周 行, 陳 佳, 張櫻山, 趙 亮, 邱洪燈*

(1.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所, 中國科學(xué)院西北特色植物資源化學(xué)重點實驗室, 甘肅省天然藥物重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.甘肅省中藥現(xiàn)代制藥工程研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730000)

色譜固定相作為色譜分離技術(shù)的核心,是推動色譜分離技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1,2]。1990年Alpert[3]創(chuàng)立了親水相互作用色譜(hydrophilic interaction chromatography, HILIC),在親水相互作用分離模式下,強極性、強親水性物質(zhì)均可分離檢測,彌補了反相色譜的不足,使其HILIC得以迅速推廣與應(yīng)用[4]。HILIC流動相由一定鹽濃度的水溶液和高比例的有機溶劑組成,固定相是強極性吸附劑,分析物通常是極性化合物,因此填料越親水、溶劑的極性越強,溶質(zhì)在柱子上的保留越強;隨著水系比例的增加,溶質(zhì)被逐漸洗脫,從而使待分離物質(zhì)得以分離[5-7]。近年來,有大量文獻(xiàn)報道將極性官能團的有機小分子[8,9]和親水碳納米材料[10-12]鍵合到硅膠表面,在HILIC模式下用于堿基核苷、氨基酸、天然藥物等親水性物質(zhì)的分離檢測。

離子液體(ionic liquids, ILs)是一類由有機陽離子和陰離子組成的非分子物質(zhì),常溫常壓下一般為液態(tài),故也稱為室溫熔融鹽[13]。咪唑類陽離子液體由于其咪唑環(huán)上的兩個氮原子可以提供反應(yīng)活性位點用于后修飾,可較容易地獲得不同功能化的咪唑陽離子液體[14]。目前關(guān)于咪唑類色譜固定相的工作已被廣泛報道[15-18]。Zhang等[19,20]在大量研究工作的基礎(chǔ)上,綜述了在1H-咪唑和聚乙烯咪唑中的N3位通過親核取代反應(yīng)進一步對咪唑環(huán)修飾的方法,從而為開發(fā)不同類型咪唑修飾硅膠色譜固定相提供了廣闊的思路。

奎寧,俗稱金雞納堿,是茜草科植物金雞納樹及其同屬植物樹皮中的主要生物堿?？鼘幘哂斜讲⑦拎?、叔銨正電中心、多個手性位點以及便于修飾的羥基和末端烯烴官能團,適合作為修飾小分子鍵合于硅膠表面或作為單體聚合成整體材料用于色譜分離分析[21-24]。目前文獻(xiàn)[25]報道關(guān)于奎寧分子的色譜固定相大多數(shù)采用反相以及強陰離子交換模式,其主要利用奎寧分子的苯并吡啶環(huán)與待分離物的π-π相互作用和奎寧分子中的叔銨型陽離子結(jié)構(gòu)。本研究將奎寧分子進一步修飾后的固定相應(yīng)用于HILIC模式,主要考慮兩個方面的原因,在HILIC模式下,帶有叔胺陽離子結(jié)構(gòu)的奎寧固定相會為離子型分析物的分離提供靜電相互作用;(2)奎寧分子中的甲氧基、吡啶環(huán)，以及通過異氰酸酯橋聯(lián)后形成的酰胺和酯鍵將會顯著增加固定相的極性，同時提供豐富的與分析物氫鍵相互作用的位點,以提高色譜柱在親水相互作用模式下的分離性能。

本工作將咪唑離子液體和奎寧分子相結(jié)合,制備了一種奎寧功能化聚乙烯咪唑修飾硅膠親水色譜固定相(Sil-PIm-Qn)。首先,通過自由基鏈轉(zhuǎn)移聚合反應(yīng)將乙烯基咪唑聚合于硅膠表面，然后將2-氯乙基異氰酸酯修飾后的奎寧接枝于聚乙烯咪唑的N3位,制備得到Sil-PIm-Qn,并進行了親水色譜分離能力的考察。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與材料

Agilent 1260型高效液相色譜儀-二極管陣列檢測器(HPLC-DAD, Agilent公司,美國); Vario ELⅢ型元素分析儀(EA, Elementar公司,德國); IFS 120HR型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR, Bruker公司,德國); Milli-Q型超純水凈化設(shè)備(Millipore, Billerica公司,美國); IKA-RV8V型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(IKA公司,美國); LSP01-1A型注射泵(保定蘭格恒流泵有限公司)。

