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来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/04/29 17:12:31
溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱技术的研究进展
发布者：刘海清 杜艳艳 贾 丽 邢 达 发布时间：2007-2-28 浏览次数：784
(1汕头大学理学院化学系，广东汕头 515063；
2华南师范大学激光生命教育部重点实验室／激光生命科学研究所，广东 广州 510631)
在色谱研究领域里，整体柱也叫连续床层柱(continuous bed column)，无塞柱(fritless column)或者棒状柱(rod column)。顾名思义，无塞柱是对应于传统填充柱柱塞而言。由于材料科学的进步，填充柱可以使用粒径越来越细的填料，获得越来越高的柱效。但随之而来的柱压降大，仪器压力限等问题，使得进一步提高柱效越来越难。相比而言，整体柱却能完全消除或显著改善填充柱的诸多缺点，而且具有高表面积、高渗透率、传质快等特点。与开管柱相比，整体柱中溶质分子从液相扩散到固定相的路径大大缩短，扩散小，平衡快，相比高，柱容量大，检测容易。诸多优势，使得整体柱的制备迅速发展起来。
整体柱一般分为两大类：有机聚合物类和硅胶基质类。前一类由Hjertén最先提出，并得到快速发展，Hoegger等予以了详细的介绍。硅胶整体柱是近10年才出现的新型色谱柱，通常采用溶胶-凝胶法制备。
1 溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱
1.1 溶胶—凝胶法原理
溶胶-凝胶法原本是一种材料制备方法，可以追溯到19世纪中叶，后来被德国Schott玻璃公司采用。它可以形成牢固的-Si-O-Si-网络，同时能将所需的涂层材料键合、裹夹其中，可用于制备宽pH范围内稳定的涂层，近年得到迅速发展。其基本反应原理是令无机盐或醇盐等金属化合物，在某种含水溶剂中进行逐步的水解和缩聚反应，可以使溶液经历溶胶转化成凝胶的过程，然后将凝胶进行干燥，烧结等处理，就能得到组成分布均匀的坚固物质。这实际上是通过溶液中的化学反应形成无定形网络结构并令溶剂蒸发来固定无定形结构的过程。如果在反应过程中，加入有机单体或聚合物，并与无机物发生化学反应，就可以形成均匀的无机—有机杂化结构。基本反应方程式如下：
Si(OR)4+xH2O- Si(OH)x(OR)4-x+xROH
—Si-OH+RO-Si — — -Si-O-Si-+ROH
—Si-OH+HO-Si — — -Si-O-Si-+H2O
了解了溶胶-凝胶法的反应原理，实验人员就可以根据预先设计对整个实验过程予以有效控制。
1.2 制备方法
硅胶整体柱既可以在模具(6～9 mm内径的管子)中，也可以在毛细管(50～200μm内径)中制备成型。前一种多用于常规液相系统，如常规高效液相色谱(HPLC)，后一种多用于微液相系统，如毛细管微径液相(μ-LC)、毛细管电色谱(CEC)。由于溶胶向凝胶转变，以及凝胶干燥时都会有体积收缩，使得难以制备较长且笔直的用于常规HPLC的柱子，一般多为15cm或更短。对于毛细管硅胶整体柱，则不受氏度限制，因为硅胶网络骨架必须原位聚合到管壁上，所以内径越小的管子，骨架越易成一个整体。目前，制备硅胶整体柱常用的反应物如下，四甲氧基硅烷(TMOS)或四乙氧基硅烷(TEOS)作为硅胶基来源，聚乙二醇(PEG)作为骨架模板、致孔剂，乙酸作为催化剂，用氨水或者尿素制作中孔。
