硅胶整体柱是二十世纪九十年代新发展起来的一种色谱填料,具有低压、快速、高
效、机械强度高和柱稳定性很高等优点,在催化、合成、分离等领域有很广阔的应用前景。
但由于其合成技术的难度较高,目前仅少数实验室掌握该项技术。因此,研究开发通用、
本文首先介绍了近几年来液相色谱柱的发展现状,着重介绍了无机硅胶整体柱的制
备方法、结构特征、化学修饰,并概述了其在高效液相色谱和整体催化中的应用。
其次制备了对甲苯基键合硅胶整体柱,第一步用硅烷化试剂Y一缩水甘油醚氧丙基
三甲氧基硅烷(1(H560)和整体柱表面的羟基反应,第二步加入乙二胺和环氧基反应形
成柱体表面的氨基,第三步再加入对甲苯磺酸与氨基反应,反应完毕制成对甲苯基键合
硅胶整体柱。利用红外光谱仪和元素分析仪对其进行表征。考察了其适用的pH范围及
稳定性,以及最大上样量和柱压降与流速的关系。在疏水色谱条件下,对其色谱性能进
行了考察,考察了对甲苯基键合硅胶整体柱在疏水条件下对三种蛋白的分离,得到了理
此外,以有序介孔硅胶整体柱为杂多酸催化剂的载体,合成了一系列的二吲哚甲烷,
反应过程时间短,条件温和,负载的催化剂可方便的回收再次利用。这种整体催化载体
材料,形态可控,骨架孔及其大4 t4}布均匀,传质效率高,容易再生,显示出良好的催
pressure,hi曲permeability hi曲mechanicalstrength,goodperformance
whichhasattractedattentionsince1990s.Ithasbeen
separationfields.However thepreparationprocess
andmodificationofthemonolithicsilicacolumn.
columnwasreviewedatfir瓯thepreparation
andmodificationofmonolithicsilicacolumnwerealso
themonolithicsilicacolumnonHPLCwasdescribed.
hi.ghperformanceliquidchromatography
acidontothemonolithicsilicacolumns.Its’chemicalcharacterization
Analysis.Its’chromatographicproperties
lysozyme(Lys),humanimmunoglobulin(16;G)
goodstability.TheP--methylphenyl・ -bonded
newmonolithicsilicacolumnWasusedtobeaneffective
offersshortreactiontimes,mildconditionanda
monolithicsilicacolumn chemicalmodification
p-methylphenyl-bondedstationaryphases bis(indoly)methanes
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随着高效液相色谱在分析分离中的广泛应用,所有的领域中的色谱工作者越来越多的
高效液相色谱仪主要包含进样系统、输液系统、分离系统、检测系统和数据处理系
统,其中分离系统包括色谱柱、连接管和恒温器等。色谱柱一般长度为10"-50cm,内径
为2"-- 5mm,由优质不锈钢或厚壁玻璃管或钛合金等材料制造成,柱内装有直径为5~10岬
粒度的固定相。固定相中的基质是由机械强度高的树脂或硅胶构成,它们都有惰性(如
硅胶表面的硅酸基因基本已除去)、多孔性和比表面积大的特点,或者用化学法偶联各
种基因(如磷酸基、季胺基、羟甲基、苯基、氨基或各种长度碳链的烷基等)或配体的
在分离系统中,色谱柱又是色谱技术的核心部分,在高效液相色谱(HPLC)领域
目前的填充材料多为多孔硅球,基于聚合物基质的填料也已经商品化,并用在很多
领域。最为常用的是硅胶基质的填料,这主要因为硅胶良好的物理特性,经过控制全多
孔硅胶基质的制作流程与工艺,能够获得不同粒径的填料。这种材料的突出优点是机械强度高,
整体柱,又称整体固定相、棒柱、连续床层等,它是通过原位聚合或固定化在柱管
中形成的具有多孔结构的连续棒状整体。整体柱大致上可以分为两类:有机聚合物整体柱和无
目前的研究多集中于有机聚合物整体柱,这种整体柱具有制备简单、内部结构均匀、
