聚合物整体柱的制备方法及其研究进展

赵丽华，施介华

（浙江工业大学药学院，浙江杭州 310012）

聚合物整体柱的制备方法及其研究进展

赵丽华，施介华

（浙江工业大学药学院，浙江杭州 310012）

整体柱作为第4代色谱填料，已广泛应用于生命科学、环境科学、医药卫生和化学化工等学科领域，具有一定的应用价值和发展前景。该文对聚合物整体柱的制备方法及其研究进展进行了综述，主要介绍了有机聚合物整体柱、无机硅胶整体柱、有机-无机杂化整体柱，并对有机聚合物整体柱进行了详细分类。

整体柱；有机聚合物；无机硅胶；有机-无机杂化

色谱（chromatography）这一概念，由 Tswett于1906年提出，经过一个多世纪的发展，已成长为一门相当成熟的学科——色谱学。随着化学、医学、生命科学以及环境科学等学科领域的迅猛发展，色谱学同时面临着新的机遇和严峻的挑战，如何提供一种高效、快速、灵敏、高通量的分离分析方法是科研工作者正迫切解决的问题，整体柱技术便在这一时代和技术背景下应运而生且迅猛发展起来的。整体柱（monolithic column），同时又称无柱塞柱、连续床层、棒状柱等，主要由功能单体、致孔剂、交联剂和引发剂等混合物通过原位聚合的方法制备而成。

目前，整体材料在毛细管电色谱（CEC）中的应用最为普遍，在微流控芯片技术、微液相色谱和气相色谱中也有所涉及。在常规高效液相色谱中，整体材料的应用虽也取得了不错的进展，但是距离技术完善还相差甚远。本文主要对聚合物整体柱的制备方法及其研究进展进行综述，阐明了整体柱潜在的应用价值，为拓展整体柱的应用范围提供了广泛的前景。

1 整体柱

整体柱，主要通过有机或无机聚合的方法在色谱柱内部原位聚合而成，是一种新型的色谱分离固定相[1]。此类色谱柱制备方法简单，可以针对不同的样品引入不同功能基团，保留性质灵活多变[2]。此外，在制备过程和色谱柱的重现性方面，细内径的整体柱均优于相同尺寸的填充柱[3]；在高效液相色谱柱应用方面，整体柱理论塔板高度随流速增长的速率要远低于填充柱[4]；在复杂样品的分析方面，整体柱的抗污染能力要明显强于填充柱，且整体柱具有制备成本低、分辨率高、使用寿命长、稳定性好、传质性能好等特点，适用于色谱领域的快速分离分析，故被誉为继多聚糖、交联与涂渍、单分散之后的第4代色谱填料。目前使用的整体柱有：有机聚合物整体柱、无机硅胶整体柱、有机-无机杂化整体柱3类。

1.1 有机聚合物整体柱

有机聚合物整体柱，主要通过热引发、紫外光引发或自由基引发等方法，将空管柱内的单体混合物聚合，经过一段时间反应之后，选取合适的溶剂将整体柱体内残留的单体和致孔剂去除制备而成[5]10[6]。此类整体柱具有选材广、柱效高、易制备、易改性、重复性好等优点。但也存在着固有的缺点，如：机械强度相对较低；在有机溶剂作用下，固定相发生溶胀或收缩，从而导致柱体和柱性能发生变化，柱寿命缩短；另外，柱容量也较低[7-8]。根据整体柱材料，有机聚合物整体柱可分为聚甲基丙烯酸酯类整体柱、聚甲基丙烯酰胺类整体柱、聚苯乙烯类整体柱和分子印迹整体柱。

1.1.1 聚甲基丙烯酸酯类整体柱

该类整体柱主要以甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）等为功能单体，亚甲基双甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EDMA）等为交联剂，甲醇、1-丙醇、1，4-丁二醇、环乙醇、十二醇等为致孔剂，同时加入一定量的引发剂混合制备而成[5]10。

谭莹采用甲基丙烯酸缩水甘油酯为功能单体，乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂原位聚合了GMA-EDMA有机聚合物整体柱，通过吸附的方法固载牛血清白蛋白，制备得到牛血清白蛋白生物大分子亲和整体柱，并考察流动相组成、缓冲溶液浓度、pH、流速等因素对当归在亲和整体柱上分离的影响，成功将当归中的2种组分分离[9]。Lin等人通过孔径结构、渗透性、柱效能等参数，考察了一系列以烷基-甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸为二元功能单体的有机聚合物整体柱柱效能，最终制备得到以甲基丙烯酸月桂酯-甲基丙烯酸为单体的具有优良传质性能的整体柱。该整体柱可在5 min内采用梯度洗脱的方式将6种苯酚衍生物成功分离，同时，还分离了5种黄曲霉素和3种利固醇抗生素，在食品安全检测中具有潜在的应用价值[10]。