1999年，Fujimoto详细介绍了毛细管电色谱硅胶整体柱的制备过程，首先将TMOS、PEG和乙酸溶液组成溶胶溶液，充入毛细管中，40℃反应20小时，用水冲洗成型的硅胶柱，然后40℃下用氨水处理24小时，热处理后，将10％(体积比)二甲基十八氯烷的无水甲苯溶液充入毛细管中，90℃反应10小时，后续处理备用。电镜扫描显示，硅胶骨架类似于硅胶颗粒堆积而成，所制整体柱用于分离乙酰苯和苯戊酮的混合物，分别获得21,400和23,300的理论塔板数。Ishizuka等人制备了可用于HPLC和CEC的硅胶整体柱，首先将TMOS、PEG(分子量10,000)和乙酸溶液在0℃下剧烈搅拌45min，然后将溶胶溶液充入预处理过的毛细管中，40℃过夜。成型的硅胶整体柱在120℃下用0.01M的氨水处理3小时，接着用水、甲醇冲洗。烘干后，330℃热处理25小时。然后将C18基团反应物(octadecyldimethyl-N，N—diethylaminosilane)2ml溶于8ml无水甲苯中，在50mbar的压力和60℃条件下，用C18基团反应物的甲苯溶液冲洗柱子3小时，制成反相硅胶整体柱。
以上介绍的制备过程都包括两个反应过程，一是烷氧基硅烷水解，缩聚形成网状结构，二是对表面的硅羟基进行化学修饰，使其具有特定的保留性能。有的实验小组将上面两个步骤合而为一。Hayes和Malik用一步反应制备了毛细管硅胶整体柱。他们将C18基团反应物N-octadecyldimethyl [3—(trimethoxysilyl) propyl] ammomum chloride (C18—TMS)、烷氧基硅烷TMOS、惰性剂phenyldimethylsilane (PheDMS)、催化剂trifluoroacetic acid (TFA)和水混合制成溶液，所有的反应过程，包括网络硅胶骨架成型，C18键合都在一步制作中完成。所制备的整体柱在分离多环芳烃混合物、乙醛和酮的混合物中所获得的高分离效率说明这是一种简便、快速、有效的制备反相毛细管硅胶整体柱的方法。Allen和El Rassi采用上述Hayes和Malik的方法，制备了带正电的硅胶整体柱。Dulay等人用光聚合法制备了硅胶整体柱。他们将methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTMS)、HCl、toluene(制孔剂)和Irgacure 1800(光引发剂)混合在一起制成溶胶溶液，并将溶液充入毛细管中，然后将毛细管的外涂层去除一小段作为光引发窗口，紫外光引发聚合反应完成后，冲洗、平衡毛细管柱子，所制备的整体柱分离烷基苯混合物获得基线分离。他们还发现，随着MPTMS的量增加，容量因子k增加，保留值增加。Quirino等用类似的方法制备了硅胶整体柱，并用于在线富集研究，获得良好的效果。
在国内，用溶胶-凝胶法制备硅胶整体柱的研究也取得了很大的进展。冯钰錡等采用上述类似的方法，通过对不同反应物配比等问题进行研究制备了低背景的毛细管硅胶整体柱，通过分离中性溶质烷基苯和碱性溶质芳香胺来考察整体柱的电色谱性能，获得了较好的效果。高文惠等通过引入表面改性剂、变形抑制剂，大大降低了整体柱制备过程中由于硅胶干燥而引起的开裂现象，并探讨了不同制备条件对硅胶整体柱的影响。王丽娟等人在上述基础上将硅烷耦联剂键合到硅胶整体柱上，得到了酯型十八烷基键合固定相，并考察了柱压降、分离效果与流速的关系。
2 影响因素
硅胶整体柱具有双孔结构，有微米级的通孔和纳米级的中孔。要想制备色谱性能好的整体柱，通孔与骨架尺寸的比率必须考虑。通过改变反应物的配比和反应条件，可以制备具有不同孔径结构的整体柱。
2．1水量及催化剂
由溶胶-凝胶法制备整体柱的基本反应方程式可以看出，配制溶胶的有机溶剂必须能与硅烷和水互溶，而且硅烷水解所需水量也应控制。Nicolaon等进行了一系列实验来研究水和TMOS的浓度对反应的影响。随着水量的增加，反应加快，凝胶化时间缩短，这是由于反应加快后，TMOS水解形成的—Si-OH浓度增加，有利于缩聚反应的进行。但水量也不能过大，因为水作为缩聚反应的产物，浓度过大，对缩聚反应不利。结果表明，溶胶溶液中H2O与Si(OR)4的摩尔比至少为2：1才可以使得醇盐完全水解，一般摩尔比在2.5附近。