重现性好、低压、快速、高效等优点,并能根据需要对其表面进行化学修饰,是一
种新型的用于分离分析和反应器的多孔介质,它不仅可以作为液相色谱和毛细管电色谱
的固定相,也可以用作石油裂解、非均相反应催化剂的载体,催化效率高,传质性好,
目前已受到越来越多的关注。但和硅胶整体柱相比,因为机械强度差,会在有机溶剂作
通过溶胶.凝胶技术制备的硅胶整体柱,除具有传统硅胶颗粒柱的优点以外,还具
II皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼!曼曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼皇皇
二十世纪六十年代,Kubin[61等用聚2.羟乙基甲基丙烯酸凝胶制备了低压排阻色谱
柱,对蛋白质进行分离。科学家在后来逐渐开始研究聚合物作为填料的整体柱,并开始
商业化的应用【7.101。近几年国内也开展了相关的课题研究‘11・ 171。
和硅胶颗粒填充的色谱柱相比,聚合物整体柱可以克服对流动相pH值的高要求,
扩大色谱柱应用的pH范围,并且聚合物制备工艺更加简单,吸引了很多科学家加入这
一领域的研究‘18 19]。目前,有机聚合物整体柱研究较多的有以聚苯乙烯、聚丙烯酰胺和
聚苯乙烯类整体柱使用苯乙烯或氯甲基苯乙烯为单体,二乙烯基苯为交联剂,有机
溶剂为致孔剂,在紫外光或者引发的条件下通过自由基引发制备而成。这种苯乙烯单体
制备的整体柱可以直接用于反相、疏水和沉淀溶解色谱等模式‘201。这种聚合物整体柱机
Svcc等【2l’22]用高纯的--7 烯基苯制备出整体柱在HPLC梯度模式下,分离了苯乙
烯聚合物,还可用于共聚物的分离,可以用做GPC的色谱柱填料,但其分离过程受到
聚丙烯酰胺类整体柱因其基质松软,不易在液相模式下使用,一般用于毛细管电泳
(CEC)。它采用丙烯酰胺、N.异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸丁酯等为
Fujimoto[24 25】将丙烯酰胺、亚甲基二丙烯酰胺、2.丙烯酰胺.2.甲基.1.丙磺酸在毛细
管柱内聚合,在CEC模式下,苯乙酮的理论塔板高度达到10.2tun。后F哂imot0【26】又用疏
水性较强的N.异丙基丙烯酰胺替代异丙烯酰胺,并将毛细管内壁硅烷化,使生成的凝胶
同毛细管内壁形成共价结合,与前面制备的凝胶毛细管柱相比,在分析疏水性溶质甾体
化合物时,40mill可以完成分析,柱效可达1.6×105理论塔板数/米,且分析疏水性化
Palm[27】使水相缓冲溶液和N.甲基甲酰胺形成均一的聚合物溶液,聚合后将疏水性
官能团引入固定相中,同时在反应体系中加入聚环氧乙烷(PEO),改善柱效。PEO使
丙烯酰胺链横向聚合,有助于形成孔结构。聚合后,PEO及其它的小分子被洗脱出来。
聚甲基丙烯酸酯类整体柱的功能单体有甲基丙烯酸酯、N.烯丙基二甲基胺、甲基丙
烯酸缩水甘油酯和2.丙烯酰胺.2.甲基.1.丙磺酸,交联剂为亚乙基二甲基丙烯酸酯。
Zhang等[28】制备了一系列用于反相分离的聚丙烯酸酯类整体柱,并详细考察了整体
材料的孔结构对其色谱行为的影响。Eeltink等【291也开展了类似的研究,并获得了满意的
H啪g等【3∞制备了530阻内径的聚丙烯酸酯类微液相色谱整体柱,并将其应用到酸
分子烙印,又称分子印迹,是近几年来发展起来的一种新型的技术,其研究涉及生
分子烙印整体柱的工作原理【31】:首先让含适当功能基的单体分子与印迹分子通过共
价作用或非共价作用结合,形成印迹分子复合物;然后选用适当的交联剂将印迹分子和
功能单体复合体系聚合形成聚合物网络,将印迹分子的空间分布和排列固定化;通过适
当处理后去除印迹分子,将印迹分子抽提出来。这样柱体上便留下了一些大小、形状和
化学功能与印迹分子互补的孔穴即分子识别位点,由于这种空间空穴的三维网格结构和
传统的分子烙印材料由于其较低的渗透性,使分子识别能力下降。整体柱技术的出
现,引起了分子烙印技术人员的兴趣。现在分子烙印的研究主要集中于将两种技术结合
1993年,Matsui等【32。41采用原位聚合法成功制备了分子印迹整体柱,该整体柱在分
离对映体时,对烙印分子有较强的识别能力,充分展示了分子印迹整体柱应用于手性分
Schweitz等【35】以罗哌卡因的左旋体为模板合成分子印迹整体柱,考察了功能单体的
