吳志龍

摘 要：石墨烯作為良好的萃取材料和色譜柱固定相的改性物質，廣泛應用于環(huán)境分析領域。文章結合國內外研究的文獻報道，詳細總結了近年來利用石墨烯及氧化石墨烯材料用于色譜固定相方面的研究進展，同時，從石墨烯和氧化石墨烯在氣相色譜柱、液相色譜柱和毛細管電泳色譜柱等方面分別詳細敘述應用進展，展望了石墨烯用于色譜柱固定相改性的研究發(fā)展方向。

關鍵詞：碳基材料;納米;色譜柱;固定相

中圖分類號：O61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.012

與經典材料比較，納米材料因其比表面積大、化學穩(wěn)定性以及耐腐蝕性等特點，在光熱療法治療癌癥[1]、農業(yè)生產和作物保護、能源和環(huán)境應用[2]、分析化學等領域得到了廣泛應用，尤其是諸如石墨基納米材料、納米金剛石、富勒烯和碳納米管等碳納米材料，因其高化學穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性、高拉伸強度、比表面積大、疏水性以及與目標物之間的強相互作用力等獨特性質，在環(huán)境分析技術領域的應用越來越受到人們的重視[3]。

基于石墨烯納米材料的獲得，在農藥、抗生素、環(huán)境有機污染物、重金屬、生物毒素等物質的萃取和富集方面研究較多[4-7]。除了用作固相萃取和固相微萃取的新型吸附劑外，碳納米材料還可以用作氣相色譜（GC）、高效液相色譜（HPLC）和毛細管電泳色譜（CEC）的固定相。在利用碳納米材料制備色譜柱以改性和優(yōu)化色譜固定相的研究成果中，外文文獻占比較多。文章重點介紹了石墨烯及氧化石墨烯作為GC、HPLC和CEC固定相的最新進展和應用前景，分析了該領域未來的發(fā)展方向和可能面臨的挑戰(zhàn)。

1 石墨烯

石墨烯是排列在二維蜂窩狀晶格中一種單原子厚的sp2鍵合碳納米材料。獨特的物理化學性質使石墨烯受到廣泛關注，其高熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性，已經作為一種吸附材料成功應用于食品、環(huán)境、衛(wèi)生等領域。目前，石墨烯材料已經成功用于毛細管電泳固定相、氣相色譜固定相以及液相色譜固定相的合成。

1.1 用于氣相色譜柱固定相

與商業(yè)HP—5柱相比，直接涂覆石墨烯的熔融石英毛細管柱，由于石墨烯固定相的高分辨率和化學惰性，實現(xiàn)了分析目標物的分離和更短的運行時間，尤其在極性分析物的情況下表現(xiàn)性能更加優(yōu)秀。熔融石英涂覆石墨烯毛細管柱因其特定π-π堆積，對芳香族分析物的分離起到決定性的作用。制備的石墨烯柱還具有良好的熱穩(wěn)定性，可承受300 ℃以上的柱溫環(huán)境，保證了良好穩(wěn)定性。

由于石墨烯的高比表面積和吸收能力，添加石墨烯的二甲基硅氧烷（PDMS）固定相，可提高非極性和極性化合物的分離性能。為增強石墨烯在毛細管柱上的穩(wěn)定性，Han等用聚多巴胺對毛細管進行預處理，通過聚合多巴胺和石墨烯分子間相互作用，實現(xiàn)毛細管涂敷，制備的石墨烯修飾的內壁熔融毛細管石英柱，可獲得正構烷烴、醇類和醛類物質的良好分離效果，特別是對烷烴異構體和丁醇異構體分離效能顯著，表明所制備的固定相對極性和非極性化合物都具有高分辨率，對保留時間更長的芳香族分子結構，同樣證明了π-π堆疊是控制物質吸附解析的主要原因。