另外，水解过程需要有催化剂，一般有酸性催化剂(常用盐酸，乙酸，硝酸)和碱性催化剂(常用0.01M的稀氨水)。在酸性条件下，容易形成线性或无序的链状缠绕，形成网络状的硅胶骨架，酸性催化还可以由超声引发。在碱性条件下，容易形成硅胶颗粒堆积的骨架结构，而且孔体积相当大。还有人用两步催化，既用酸，又用碱。
2.2 TMOS与PEG的比例
Tanaka的实验小组研究反应物TMOS和PEG的配比对制备整体柱的影响时发现，保持TMOS不变，随PEG含量的增加，硅胶骨架和通孔变小。很多实验小组都采用了Tanaka的比例，可是由于硅胶干燥过程中收缩开裂以及制备过程的复杂，此技术只被少数实验小组掌握。冯钰錡等通过改变TMOS和PEG的配比，制得了重现性较好的柱子。杨静、王岳等也做了详细的TMOS与PEG的配比对制备整体柱的影响的研究。各实验小组的研究均表明，硅胶整体柱的骨架结构取决于TMOS和PEG的配比，随比例的变化，骨架和通孔的尺寸相应变化。
2.3氨水处理
氨水制作中孔的主要机理是硅胶低聚单元的溶解再沉淀。氨水浓度增大，溶液pH值升高，发生在凝胶骨架表面的溶解再沉淀过程越易进行，故中孔的孔径越大。Allen等做了大量的实验来研究孔结构条件对色谱分离的影响。研究表明，氨水的浓度及处理时间等条件决定孔结构和相比。
高文惠等研究了氨水浓度及温度对制备中孔的影响。他们发现同浓度氨水采用不同制孔法所制中孔的平均孔径基本相同，孔分布相近。氨水浓度对中孔尺寸的影响较大，在处理温度和时间一定的条件下，随氨水浓度的增加，所制中孔的孔径也随之增大，但浓度不可太高，大于2mol／L即对柱体的网架结构有严重破坏作用。另外，不同的处理时间也会有不同的孔结构，不同的柱分离效果。
溶胶—凝胶法制备整体柱除以上影响因素外，老化、干燥时间、pH值、添加表面改性剂等因素也必须考虑。Ishizuka、高文惠等对此进行了详细的实验研究，优化了反应条件。
3 应用情况
硅胶整体柱具有纯度高，对碱性化合物和金属螯合物非特异吸附小，机械强度高，化学稳定性好等特点，而且良好的渗透性，使其即使在较高流速下使用，也具有较高柱效和较低柱压降。因此它具有高速、低压、高效、适于进行流速梯度洗脱或者流速梯度与溶剂梯度相结合的操作等优异特性，非常适合于生物大分子的高效快速分离。
硅胶整体柱可以用于常规HPLC、微液相系统(μ—LC和CEC)。在常规HPLC方面，硅胶整体柱可以方便的应用而不需要有特殊的变动。由于无柱塞效应，稳定性好，平衡时间短等特点，硅胶整体柱在CEC中有着明显的应用优势。当样品稀少珍贵的时候，整体柱在μ-LC甚至nano-LC方面的应用优势也凸显出来。通过控制制备过程，硅胶整体柱可根据分离要求键合不同化学基团，达到不同的分离分析要求。如最常见的是键合C18烷基链，用于反相色谱分离模式；键合手性功能团可以进行手性异构体分离，Dulay等用光引发聚合的整体柱对五个衍生化的氨基酸进行了分离。
4 展 望
由于溶胶-凝胶法制备的硅胶基质整体柱所具有的渗透性好。制备相对简单，具有比传统填充柱和开管柱优越的诸多优势，使得其在分析领域中得到越来越多的应用。随着材料、有机合成等学科的发展，溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱势必会得到很大的上升空间。但是溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱也存在一些问题，主要是凝胶干燥过程中开裂，硅胶表面改性等问题。虽然各个实验小组都有成功的制备方法，但并没有实质性地解决这些问题。另外，硅胶整体柱的制备周期相对较长。因此，未来溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱还会围绕此类问题进行研究。