裸硅膠(bare silica，粒徑:5 μm,孔徑:9 nm;比表面積:306 m2/g)購于日本Fuji Silysia Chemical公司;3-巰丙基三乙氧基硅烷(純度>98.0%)購于北京百靈威科技有限公司;偶氮二異丁腈(AIBN,純度>99.0%)購于日本Nacalai Tesque Inc公司,使用之前經(jīng)過重結(jié)晶純化;乙醇(純度>99.7%)購于山西同杰化學(xué)試劑有限公司;二氯甲烷(純度>99.5%)購于天津利安博華醫(yī)藥化學(xué)有限公司;堿基核苷類、磺胺類、氨基酸類等測試標(biāo)準(zhǔn)品,以及奎寧(quinine,純度>97.0%)、2-氯乙基異氰酸酯(2-chloroethyl isocyanate,純度>97.0%)、乙烯基咪唑(1-vinylimidazole,純度>97.0%)、乙腈(ACN,色譜純)、乙酸銨(ammonium acetate,色譜純)、甲醇(MeOH,色譜純)均購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;超純水在實驗室用Milli-Q超純水凈化設(shè)備純化后獲得;氯化膽堿(ChCl,純度>99.0%)和乙二醇(EG,純度>99.5%)購于美國Sigma-Aldrich公司。

1.2 實驗方法

1.2.1低共熔溶劑(DES)的制備

將ChCl和EG按照1∶3的物質(zhì)的量之比加入圓底燒瓶中,并將其置于60 ℃油浴中以300 r/min的轉(zhuǎn)速磁力攪拌至澄清透明溶液,得到本實驗所需的低共熔溶劑。

1.2.2巰丙基修飾硅膠(Sil-MPS)的制備

稱取6.0 g硅膠超聲分散,置于裝有50 mL DES的三口圓底燒瓶中,并用流動注射泵將2.9 mL 3-巰丙基三乙氧基硅烷逐滴加入到三口燒瓶中,然后將三口燒瓶置于60 ℃油浴中以250 r/min機械攪拌24 h;待反應(yīng)冷卻至室溫后,產(chǎn)物依次用乙醇、超純水、乙醇各洗滌3次,將最后得到的Sil-MPS置于60 ℃烘箱中干燥。

1.2.3聚乙烯咪唑修飾硅膠(Sil-PIm)的制備

采用表面自由基鏈轉(zhuǎn)移聚合反應(yīng),將3.0 g巰丙基硅膠超聲分散于裝有30 mL DES的三口圓底燒瓶中,先加入0.02 g AIBN,再將2.0 mL乙烯基咪唑在機械攪拌下逐滴加入到三口圓底燒瓶中,在氮氣保護下于60 ℃油浴中聚合反應(yīng)20 h;待反應(yīng)冷卻至室溫后,產(chǎn)物依次用乙醇、超純水、乙醇各離心洗滌3次,置于60 ℃烘箱中干燥,得到Sil-PIm。

1.2.4Sil-PIm-Qn的制備

首先將2.3 g奎寧溶解于裝有50 mL無水二氯甲烷(分子篩除水)的三口燒瓶中,并將其置于冰水浴中;將0.6 mL 2-氯乙基異氰酸酯加至10 mL無水二氯甲烷中,通過流動注射泵將其逐滴加至奎寧溶液,并將混合溶液置于室溫下反應(yīng)16 h,待反應(yīng)結(jié)束后,用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮,獲得2-氯乙基異氰酸酯修飾的奎寧(2-chloroethyl isocyanate-modified quinine, Ci-Qn),然后將其溶解于50 mL乙醇中,并在超聲輔助下加入2.8 g Sil-PIm,在氮氣保護下于85 ℃回流反應(yīng)48 h。反應(yīng)結(jié)束后,產(chǎn)物依次用乙醇、超純水、乙醇各離心洗滌3次,置于60 ℃烘箱中干燥。最終得到Sil-PIm-Qn。圖1為制備過程示意圖。

圖1 Sil-PIm-Qn的制備示意圖

1.2.5色譜填料裝柱

采用勻漿液填充法,將2.1 g Sil-PIm-Qn超聲分散于22 mL四氯化碳溶液中直至其形成勻漿液;正己烷作為頂替液,在45 MPa下將勻漿液裝填入不銹鋼色譜柱(150 mm×4.6 mm)中。

