评 述 与 进 展溶 胶 2凝 胶 法 制 备 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 的 研 究 进 展陈 雅 顺 贾 丽 3(华 南 师 范 大 学 激 光 生 命 科 学 教 育 部 重 点 实 验 室 ,激 光 生 命 科 学 研 究 所 ,广 州 510631)摘 要 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 作 为 一 种 新 型 的 分 离 介 质 ,在 色 谱 领 域 显 示 出 了 强 大 的 生 命 力 。 本 评 述 介 绍 了 溶胶 2凝 胶 法 制 备 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 的 方 法 ,重 点 分 析 了 溶 胶 2凝 胶 法 制 备 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 的 影 响 因 素 ,总 结了 近 几 年 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 在 高 效 液 相 色 谱 和 电 色 谱 中 的 应 用 。关 键 词 溶 胶 2凝 胶 法 , 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 , 综 述2007212214收 稿 ; 2008202218接 受本 文 系 国 家 自 然 科 学 基 金 (No. 20575041)和 教 育 部 留 学 回 国 启 动 基 金 资 助 项 目3 E2mail: jiali scnu. edu. cn1 引 言色 谱 柱 作 为 色 谱 的 心 脏 ,其 性 能 的 不 断 改 进 对 色 谱 技 术 的 发 展 极 其 重 要 。 而 制 柱 技 术 的 优 劣 是 决定 色 谱 柱 性 能 的 关 键 。 溶 胶 2凝 胶 法 作 为 一 种 新 的 制 柱 技 术 ,因 其 具 有 反 应 条 件 温 和 、 制 备 简 单 等 特 点从 而 为 色 谱 柱 的 发 展 带 来 了 巨 大 潜 力 。整 体 柱 是 一 种 具 有 双 孔 结 构 的 新 型 色 谱 柱 。 同 常 规 填 充 柱 相 比 ,整 体 柱 不 仅 不 需 要 制 备 柱 塞 ,而 且由 于 具 有 高 的 通 透 性 ,可 适 用 于 流 速 梯 度 洗 脱 。 其 中 硅 胶 整 体 柱 因 具 有 机 械 强 度 高 、 化 学 稳 定 性 好 ,在有 机 溶 剂 中 不 易 弯 曲 变 形 等 诸 多 优 点 而 被 作 为 一 种 的 新 的 分 离 介 质 广 泛 应 用 。近 十 几 年 来 适 应 不 同 选 择 要 求 的 硅 胶 整 体 柱 的 制 备 已 成 为 一 个 新 的 研 究 热 点 。 L i 1 和 M inaku2chi 2 等 对 有 关 硅 胶 整 体 柱 的 制 备 进 行 了 综 述 。 本 文 重 点 分 析 溶 胶 2凝 胶 法 制 备 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 的 影响 因 素 ,并 总 结 近 几 年 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 在 高 效 液 相 色 谱 (HPLC)和 电 色 谱 (CEC)中 的 应 用 。2 溶 胶 2凝 胶 柱 制 备 的 原 理 、 方 法 及 其 影 响 因 素溶 胶 2凝 胶 技 术 是 一 种 制 备 材 料 的 湿 化 学 方 法 ,在 诸 多 领 域 3 5 已 经 得 到 广 泛 应 用 。 近 十 几 年 来 ,溶 胶 2凝 胶 技 术 才 被 应 用 于 制 备 色 谱 柱 。 1987年 , Cortes等 6 在 毛 细 管 中 利 用 溶 胶 2凝 胶 技 术 制 备 了 陶瓷 质 的 整 体 柱 床 ,并 应 用 在 液 相 色 谱 中 。 