国家自然科学基金项目(No．20575041)和教育部留学回国启动基金资助。
发布者：刘海清 杜艳艳 贾 丽 邢 达 发布时间：2007-2-28 浏览次数：784
(1汕头大学理学院化学系，广东汕头 515063；
2华南师范大学激光生命教育部重点实验室／激光生命科学研究所，广东 广州 510631)
在色谱研究领域里，整体柱也叫连续床层柱(continuous bed column)，无塞柱(fritless column)或者棒状柱(rod column)。顾名思义，无塞柱是对应于传统填充柱柱塞而言。由于材料科学的进步，填充柱可以使用粒径越来越细的填料，获得越来越高的柱效。但随之而来的柱压降大，仪器压力限等问题，使得进一步提高柱效越来越难。相比而言，整体柱却能完全消除或显著改善填充柱的诸多缺点，而且具有高表面积、高渗透率、传质快等特点。与开管柱相比，整体柱中溶质分子从液相扩散到固定相的路径大大缩短，扩散小，平衡快，相比高，柱容量大，检测容易。诸多优势，使得整体柱的制备迅速发展起来。
整体柱一般分为两大类：有机聚合物类和硅胶基质类。前一类由Hjertén最先提出，并得到快速发展，Hoegger等予以了详细的介绍。硅胶整体柱是近10年才出现的新型色谱柱，通常采用溶胶-凝胶法制备。
1 溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱
1.1 溶胶—凝胶法原理
溶胶-凝胶法原本是一种材料制备方法，可以追溯到19世纪中叶，后来被德国Schott玻璃公司采用。它可以形成牢固的-Si-O-Si-网络，同时能将所需的涂层材料键合、裹夹其中，可用于制备宽pH范围内稳定的涂层，近年得到迅速发展。其基本反应原理是令无机盐或醇盐等金属化合物，在某种含水溶剂中进行逐步的水解和缩聚反应，可以使溶液经历溶胶转化成凝胶的过程，然后将凝胶进行干燥，烧结等处理，就能得到组成分布均匀的坚固物质。这实际上是通过溶液中的化学反应形成无定形网络结构并令溶剂蒸发来固定无定形结构的过程。如果在反应过程中，加入有机单体或聚合物，并与无机物发生化学反应，就可以形成均匀的无机—有机杂化结构。基本反应方程式如下：
Si(OR)4+xH2O- Si(OH)x(OR)4-x+xROH
—Si-OH+RO-Si — — -Si-O-Si-+ROH
—Si-OH+HO-Si — — -Si-O-Si-+H2O
了解了溶胶-凝胶法的反应原理，实验人员就可以根据预先设计对整个实验过程予以有效控制。
1.2 制备方法
硅胶整体柱既可以在模具(6～9 mm内径的管子)中，也可以在毛细管(50～200μm内径)中制备成型。前一种多用于常规液相系统，如常规高效液相色谱(HPLC)，后一种多用于微液相系统，如毛细管微径液相(μ-LC)、毛细管电色谱(CEC)。由于溶胶向凝胶转变，以及凝胶干燥时都会有体积收缩，使得难以制备较长且笔直的用于常规HPLC的柱子，一般多为15cm或更短。对于毛细管硅胶整体柱，则不受氏度限制，因为硅胶网络骨架必须原位聚合到管壁上，所以内径越小的管子，骨架越易成一个整体。目前，制备硅胶整体柱常用的反应物如下，四甲氧基硅烷(TMOS)或四乙氧基硅烷(TEOS)作为硅胶基来源，聚乙二醇(PEG)作为骨架模板、致孔剂，乙酸作为催化剂，用氨水或者尿素制作中孔。