1.2.6色譜條件

采用Agilent 1260型高效液相色譜儀-蒸發(fā)光散射檢測器或二極管陣列檢測器分析,其中蒸發(fā)光散射檢測器的氣體流量和溫度分別為1.5 L/min和60 ℃,二極管陣列檢測器的檢測波長為254 nm;色譜柱為Sil-PIm-Qn;柱溫為30 ℃;流速為1 mL/min;進樣體積為10 μL。

分離氨基酸:流動相為乙腈-0.10 mol/L乙酸銨水溶液(85∶15, v/v);等度洗脫。分離磺胺類藥物:流動相為(A)乙腈和(B)0.02 mol/L乙酸銨水溶液;梯度洗脫條件為0～12 min, 95%A; 12～30 min, 87%A。分離堿基核苷:流動相為(A)乙腈和(B)0.10 mol/L乙酸銨水溶液;梯度洗脫條件為0～10 min, 93%A; 10～13 min, 93%A～83%A; 13～30 min, 83%A。

2 結(jié)果與討論

2.1 Sil-PIm-Qn色譜固定相的表征

2.1.1元素分析

采用Vario ELⅢ型元素分析儀分別對球形多孔硅膠、Sil-MPS、Sil-PIm和Sil-PIm-Qn中的C、N、H元素含量進行測定(見表1)。結(jié)果表明,Sil-MPS中C和H元素的含量分別增加至4.01%和0.71%,證實了3-巰丙基三乙氧基硅烷成功鍵合于裸硅膠表面。Sil-PIm元素分析結(jié)果顯示,由于乙烯基咪唑中含有N和C原子,使得其N、C含量分別達(dá)到2.62%和8.70%,證實了乙烯基咪唑通過自由基鏈轉(zhuǎn)移聚合反應(yīng)成功聚合在Sil-MPS上。在Sil-PIm-Qn中,N、C、H元素的含量分別為3.20%、11.18%和1.44%,相較于Sil-PIm有所增加,證實了Sil-PIm-Qn色譜固定相的成功制備。

表1 裸硅膠、Sil-MPS、Sil-PIm和Sil-PIm-Qn的元素分析結(jié)果

Table 1 Elemental analysis results of bare silica, Sil-MPS, Sil-PIm and Sil-PIm-Qn

圖2 Sil-MPS、Sil-PIm和Sil-PIm-Qn的紅外光譜圖

2.1.2紅外光譜分析

為了進一步驗證Sil-PIm-Qn色譜固定相的成功制備,對其進行了紅外光譜表征,結(jié)果見圖2。在所有譜圖中,在1 110 cm-1處的吸收峰為硅膠上Si-O鍵的彎曲振動峰;3 425 cm-1處的吸收峰為硅膠表面殘留的硅羥基O-H鍵的伸縮振動峰。在Sil-MPS譜圖中,當(dāng)硅膠被3-巰丙基三乙氧基硅烷修飾后,2 980 cm-1和2 930 cm-1處的2個吸收峰為Sil-MPS巰丙基中亞甲基的伸縮振動峰,表明3-巰丙基三乙氧基硅烷成功修飾于裸硅膠表面。另外,在Sil-PIm譜圖中,在1 440 cm-1和660 cm-1處出現(xiàn)了兩個新的吸收峰,它們?yōu)橐蚁┗溥蛑蠧=C和C=N的伸縮振動峰和彎曲振動峰,進一步證實了乙烯基咪唑通過自由基鏈轉(zhuǎn)移聚合反應(yīng)修飾在了巰丙基硅膠上。在Sil-PIm-Qn譜圖中,1 580 cm-1和1 500 cm-1處的2個峰為奎寧分子中苯并吡啶骨架C=C伸縮振動峰,同時證明了奎寧分子成功通過親核取代反應(yīng)接枝于聚乙烯咪唑硅膠上。

2.1.3Ci-Qn的核磁共振氫譜分析

異氰酸酯與醇羥基的反應(yīng)十分劇烈,且等物質(zhì)的量的比例趨近于完全反應(yīng)。雖然本實驗常溫反應(yīng)16 h后,體系中還殘留有未反應(yīng)的少量奎寧和2-氯乙基異氰酸酯,但在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥溶劑時可以將少量未反應(yīng)的2-氯乙基異氰酸酯除去,而少量未反應(yīng)的奎寧并不會和聚乙烯咪唑修飾硅膠反應(yīng)。因此實驗并沒有對合成的2-氯乙基異氰酸酯修飾的奎寧作進一步純化,直接旋蒸干燥后使用。實驗通過過柱獲得少量純化的Ci-Qn,并對其進行核磁共振氫譜分析,其實驗結(jié)果如圖3所示,其中化學(xué)位移8.02 ppm(10-6)對應(yīng)2-氯乙基異氰酸酯修飾的奎寧中-NH-的氫核;化學(xué)位移3.52 ppm和3.34 ppm分別對應(yīng)Ci-Qn中的兩個亞甲基-CH2-的氫核。因此可以證實合成的產(chǎn)物為Ci-Qn。

