研究，利用纖維素-3,5二甲基苯基氨基甲酸酯修飾雜化硅基手性色譜填料對(duì)TSO、扁桃酸甲酯、黃烷酮、己唑醇4種手性樣品進(jìn)行了分離，由圖10可見(jiàn)，各個(gè)手性樣品均實(shí)現(xiàn)了較好的分離，擴(kuò)展了此種新型液相色譜填料的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論

首先通過(guò)溶膠凝膠法成功制備出了氨基雜化硅基填料，并對(duì)其物理參數(shù)進(jìn)行了表征，各項(xiàng)參數(shù)都滿(mǎn)足了液相色譜填料要求。然后在其表面涂覆纖維素三(3, 5-二甲基苯基氨基甲酸酯)，制備出雜化硅基手性色譜色譜填料，測(cè)試了其良好的HPLC重現(xiàn)性，并對(duì)TSO、扁桃酸甲酯、黃烷酮、己唑醇等手性樣品進(jìn)行了HPLC手性拆分，取得了良好的分離結(jié)果，進(jìn)一步擴(kuò)展了雜化硅基填料在色譜領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。