1999年，Fujimoto详细介绍了毛细管电色谱硅胶整体柱的制备过程，首先将TMOS、PEG和乙酸溶液组成溶胶溶液，充入毛细管中，40℃反应20小时，用水冲洗成型的硅胶柱，然后40℃下用氨水处理24小时，热处理后，将10％(体积比)二甲基十八氯烷的无水甲苯溶液充入毛细管中，90℃反应10小时，后续处理备用。电镜扫描显示，硅胶骨架类似于硅胶颗粒堆积而成，所制整体柱用于分离乙酰苯和苯戊酮的混合物，分别获得21,400和23,300的理论塔板数。Ishizuka等人制备了可用于HPLC和CEC的硅胶整体柱，首先将TMOS、PEG(分子量10,000)和乙酸溶液在0℃下剧烈搅拌45min，然后将溶胶溶液充入预处理过的毛细管中，40℃过夜。成型的硅胶整体柱在120℃下用0.01M的氨水处理3小时，接着用水、甲醇冲洗。烘干后，330℃热处理25小时。然后将C18基团反应物(octadecyldimethyl-N，N—diethylaminosilane)2ml溶于8ml无水甲苯中，在50mbar的压力和60℃条件下，用C18基团反应物的甲苯溶液冲洗柱子3小时，制成反相硅胶整体柱。
以上介绍的制备过程都包括两个反应过程，一是烷氧基硅烷水解，缩聚形成网状结构，二是对表面的硅羟基进行化学修饰，使其具有特定的保留性能。有的实验小组将上面两个步骤合而为一。Hayes和Malik用一步反应制备了毛细管硅胶整体柱。他们将C18基团反应物N-octadecyldimethyl [3—(trimethoxysilyl) propyl] ammomum chloride (C18—TMS)、烷氧基硅烷TMOS、惰性剂phenyldimethylsilane (PheDMS)、催化剂trifluoroacetic acid (TFA)和水混合制成溶液，所有的反应过程，包括网络硅胶骨架成型，C18键合都在一步制作中完成。所制备的整体柱在分离多环芳烃混合物、乙醛和酮的混合物中所获得的高分离效率说明这是一种简便、快速、有效的制备反相毛细管硅胶整体柱的方法。Allen和El Rassi采用上述Hayes和Malik的方法，制备了带正电的硅胶整体柱。Dulay等人用光聚合法制备了硅胶整体柱。他们将methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTMS)、HCl、toluene(制孔剂)和Irgacure 1800(光引发剂)混合在一起制成溶胶溶液，并将溶液充入毛细管中，然后将毛细管的外涂层去除一小段作为光引发窗口，紫外光引发聚合反应完成后，冲洗、平衡毛细管柱子，所制备的整体柱分离烷基苯混合物获得基线分离。他们还发现，随着MPTMS的量增加，容量因子k增加，保留值增加。Quirino等用类似的方法制备了硅胶整体柱，并用于在线富集研究，获得良好的效果。
在国内，用溶胶-凝胶法制备硅胶整体柱的研究也取得了很大的进展。冯钰錡等采用上述类似的方法，通过对不同反应物配比等问题进行研究制备了低背景的毛细管硅胶整体柱，通过分离中性溶质烷基苯和碱性溶质芳香胺来考察整体柱的电色谱性能，获得了较好的效果。高文惠等通过引入表面改性剂、变形抑制剂，大大降低了整体柱制备过程中由于硅胶干燥而引起的开裂现象，并探讨了不同制备条件对硅胶整体柱的影响。王丽娟等人在上述基础上将硅烷耦联剂键合到硅胶整体柱上，得到了酯型十八烷基键合固定相，并考察了柱压降、分离效果与流速的关系。
2 影响因素
硅胶整体柱具有双孔结构，有微米级的通孔和纳米级的中孔。要想制备色谱性能好的整体柱，通孔与骨架尺寸的比率必须考虑。通过改变反应物的配比和反应条件，可以制备具有不同孔径结构的整体柱。
2．1水量及催化剂
由溶胶-凝胶法制备整体柱的基本反应方程式可以看出，配制溶胶的有机溶剂必须能与硅烷和水互溶，而且硅烷水解所需水量也应控制。Nicolaon等进行了一系列实验来研究水和TMOS的浓度对反应的影响。随着水量的增加，反应加快，凝胶化时间缩短，这是由于反应加快后，TMOS水解形成的—Si-OH浓度增加，有利于缩聚反应的进行。但水量也不能过大，因为水作为缩聚反应的产物，浓度过大，对缩聚反应不利。结果表明，溶胶溶液中H2O与Si(OR)4的摩尔比至少为2：1才可以使得醇盐完全水解，一般摩尔比在2.5附近。