1993年 , Crego等 7 制 备 出 原 位 涂 层 开 管 柱 。 1996年 , Tanaka等 8 首 次 使 用 溶 胶 2凝 胶 法 成 功 制 备 出 连 续 柱 床 硅 胶 整 体 柱 。 之 后 ,溶 胶 2凝 胶 法 制 备 毛 细 管 硅 胶 整 体柱 的 技 术 得 到 了 快 速 发 展 9 。溶 胶 2凝 胶 法 制 备 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 就 是 在 烷 氧 基 硅 烷 前 体 中 加 入 一 定 比 例 的 催 化 剂 、 制 孔 剂 等 添加 剂 ,将 此 体 系 混 合 成 溶 胶 状 态 ,注 入 预 处 理 后 的 毛 细 管 ,通 过 热 引 发 10 或 光 引 发 11 使 溶 胶 发 生 水 解和 缩 聚 反 应 ,转 化 成 凝 胶 12 (如 图 1所 示 ) ,然 后 经 干 燥 ,高 温 烧 结 等 处 理 ,得 到 组 成 分 布 均 匀 的 牢 固 柱床 ,接 着 还 可 在 柱 床 上 修 饰 具 有 特 定 保 留 作 用 的 官 能 团 。2. 1 毛 细 管 柱 的 预 处 理毛 细 管 预 处 理 的 目 的 就 是 要 使 管 壁 裸 露 更 多 的 硅 羟 基 ,利 于 与 柱 床 充 分 键 合 ,防 止 柱 床 与 管 壁 脱离 。 一 般 可 分 为 蚀 刻 、 沥 取 、 水 洗 和 干 燥 等 步 骤 13 。 Ye等 14 先 用 水 冲 洗 30 m in,再 冲 入 1 mol/L NaOH反 应 过 夜 ,然 后 用 水 清 洗 30 m in后 , 0. 1 mol/L HCl处 理 3 h,接 着 再 用 水 冲 洗 ,最 后 于 180 下 通 氮 气干 燥 3 h。 Hayes等 15 对 毛 细 管 进 行 预 处 理 时 ,只 是 将 用 去 离 子 水 冲 洗 过 后 的 毛 细 管 柱 进 行 250 的 热第 36卷2008年 6月分 析 化 学( FENX I HUAXUE) 评 述 与 进 展Chinese Journal of Analytical Chem istry第 6期853 859SiROOROROR + H2O Hydrolysis SiROOROROH + ROHSiROOROROH + SiROOROROR A lcohol condensation SiROORORO SiOROROR + ROHSiROOROROH + SiHOOROROR W ater condensation SiROORORO SiOROROR + H2O图 1 溶 胶 2凝 胶 体 系 中 的 水 解 和 缩 聚 反 应Fig. 1 Hydrolysis and condensation reactions involved in sol2gel p rocess处 理 ,之 后 通 氦 气 吹 30 m in。 Sakai2kato等 16 为 了 使 柱 床 与 管 壁 结 合 得 更 加 牢 固 ,在 冲 入 溶 胶 反 应 液 之前 先 用 甲 基 丙 烯 酰 氧 基 丙 基 三 甲 氧 基 硅 烷 (MPTMS)预 处 理 毛 细 管 ,使 之 与 管 壁 上 的 硅 羟 基 键 合 。2. 2 制 备 方 法 及 影 响 因 素将 一 定 组 分 配 比 的 溶 胶 注 入 预 处 理 后 的 毛 细 管 中 ,在 一 定 温 度 下 陈 化 一 段 时 间 后 ,再 进 行 后 续 处理 ,包 括 制 备 中 孔 ,键 合 上 特 定 官 能 团 等 。 通 过 控 制 各 组 分 的 比 例 可 以 调 控 整 体 柱 的 结 构 17 。 上 述 制备 过 程 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 官 能 团修 饰 ,使 其 具 有 特 定 的 保 留 性 能 。 特 定 官 能 团 的 键 合 情 况 对 整 体 柱 的 性 能 至 关 重 要 。 