結合石墨烯和金屬有機骨架（G—MOF）的超大表面積、永久孔隙率、均勻的孔徑和良好的化學/熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，G—MOF復合材料也具有色譜固定相的特定分離性能。G—ZIF8石墨烯復合材料作為GC固定相的研究報道表明，G—ZIF8柱不僅顯示出叢枝異構體比純ZIF8具有更好的拆分能力、高選擇性和快速傳質性，而且對于幾何順/反異構體也表現(xiàn)出高分辨率性能。但是，也發(fā)現(xiàn)石墨烯片上殘留的含氧基團對極性分析物的輕微峰拖尾起主要作用。

以石墨烯為固定相結合聚多巴胺涂層制備石墨烯聚合多巴胺固定相色譜柱，證明了其對含烷、醇、醛的混合樣品具有良好的分離能力，柱效可高達3 406塔板數(shù)/米，色譜柱的熱穩(wěn)定性和重復性均表現(xiàn)優(yōu)異，柱最高可承受320 ℃。

1.2 液相色譜柱固定相

作為一種具有優(yōu)良物理化學性質的碳質納米材料，石墨烯有望為新型高效液相色譜（HPLC）固定相的開發(fā)作出巨大貢獻。與氧化石墨烯不同的是，石墨烯上沒有活性氧基團，因此很難制備含有石墨烯的HPLC柱。然而，目前關于石墨烯作為高效液相色譜固定相的應用報道較少。主要原因是石墨烯納米片在直接填充到HPLC柱中時，不能形成均勻穩(wěn)定的分離基質。此外，納米片的不規(guī)則形態(tài)會大大降低柱效率。為解決這一問題，一種方法是將石墨烯納米片填充到整體柱中，另一種方法是將納米片組裝到二氧化硅微球上，制備用于HPLC的核殼復合材料。這兩種方法都可以將石墨烯納米片的優(yōu)異性能與已知具有適合高性能分離的形態(tài)的材料結合起來。在載體材料上獲得鍵合石墨烯的方法，可通常采用以下步驟：先將氨基鍵合接枝到載體表面，然后通過氧化石墨烯的羧基和載體表面氨基實現(xiàn)共價偶聯(lián)，以獲得涂覆氧化石墨烯納米片效果，然后通過還原將氧化石墨烯還原為石墨烯，或稱為還原性氧化石墨烯。

將氧化石墨烯包覆的SiO2顆粒（GO@SiO2）通過肼還原是第一個利用本策略制備石墨烯修飾的HPLC固定相，正如實驗預期，分析物和石墨烯修飾固定相之間存在π-π堆疊，疏水性和π-π供受體互相作用等多重效應。與GO@SiO2相比較，石墨烯包覆的SiO2（G@SiO2）表面存在的這些多重效應更強烈，即使使用100%乙腈作為流動相洗脫，也會導致洗脫困難。與疏水性相比，π-π堆疊相互作用在芳香族分析物的分離中發(fā)揮主導作用，因此，G@SiO2柱表現(xiàn)出明顯的峰加寬和拖尾。由于石墨烯仍然存在一些殘余氧官能團，外加氨基二氧化硅的硅醇和氨基以及氫鍵的相互作用，對苯胺、酚和有機酸的分離效果較好。

使用蒸發(fā)還原法將氧化石墨烯涂覆到聚苯乙烯二乙烯基苯（PS—DVB）上，并隨后將氧化石墨烯層還原為石墨烯，以制備的石墨烯涂敷的PS—DVB（G@PS—DVB），將PS—DVB的疏水表面轉化為親水表面。由于G@PS—DVB表面親水性，可以很容易地與超支化縮聚聚合物（HBCP）接枝，致使顆粒轉化為陰離子交換劑。然而PS—DVB基底上涂覆石墨烯的量對陰離子交換容量有很大影響，過多的石墨烯涂層會導致石墨烯從表面剝落并堵塞色譜柱，因此碳量優(yōu)化對陰離子交換材料的效率起到決定性作用。