圖3 Ci-Qn的核磁共振氫譜圖

2.2 Sil-PIm-Qn對氨基酸的分離

圖4 5種氨基酸在Sil-PIm-Qn柱上的色譜圖

首先,通過對苯丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸、焦谷氨酸和組氨酸5種氨基酸進行分析，以評價Sil-PIm-Qn的分離性能。5種氨基酸在Sil-PIm-Qn上的色譜分離結(jié)果見圖4，說明該色譜固定相能實現(xiàn)對5種氨基酸的分離檢測。

2.3 Sil-PIm-Qn對磺胺類藥物的分離

本實驗通過對磺胺、磺胺吡啶、磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲基嘧啶、周效磺胺、磺胺嘧啶、磺胺二甲氧基嘧啶、磺胺噻唑和磺胺異噁唑9種磺胺類藥物進行分析來評價Sil-PIm-Qn在親水相互作用模式下的分離性能。9種磺胺類藥物在Sil-PIm-Qn上的分離情況見圖5a,可以看出,25 min內(nèi)成功實現(xiàn)9種磺胺類藥物的分離檢測。

圖5 9種磺胺類藥物在(a)Sil-PIm-Qn柱和 (b) Sil-PIm柱上的色譜圖

首先,磺胺的保留時間(tR)最短,是因為其分子結(jié)構(gòu)中沒有吡啶、嘧啶等帶有雜原子的芳香環(huán),使其與Sil-PIm-Qn中奎寧分子的π-π相互作用減弱,導(dǎo)致其最先出峰;其次,磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲基嘧啶和磺胺嘧啶的tR遞增,是因為它們嘧啶結(jié)構(gòu)中甲基數(shù)目不同導(dǎo)致極性依次增強,因此親水作用色譜模式下的保留時間逐漸增加;磺胺、磺胺吡啶和磺胺嘧啶的保留時間逐漸增加的原因可能是因為其芳香環(huán)中氮原子的數(shù)目逐漸增加,Sil-PIm-Qn表面含有豐富的聚合咪唑鎓離子、奎寧中的三級胺以及酯基、酰胺等官能團,流動相中乙酸銨水溶液會在Sil-PIm-Qn表面形成很薄的富水層,待分離物質(zhì)會在固定相表面的富水層和流動相之間產(chǎn)生親水分配作用[26],因而隨著芳香環(huán)中氮原子數(shù)目逐漸遞增,其與固定相相互作用也逐漸增加,從而使保留時間延長;磺胺噻唑和磺胺異噁唑,保留時間相對于其他7種化合物較長,其可能的原因是其分別含有兩個S/N、O/N雜原子的特殊五元環(huán),增強了其與固定相的相互作用,從而延長了保留時間。

為了證實奎寧分子的引入增加了該固定相的分離能力,進一步選用Sil-PIm固定相為對比色譜柱,9種磺胺類藥物在Sil-PIm固定相上的分離情況見圖5b?？梢钥闯?各磺胺類藥物的保留時間明顯縮短,且9種磺胺類藥物不能得到基線分離,其原因是Sil-PIm固定相中缺乏奎寧的芳香苯并吡啶環(huán)與磺胺的苯環(huán)的π-π相互作用。因此本實驗制備的Sil-PIm-Qn在磺胺類藥物的分離分析中有廣泛的應(yīng)用前景。

2.4 Sil-PIm-Qn對堿基核苷的分離

實驗還通過對胸腺嘧啶、胸苷、尿嘧啶核苷、腺嘌呤核苷、腺嘌呤、胞嘧啶、肌苷、胞嘧啶核苷、鳥嘌呤核苷和黃嘌呤核苷等10種堿基核苷的分析進一步評價制備得到的Sil-PIm-Qn在親水作用模式下的分離性能。10種堿基核苷在Sil-PIm-Qn上的分離情況如圖6所示,可以看出,在27 min內(nèi)成功實現(xiàn)了10種堿基核苷的分離檢測。