为 了 成 功 制 备 出具 有 多 种 用 途 的 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 ,可 将 硅 胶 柱 床 直 接 与 商 品 化 的 官 能 团 试 剂 反 应 ,键 合 上 所 需 要 的 官能 团 ;也 可 将 硅 胶 柱 床 与 偶 联 剂 键 合 ,再 键 合 所 需 的 官 能 团 。 一 般 被 选 作 偶 联 剂 的 化 合 物 主 要 有 甲 基 丙烯 酸 (32三 甲 氧 基 硅 )丙 酯 18 20 和 2(2, 32环 氧 丙 氧 )丙 基 三 甲 氧 基 硅 烷 21 23 。 此 外 , 32氯 丙 基 三 甲 氧基 硅 烷 也 被 用 作 偶 联 剂 23 。有 人 将 前 体 的 水 解 和 特 定 官 能 团 的 键 合 这 两 步 反 应 并 成 一 步 ,即 在 溶 胶 体 系 中 加 入 含 特 定 官 能 团的 反 应 前 体 ,经 过 水 解 和 缩 聚 反 应 后 ,柱 床 的 形 成 和 特 定 官 能 团 的 键 合 过 程 同 步 完 成 ,简 化 了 制 备 过 程 。本 文 根 据 柱 床 的 形 成 与 特 定 官 能 团 的 键 合 是 否 同 步 将 制 备 过 程 分 为 一 步 法 和 两 步 法 。 具 体 配 比 和 制 备步 骤 可 参 照 表 1和 表 2中 的 文 献 。2. 2. 1 前 体 的 选 择 四 甲 氧 基 硅 烷 ( TMOS) 24 26 和 四 乙 氧 基 硅 烷 ( TEOS) 27, 28 都 是 常 用 的 前 体 。 由于 四 甲 氧 基 硅 烷 的 水 解 速 率 大 于 四 乙 氧 基 硅 烷 ,而 且 以 四 甲 氧 基 硅 烷 作 为 前 体 ,容 易 产 生 孔 径 分 布 窄 、比 表 面 积 大 的 结 构 。 因 此 ,四 甲 氧 基 硅 烷 被 广 泛 用 于 硅 胶 整 体 柱 的 制 备 。 Laschober等 29 制 备 了 仅 以甲 基 三 甲 氧 基 硅 烷 (MTMS)作 为 反 应 前 体 的 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 ,并 通 过 改 变 催 化 剂 的 浓 度 和 制 孔 剂 的比 例 来 考 察 两 者 对 于 整 体 柱 结 构 的 影 响 。 这 种 仅 以 MTMS作 为 反 应 前 体 的 新 的 制 柱 方 法 在 改 善 硅 胶基 质 整 体 柱 性 能 ,如 提 高 整 体 柱 的 通 透 性 和 牢 固 性 等 方 面 具 有 积 极 的 作 用 。为 了 成 功 制 备 内 径 较 大 的 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 ,文 献 18, 30 以 四 甲 氧 基 硅 烷 和 甲 基 三 甲 氧 基 硅 烷的 混 合 物 作 为 反 应 前 体 制 备 柱 床 。 尽 管 这 种 方 法 可 以 减 少 柱 床 的 收 缩 和 断 裂 程 度 ,但 是 由 于 MTMS与TMOS的 性 质 不 同 ,也 增 加 了 制 备 可 控 结 构 整 体 柱 的 困 难 。 Col n等 31 为 制 备 在 较 强 碱 性 条 件 下 可 以稳 定 的 毛 细 管 硅 胶 整 体 柱 ,将 四 甲 氧 基 硅 烷 和 烯 丙 基 三 甲 氧 基 硅 烷 (A llyl2TrMOS)两 者 混 合 作 为 反 应 前体 ,再 通 过 Si C 键 将 烯 丙 基 基 团 与 作 为 官 能 团 的 C6 连 接 起 来 ,该 方 法 制 得 的 整 体 柱 能 在 pH 值 为10. 5的 碱 性 环 境 中 使 用 。2. 2. 2 水 量 的 控 制 Constantin 等 32 讨 论 了 在 初 始 体 系 中 当 水 量 为 全 部 前 体 完 全 水 解 所 需 水 量 的100% 500%时 ,水 量 变 化 对 于 柱 床 强 度 的 影 响 。 结 果 表 明 ,当 其 比 例 为 200%时 溶 胶 体 系 的 水 解