1.3 毛細管電泳色譜柱固定相

關于石墨烯在毛細管電泳中應用的報道很少，主要原因可能是石墨烯表面缺乏活性中心，導致石墨烯難以分散到均勻溶液中并固定在毛細管上。為解決這一問題，Qu等人首先將氧化石墨烯共價固定在毛細管壁上，通過化學還原，制備了石墨烯涂層柱。結果表明，石墨烯涂層柱比氧化石墨烯涂層柱的分離性能更好，然而由于石墨烯比氧化石墨烯具有更高的非極性和疏水性，石墨烯涂層柱對多環(huán)芳烴呈現(xiàn)不對稱的峰寬，表明多環(huán)芳烴與石墨烯表面之間強烈的π-π堆疊作用和疏水效應意味著石墨烯對多環(huán)芳烴的親和力大于氧化石墨烯。

Liu等人在毛細管上涂上帶正電的PDDA，然后帶負電的石墨烯很容易通過靜電自組裝吸附到PDDA膜上，與裸毛細管柱相比，該石墨烯涂敷開管柱對三種硝基苯胺異構體的分離效果更好。然而，由于石墨烯的高疏水性和π-π靜電特性，電泳圖中的峰并不完全對稱。

2 氧化石墨烯

2.1 氣相色譜固定相

氧化石墨烯首次用于氣相色譜分離固定相的應用開發(fā)于2012年。以3—氨丙基二乙氧基甲基硅烷（3—AMDS）為交聯(lián)劑，將氧化石墨烯納米片共價鍵合到熔融石英毛細管柱的內壁，得到的氧化石墨烯毛細管柱固定相在低溫下（<90 ℃）可分離多種有機化合物。在制備的色譜柱上，大多數(shù)化合物，尤其是醇都有明顯的拖尾峰，表明由于氧化石墨烯中含有豐富的官能團，易與分析物之間存在極性相互作用。與DB—1柱相比，氧化石墨烯對苯和1—丁醇的選擇性高于DB—1固定相，表明采用共價鍵合方法制備的氧化石墨烯涂層具有一定的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

除了用作GC固定相，在毛細管內壁引入氧化石墨烯涂層可用于在與其他固定相涂層之前消除與硅醇基團的非特異性相互作用。氧化石墨烯片二氯甲烷分散液對毛細管進行處理后，將磷離子液體聚合到毛細管內壁，是獲得氧化石墨烯和離子液體共修飾的毛細管色譜柱涂層固定相的良好手段。

2.2 液相色譜固定相

在將碳納米管和C60富勒烯引入整體柱以增強小分子的分離之后，Li等人報道了一種將氧化石墨烯與多孔聚合物裝配整體柱的方法，制備的3—（三甲氧基硅基）甲基丙烯酸丙酯改性氧化石墨烯，并將其用作聚甲基丙烯酸縮水甘油酯—二甲基丙烯酸乙烯酯聚合中的功能交聯(lián)劑，以開發(fā)一種新型HPLC固定相，增強小分子目標物的分離。3—（三甲氧基硅基）甲基丙烯酸丙酯修飾氧化石墨烯濃度的增加，不僅增加了保留因子和分辨率，而且增加了甾體化合物的峰寬。

將氧化石墨烯通過酰胺鍵鍵合到氨基硅膠上，將β—環(huán)糊精（β—CD）化學鍵合于氧化石墨烯上，制備了一種新型手性固定相材料，4種核苷小分子得到分離，色譜固定相中氧化石墨烯和β—CD在手性拆分中具有協(xié)同作用。

使用氧GO@SiO2微球的逐層組裝制備核殼結構固定相GO@SiO2，研究發(fā)現(xiàn)，GO@SiO2中的二氧化硅的含量對分析物的分離起著重要作用。與C18色譜柱相比，芳香族化合物與GO@SiO2的峰寬隨保留時間的增加而增加。也就是說，化合物的p共軛體系越大，保留時間越長，峰寬越寬。以制備GO@SiO2以1—（3—二甲氨基丙基）—3—乙基碳化二亞胺鹽酸鹽/N—羥基丁二酰亞胺為偶聯(lián)劑，將氧化石墨烯的羧基和氨基二氧化硅的氨基偶聯(lián)成微球，氨基二氧化硅球被氧化石墨烯薄片覆蓋，該固定相對硝基芳香化合物的分離性能較好。