1.1.2 聚甲基丙烯酰胺类整体柱

聚甲基丙烯酰胺类整体柱主要采用丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸丁酯（BMA）、N-异丙烯酰胺等为功能单体，采用乙二醇二甲基丙烯酸酯、哌嗪双丙烯酰胺等为交联剂制备而成[11-13]。此类整体柱被应用于多种色谱分离模式，如亲水、疏水、离子交换色谱等[14]，具有较好的生物兼容性，适用于分离生物大分子。

Xu等人在自制的微流体芯片上采用紫外照射法原位聚合了BMA-EDMA整体柱，该整体柱具有较大的比表面积，并成功在人造血浆中富集了异丙嗪，对于生物样品在整体柱上的应用及发展有一定的参考价值[15]。Liu等人制备了新型的固相萃取吸附剂poly（BMA-co-EDMA），可简便、快速地从红辣椒中检测苏丹红，且该整体柱线性范围较宽，灵敏度高，检测限低[16]。 一种将2-甲基咪唑锌盐（ZIF-8）与poly（BMA-co-EDMA）相结合的 ZIF-8-poly（BMA-co-EDMA）毛细管整体柱由Yusuf K等人制备而得。该整体柱与poly（BMA-co-EDMA）相比，表面积大了3.4倍，且柱效高，采用程序升温可在36 s内将5种烷烃混合物分离，同时还可分离辛烷与异丁烷异构体及一些气体混合物，在气相色谱中具有广泛的应用范围[17]。

1.1.3 聚苯乙烯类整体柱

制备聚苯乙烯类整体柱常用的单体有苯乙烯、对氯甲基苯乙烯等，交联剂以二乙烯苯基为主，致孔剂有甲苯、甲醇、乙醇、丙醇等[5]11[18-19]。该类整体柱因具有较强的疏水性，适用于反相色谱体系中生物大分子及小分子肽的分离分析。同时，也可通过引入特定的官能团对整体柱进行改性，拓宽聚苯乙烯整体柱的应用范围。

Chuang等人通过硅烷化、功能化、聚合、水解、金属络合等步骤合成了一种新型聚苯乙烯毛细管整体柱，在电色谱模式下考察了流动相组成、pH、浓度、有机改性剂等对氨基酸和寡肽混合物分离的影响，成功将二者混合物分离。同时通过分析得知，配位体交换、电泳迁移率、疏水作用和氢键作用等主要影响氨基酸和寡肽在整体柱上的保留[20]。Huang等人制备了以苯乙烯、二乙烯基苯、乙烯基苯磺酸为三元单体的毛细管整体柱，通过实验证明反应时间和流动相中乙腈的含量是影响柱性能的重要因素，增加反应时间或减少乙腈含量可以增强酸性化合物在整体柱上的保留。最终在2.2 min内成功将6种化合物（山梨酸、对羟基苯磺酸甲酯、羟苯乙酯、无水乙酸、对羟基苯甲酸丙酯、对羟基苯甲酸丁酯）分离，分离度均大于1.5[21]。

1.1.4 分子印迹整体柱

分子印迹整体柱，是自1993年Marusi首次通过原位聚合的方法制得，并证明其对手性化合物具有拆分能力后迅猛发展而来[22]。该类整体柱模拟自然界存在的抗体与抗原、酶与底物等，采用目标分子作为模板合成聚合物实现分子识别作用。分子印迹整体柱对模板分子具有生物实体的专一识别性，且柱体稳定性好、使用寿命长，已广泛应用于固相萃取[23-24]、手性拆分[25-27]、抗体模拟[28-29]等领域。制备分子印迹整体柱常用的功能单体有甲基丙烯酸（MAA）、丙烯酰胺（AM）和三氟甲基丙烯酸（TFMAA）等。

Wu等人结合电渗泵制备了4-乙烯吡啶分子印迹毛细管整体柱，这一技术体现了电渗泵与毛细管电色谱具有很好的兼容性，解决了毛细管电色谱弱电渗流的问题，并成功分离2-硝基酚、3-硝基酚和4-硝基酚同分异构体[30]。Shao等人以橙皮素为模板分子，丙烯酰胺为功能单体，制备了具有较强吸附性能和选择性的分子印迹整体柱，采用固相萃取技术从柑橘中提取出传统的中药成分橙皮素。结果表明，将分子印迹整体柱和分子印迹固相萃取技术相结合可成功应用于传统中药的纯化[31]。