硅胶整体柱是近几年出现的新型色谱柱,它是以烷氧基硅烷为主要原料,采用溶胶
.凝胶工艺制备而成的无机整体柱。该柱最大的特点是同时具有大孔和中孔的双孔结构,
并且大孔间互相连通形成网络结构,使其有强的通透性,骨架上的中孔提高了填料的比
表面积,使其有较高的柱容量和柱效。硅胶整体柱的内表面含有大量的硅羟基,可以对
其进行化学修饰。因此,该类色谱柱应用范围广,适用于酸性、碱性、中性以及易于和
金属螯合的化合物的分离。另外,硅胶整体柱机械强度高,稳定性好,保证了色谱柱的
硅胶整体柱可以分为用于HPLC的常规硅胶整体柱和用于CEC或LC的微型硅胶整体
1996年,Tanaka[36]研究小组首先制备出了连续的硅胶整体柱,随后,德国Merck公
司推出商品化硅胶整体柱[37-38]。之后推出的Chromolith@[39】整体柱迅速受到科研工作者
的欢迎,该柱是一种反相柱,孔隙率在80%以上,流速可达9ml/min,能够实现流速梯度
1991年,Nakanishi等【加】最初报道了多孔硅胶整体材料的制备技术,后来Takahashi
从1996年开始,硅胶整体柱的技术开始快速发展,Tanakadx组t36 42 43]带1j备了连续的
硅胶整体柱,他们以四甲氧基硅烷为原料,用聚环氧乙烷做致孔剂,经醋酸催化形成溶
胶,溶胶在柱状模具内经过水解缩聚的过程形成凝胶,经陈化后制备中孔,经干燥、焙
烧、包覆后制成硅胶整体柱。所得的硅胶整体柱同时具有微米级的骨架和通孔及纳米级
的中孔,可以通过调节反应物的比例来控制通孔和中孔的孔径,同时还研究了通孔和中
孔孔径及骨架尺寸对分离柱效的影响。实验也发现流速的变化对柱效的影响较小,说明
Chmelka等‘删用三嵌段共聚物PluronicF127(E010d'070EOl06)在聚合物泡沫的大
孔孔道内合成了硅胶整体柱。施治国等【451改用F127为模板和致孔剂,以四甲氧基硅烷
为原料,在醋酸溶液的催化作用下,采用溶胶.凝胶技术,合成了含组织孑L的硅胶整体
柱。然而,由上述方法制得的硅胶整体柱都没有用于液相色谱分离。本实验室的李风新
[461用F127为致孔剂,以四甲氧基硅烷为原料,采用溶胶.凝胶技术,合成有序介孔硅胶
整体柱,文章考察了致孔剂浓度、合成温度等因素对制备孔的影响,并用于正相色谱分
离卵磷脂,取得了良好的效果。实验证明,这种整体柱与传统意义上的硅胶整体柱相比,
溶胶.凝胶工艺是溶胶变为凝胶的过程中,发生水解和缩聚反应,并且这两个反应
是同时进行的相互竞争的反应。随着反应的进行,聚乙二醇和硅烷的Si.OH形成较强的
氢键作用,发生相分离,形成两个连续相:硅胶富集相和溶剂富集相,体系粘度增大,
发生凝胶化,固相随陈华而逐渐增长,最终形成稳定的网状骨架结构。湿凝胶经干燥和
热处理后,前者形成微米级硅胶骨架,后者形成微米级通孔。可通过改变初始反应物比
中孔是陈化后的湿柱体经碱液浸泡后,热处理制得的。中孔孔径的尺寸大小随溶液
的pH值和浸泡温度的增加而增大,而硅胶骨架和通孔结构不受影响,本实验室也对制孔
剂浓度和不同焙烧、活化条件进行了考察,结果发现,通过控制制孔剂的浓度、焙烧条
硅胶整体柱的结构表征主要有以下方法:扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和红
硅胶整体柱因其表面含许多硅羟基,可在正相条件下用于液相色谱分析,也可以对
其表明上进行化学修饰,制成反相柱用于液相色谱分析,大多数的分离分析主要是在反相
硅胶整体柱的基质是硅胶,用于硅胶的化学修饰方法也可用于硅胶整体柱的化学修
饰。硅胶整体柱经各种化学修饰改变其表面化学性质,成为用于不同分离模式的色谱填
料或分离介质。主要步骤是将柱体用一定浓度的盐酸活化后,使表面的硅羟基暴露后进
硅胶整体柱的化学修饰能够最终靠对其表面硅羟基的化学修饰来实现。硅羟基的化学
硅羟基和氯硅烷反应,生成Si.O.Si.非极性部分,可以将各种烷基链引入硅胶整体
有机的硅烷化中,影响反应程度的因素比较多,特别是空间位阻作用,使得剩余的
硅羟基反应程度不完全,导致暴露在外,这就有必要进行封尾。同时,烷基化修饰最大的
缺点在于有些流动相会使固定相发生水解,缩小保留时间,且会使羟基。降低固定
相的常规使用的寿命,甚至有可能造成柱体塌陷。为客服以上问题,可通过金属有机化合物格
氏试剂(C6H5一MgBr)或烷基锂与其反应,生成Si—C键。而生成具有硅碳键的芳香基或
烷基键合硅胶整体柱。例如可以引入正丁基、正辛基、十八烷基、苯基等[471。