通過對硅球表面的氨基化，根據(jù)縮肽反應機理，將氧化石墨烯表面的羧基與硅球氨基，以N，N—二環(huán)己基碳二亞胺偶聯(lián)，形成一種氧化石墨烯鍵合硅球色譜固定相，并考察制備的色譜柱對極性小分子的分離性能。與非石墨烯鍵合的氨基化硅球固定相比較，其對三聚氰胺、雙氰胺等氨基化合物具有一定的滯留性能，研究結果表明該固定相在親水模式下對氨基化合物具有良好的分解效果。

為提高GO@SiO2色譜固定相性能，合成GO@SiO2隨后，Liang等人對復合材料表面進行了改性，將GO@SiO2與十八烷基硅烷（ODS）通過氧化石墨烯表面的活性基團形成ODS@GO@SiO2復合材料，比GO@SiO2色譜柱的分離性能有顯著改善。除疏水性相互作用外，兩者之間存在的π-π堆積相互作用的分離機制，使得ODS@GO@SiO2可分離具有相同疏水性但不同聚共軛體系的分析物。用類似的方法對金納米粒子進行GO@SiO2改性，Liang等人隨后制備的固定相，能更好地分離烷基苯，GO@SiO2改性的金納米粒子還增加了一種異構體識別機制，用于分離苯二酚異構體。

2.3 毛細管電泳固定相

Lin等人將氧化石墨烯納米片直接分散到聚合物預聚體溶液中，形成均質溶液，然后將其引入毛細管中，制備用于CEC的氧化石墨烯摻入聚（3—丙烯酰胺基苯基硼酸—共季戊四醇三丙烯酸酯）的固定相毛細管電泳色譜柱。由于較高的電滲流動性和氧化石墨烯與溶質相互作用，所有分析物（中性、極性和肽化合物）的分離效率和分辨率都得到了顯著提高。

Zhao等人報道了一種基于CEC化學鍵的氧化石墨烯改性聚合物整體，而不是通過物理吸附將氧化石墨烯固定。在制備氧化石墨烯共價鍵色譜柱之前，制備了對氨基苯乙烯修飾的氧化石墨烯，并將其溶解在環(huán)己醇中以形成均勻的分散體，填充到毛細管中聚合。無論是否以化學鍵合作用，氧化石墨烯的引入顯著增強了固定相與中性芳香化合物之間的相互作用，在共價鍵合的氧化石墨烯基固定相上實現(xiàn)了更好的分離。

最近，首都師范大學在色譜分離的研究結果表明，采用氧化石墨烯—二硫化鉬（GO—MoS2）復合材料可作為開管毛細管電色譜的高效固定相。采用共價固定化法制備GO—MoS2涂層毛細管柱，測定七種磺胺類藥物，對磺胺嘧啶、磺胺噻唑、鄰苯二甲酰磺胺噻唑和磺胺乙酰胺的線性范圍為0.05 μg/mL～100 μg/mL，磺胺甲氧嘧啶和磺胺氯吡啶的線性范圍為0.1 μg/mL～100 μg/mL，該方法成功地應用于環(huán)境水樣和牛奶樣品中七種磺胺類藥物的測定。結果表明，GO—MoS2涂層毛細管柱具有良好的穩(wěn)定性和重復性。

3 結語

色譜作為儀器分析技術的主要類型，其在環(huán)境分析、食品安全、刑偵分析、化工研究等領域日益得到高度重視?；谌缪趸?、化學還原氧化石墨烯等新型功能化碳納米材料的應用，是很好的解決路徑之一。

雖然目前在此領域的研究與應用取得了一定的進展，但是還具有很大的技術提升空間。一是石墨烯物質的納米結構，如何與色譜固定相耦合，除了鍵合涂敷等技術，在色譜柱的制備方法簡便化和規(guī)范化等方面值得深思。二是分離機理上處理目前已經發(fā)現(xiàn)的π-π共軛、疏水效應和氫鍵等機理之外，是否存在其他機制尚不清楚。三是石墨烯材料對有些物質的高保留和分離性能與物質在色譜儀器中的出流速度相矛盾的問題依然值得考慮。

參考文獻

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