圖6 10種堿基核苷在Sil-PIm-Qn柱上的色譜圖

2.5 Sil-PIm-Qn親水相互作用模式考察

親水作用模式下,色譜固定相對分離物質(zhì)的保留行為及選擇性不僅與色譜固定相的種類有關(guān),還與流動相組成、流動相中緩沖鹽濃度等有著密切關(guān)系,選擇最優(yōu)的流動相對物質(zhì)的分離檢測至關(guān)重要。因此本實驗繼續(xù)選擇堿基核苷為待分離對象,系統(tǒng)考察流動相中乙腈含量和乙酸銨濃度對待分離物保留行為的影響。

首先,通過改變流動相中有機相乙腈的體積分?jǐn)?shù)來考察該色譜柱在親水相互作用模式下,乙腈體積分?jǐn)?shù)的變化對待分離物質(zhì)保留行的影響,結(jié)果見圖7。從圖中可以看出,隨著乙腈體積分?jǐn)?shù)的遞增,待分離物質(zhì)在固定相上的保留逐漸增強,證實Sil-PIm-Qn具有典型親水相互作用模式的色譜分離性能。使用Sil-PIm-Qn時,可以通過合理調(diào)節(jié)有機溶劑的含量來改變不同待分離物質(zhì)的保留行為,從而提高各分離物質(zhì)間的分離度。

圖7 8種堿基核苷在Sil-PIm-Qn上的lg k值與流動相中乙腈體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖

圖8 8種堿基和核苷在Sil-PIm-Qn上的lg k值與流動相水相中乙酸銨濃度的關(guān)系圖

其次,在保持流動相中乙腈和乙酸銨水溶液體積比為95∶5的前提下,進一步考察水相中乙酸銨濃度對待分離物質(zhì)保留行為的影響。結(jié)果如圖8所示,待分離物質(zhì)在固定相上的保留能力隨乙酸銨濃度的遞增有不同程度的增加,其原因是流動相水相中乙酸銨濃度越高,在固定相表面形成的親水層越厚,使得待分離物質(zhì)與固定相的相互作用增強,導(dǎo)致保留時間的延長。但是乙酸銨濃度過高,可能導(dǎo)致其在有機相中析出堵塞管路和色譜柱,因此選擇合適的乙酸銨濃度至關(guān)重要。

2.6 Sil-PIm-Qn的重復(fù)性考察

對8種堿基核苷連續(xù)進樣10次,考察Sil-PIm-Qn的重復(fù)性。結(jié)果表明,8種堿基核苷在Sil-PIm-Qn色譜柱中保留時間的RSD為0.8%～2.3%(n=10),證實其具有較好的分離重復(fù)性。

2.7 Sil-PIm-Qn柱效測試

本研究選取磺胺、磺胺吡啶、磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲基嘧啶、周效磺胺、磺胺嘧啶、磺胺二甲氧基嘧啶和磺胺噻唑8種磺胺類藥物作為待測物對色譜柱的柱效和峰形進行了考察。8種磺胺類藥物在Sil-PIm-Qn固定相上的理論塔板數(shù)約30 000塊/m;拖尾因子(T)為1.06～1.28,雖然通過拖尾因子判斷,8種磺胺在該固定相上均出現(xiàn)輕微拖尾(對稱峰的T為0.95～1.05),查閱相關(guān)文獻(xiàn)[27]推測該現(xiàn)象是因為磺胺類化合物在該流動相中少部分以離子形式存在,會和硅膠表面殘留的硅羥基產(chǎn)生強靜電相互作用,該原因引起的拖尾是一種“動力學(xué)拖尾”,商品柱常常采用硅羥基封端技術(shù)消除該現(xiàn)象,而氨基酸電離程度往往很大,這種“動力學(xué)拖尾”現(xiàn)象更加明顯。

3 結(jié)論

本研究采用表面自由基鏈轉(zhuǎn)移聚合反應(yīng)和親核取代反應(yīng)制備得到奎寧功能化聚乙烯咪唑修飾硅膠親水色譜固定相,并對其色譜分離性能進行了評價。該固定相對親水性物質(zhì)有優(yōu)異的分離選擇性及良好的分離重復(fù)性,在磺胺類藥物、生物樣品中堿基核苷等親水性物質(zhì)的分離分析中有廣闊的應(yīng)用前景。