另外，水解过程需要有催化剂，一般有酸性催化剂(常用盐酸，乙酸，硝酸)和碱性催化剂(常用0.01M的稀氨水)。在酸性条件下，容易形成线性或无序的链状缠绕，形成网络状的硅胶骨架，酸性催化还可以由超声引发。在碱性条件下，容易形成硅胶颗粒堆积的骨架结构，而且孔体积相当大。还有人用两步催化，既用酸，又用碱。
2.2 TMOS与PEG的比例
Tanaka的实验小组研究反应物TMOS和PEG的配比对制备整体柱的影响时发现，保持TMOS不变，随PEG含量的增加，硅胶骨架和通孔变小。很多实验小组都采用了Tanaka的比例，可是由于硅胶干燥过程中收缩开裂以及制备过程的复杂，此技术只被少数实验小组掌握。冯钰錡等通过改变TMOS和PEG的配比，制得了重现性较好的柱子。杨静、王岳等也做了详细的TMOS与PEG的配比对制备整体柱的影响的研究。各实验小组的研究均表明，硅胶整体柱的骨架结构取决于TMOS和PEG的配比，随比例的变化，骨架和通孔的尺寸相应变化。
2.3氨水处理
氨水制作中孔的主要机理是硅胶低聚单元的溶解再沉淀。氨水浓度增大，溶液pH值升高，发生在凝胶骨架表面的溶解再沉淀过程越易进行，故中孔的孔径越大。Allen等做了大量的实验来研究孔结构条件对色谱分离的影响。研究表明，氨水的浓度及处理时间等条件决定孔结构和相比。
高文惠等研究了氨水浓度及温度对制备中孔的影响。他们发现同浓度氨水采用不同制孔法所制中孔的平均孔径基本相同，孔分布相近。氨水浓度对中孔尺寸的影响较大，在处理温度和时间一定的条件下，随氨水浓度的增加，所制中孔的孔径也随之增大，但浓度不可太高，大于2mol／L即对柱体的网架结构有严重破坏作用。另外，不同的处理时间也会有不同的孔结构，不同的柱分离效果。
溶胶—凝胶法制备整体柱除以上影响因素外，老化、干燥时间、pH值、添加表面改性剂等因素也必须考虑。Ishizuka、高文惠等对此进行了详细的实验研究，优化了反应条件。
3 应用情况
硅胶整体柱具有纯度高，对碱性化合物和金属螯合物非特异吸附小，机械强度高，化学稳定性好等特点，而且良好的渗透性，使其即使在较高流速下使用，也具有较高柱效和较低柱压降。因此它具有高速、低压、高效、适于进行流速梯度洗脱或者流速梯度与溶剂梯度相结合的操作等优异特性，非常适合于生物大分子的高效快速分离。
硅胶整体柱可以用于常规HPLC、微液相系统(μ—LC和CEC)。在常规HPLC方面，硅胶整体柱可以方便的应用而不需要有特殊的变动。由于无柱塞效应，稳定性好，平衡时间短等特点，硅胶整体柱在CEC中有着明显的应用优势。当样品稀少珍贵的时候，整体柱在μ-LC甚至nano-LC方面的应用优势也凸显出来。通过控制制备过程，硅胶整体柱可根据分离要求键合不同化学基团，达到不同的分离分析要求。如最常见的是键合C18烷基链，用于反相色谱分离模式；键合手性功能团可以进行手性异构体分离，Dulay等用光引发聚合的整体柱对五个衍生化的氨基酸进行了分离。
4 展 望
由于溶胶-凝胶法制备的硅胶基质整体柱所具有的渗透性好。制备相对简单，具有比传统填充柱和开管柱优越的诸多优势，使得其在分析领域中得到越来越多的应用。随着材料、有机合成等学科的发展，溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱势必会得到很大的上升空间。但是溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱也存在一些问题，主要是凝胶干燥过程中开裂，硅胶表面改性等问题。虽然各个实验小组都有成功的制备方法，但并没有实质性地解决这些问题。另外，硅胶整体柱的制备周期相对较长。因此，未来溶胶—凝胶法制备硅胶整体柱还会围绕此类问题进行研究。
国家自然科学基金项目(No．20575041)和教育部留学回国启动基金资助。