烷氧基硅烷(RO)sSiRI的R~般是CH3或C2H5,Rl可以是不同的基团,如:
≥;.。H+(cm。),s;(c№)3。cm≤&№—◆拳;.¥i.(c№),。cH2≤ m
生成的含有环氧基团的硅氧硅烷能够继续与含有活泼氢的试剂反应,例如烷基醇、
烷基酸以及其他酸和碱H引。这一反应中的试剂还可使用别的类型,如含氨基的烷氧基硅
高文慰501将包覆好的硅胶整体柱在正相色谱的模式下,分离了取代苯,显示出较好
李风新14田将以F127为模板剂制备的硅胶整体柱在正相的模式下,分离了卵磷脂,
Fujimoto[511在十八烷基键合硅胶整体柱上对乙酰苯、己酰苯、羟苯甲酯和羟苯乙酯
进行了分离也获得了满意的结果,然而整体柱柱寿命较短,40次负载柱效便显著降低。
Minakuchif5刁采用溶胶。凝胶技术结合必要的后处理技术合成了不同中孔孔径的硅
胶整体柱,经十八烷基衍生化得到了反相色谱柱,考察了小分子烷基苯、大分子胰岛素
Rassi等【531在硅胶整体柱表面键合十八烷基或十八烷基季胺盐,用于烷基苯酮和苯胺
王利娟掣54】先将硅烷偶联剂丫.(2,3.环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)与十八
酸反应,再键合到硅胶整体柱上,得到酯型十八烷基键合固定相。并对其色谱性能进行
李风新等【55】用硅烷化试剂KH560和十八醇反应,再键合到硅胶整体柱上,制备出
醚型十八烷基键合硅胶整体柱,在甲醇.水的流动相条件下,对其色谱性能进行了考察,
曹冬等【56】通过在肽段的N端引入磺酸基,从而使含组氨酸的肽段与其他肽段在
pH<3.0的条件下产生电荷差异,建立了一种基于强阳离子交换色谱(scx)结合生物质谱
富集鉴定含组氨酸肽段的方法。严丽鹃等【57】制备出末端基团为氨丙基的硅胶整体柱,快
尹俊剔581等将杯八芳烃衍生化后,通过硅烷偶联剂连接到硅胶整体住上制备了化学
键合整体柱,并将其用于二氢吡啶类药物的分离,柱效达到2.2×104理论塔板数/米。
Chen等【59】用KH560作为间隔臂,将脯氨酸键合到硅胶整体柱上,在}.t-HPLC模式下,对
丹磺酰氨基酸和羟酸消旋体进行分离,实验证明,该固定相有高的异构体选择性和分离
Lubda等【60】将手性化合物叔丁基氨基甲酰奎宁键合至UChromolith⑧硅胶整体柱上,对
其色谱性能进行考察,并与同类型的颗粒填充柱作了比较。用制得的手性硅胶整体柱对
手性药物Suprofen.进行分离,在10win内可达到基线分离,大幅度的提升了分离速度。
Lubda等t61】将B.环糊精键合到整体柱上,这说明现有的颗粒填充柱的键合技术可以
应用于整体柱修饰,与填充柱相比,使用了p一环糊精的整体柱分析时间缩短了十倍,柱
效并没有降低。使用涂覆的办法能够得到类似的结果。Massolini等【62】通过固定化青霉素
G转移酶(PGA)到氨基化的整体柱制备了色谱酶反应器,得到的色谱柱用来测定PGA催
化的烷酸甲酯水解对应体选择性。J.Ou等【63】使用印迹衍生化的硅胶整体柱进行对映体拆
介孔材料有较大的比表面积和孔容量,易于调整的纳米孔三维结构,在催化反应中
有着广泛的应用【“,651。在石油工业应用中,分散的介孔分子筛如SBA.15、MCM.41等
催化载体材料应用十分普遍,是催化载体的主要用料,但为得到更好的催化效果,需
要增大颗粒的比表面积,降低粒径,但过小的粒径存在着不容易分离、传质阻力大、容
易被粘稠状反应物覆盖而降低催化活性的缺点,目前众多专家都在努力探索,希望找到
一种既有良好的传质性,又有比较大的比表面积的材料来改善这些缺点。而在汽车尾气
处理,有机废物的降解等工业领域,也需要一种特定形状的,传质性强的多孔介质来作
为催化剂的载体。现在的整体催化载体制备的方法多采用将分子筛固定在堇青石、陶瓷
等材料上制成整体催化剂载体,再催化反应或者负载其他催化剂。但这些工艺均存在工
艺复杂,需要多次负载,步骤繁琐等缺点。因此制备一种整体的催化载体有重要的工业
硅为基质的介孔材料可以由有机硅[64,661如四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷或者无机硅
来制割67】,如气相二氧化硅、沉淀二氧化硅和硅酸钠。或者将聚合物加入到有机硅源中,
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