1.2 无机硅胶整体柱

无机硅胶整体柱是一种以硅胶为基质，采用溶胶-凝胶法在空管柱内进行原位聚合的连续床固定相。一般情况下，烷氧基硅烷（四甲氧基或四乙氧基硅烷）在酸催化下发生水解、缩聚，形成相互交联的网状结构。无机硅胶整体柱具有制备简单、机械强度好、孔结构丰富、重现性好等优点，可实现小分子等混合物的高效、快速分离；但又有抗溶剂性能差，适用pH范围较小等缺点。目前，无机硅胶整体柱已广泛应用于药学、生命科学、环境科学等领域[32-34]。

谢传辉制备了毛细管硅胶整体柱，对中孔构建过程进行了条件优化，使得孔结构更加均匀。采用未修饰的硅胶整体柱基质，实现了碱性化合物和中药生物碱的分离分析。同时，又制备了十八烷基改性的反相硅胶整体柱和强阳离子交换硅胶整体柱，在电色谱模式下成功将苯的同系物、苯的衍生物、卤代苯混合物、-阻滞剂混合物和黄连生物碱提取物等分离[35]。任呼博采用改进的溶胶-凝胶技术，制备了以四甲氧基硅烷和聚乙二醇为原料的硅胶整体柱，在此基础上，加入一定量的多壁碳纳米管，得到具有更高渗透比和更大比表面积的多壁碳纳米管硅胶整体柱，在正相色谱条件下分离了苯及其衍生物[36]。

刘婵将3-巯基丙基三甲氧基硅烷修饰在硅胶整体柱表面上，制备了一种新型的表面增强拉曼光谱（SERS）基底，通过Au-S键和Ag-S键将纳米粒子键合在硅胶表面上，采用对硝基苯胺为探针分子进行SERS研究。结果表明，新型SERS基底的对硝基苯胺拉曼信号要比金、银溶胶基底上的强，为实际生活中微量物质在拉曼光谱中检测奠定了一定的技术基础[37]。

龚彩荣等人公开了一种新型液相色谱硅胶整体柱的制备方法，采用乳液聚合法制备聚苯乙烯模板，再将模板溶于线性含氢聚硅氧烷和环状四乙烯基四甲基环四硅氧烷中，经高温焚烧，预处理后得到具有通孔的硅胶整体柱。该整体柱具有优异的分离性能，且解决了常规液相色谱柱填充的问题[38]。

1.3 有机-无机杂化整体柱

有机-无机杂化整体柱，主要通过硅烷化试剂将有机功能单体引入到硅胶基质中制备而得。在此类整体柱中，无机材料提供机械强度稳定的聚合骨架，结合在无机相上且均匀分布的有机基团则可以改善材料的性能[39]。有机-无机杂化整体柱寿命长，机械性能高，且具有良好的兼容性，与传统的无机硅胶整体柱相比，避免了化学改性，同时也提高了整体柱的重现性[40-41]。

Silva等人通过溶胶凝胶法，分别采用不同的前驱体四乙氧基硅烷、四乙氧基硅烷-甲基三甲氧基硅烷混合物，和不同的催化剂尿素-醋酸混合物、氢氧化铵，制备了2种不同的硅胶纳米杂化整体柱，成功分离了苯的衍生物、除草剂混合物和抗氧化剂混合物，为有机-无机杂化整体柱在环境科学方面的研究提供了参考价值[42]。张少文等人采用溶胶凝胶法，制备了表面含有酰胺基团的琼脂糖键合硅胶杂化整体柱。制得的整体柱骨架结构稳定、机械强度高、通透性好、重现性好，且该方法很好地解决了以琼脂糖凝胶作为载体的免疫亲和柱不易保存、易发生溶胀等缺点，对生物分子的富集具有高选择性和高富集倍数[43]。Zhao等人以金纳米粒子为媒介，通过一步共缩合作用将寡核苷酸适配子固载在有机-无机杂化整体柱表面，制备得到一种新型适配子有机-无机杂化亲和整体柱。该整体柱成功用于富集和追踪检测人血清样品中的凝血酶，具有卓越的特异性和高灵敏性，对于今后将不同类型纳米粒子整体柱应用于分析科学和生命科学领域中提供了可能[44]。

2 展望

综上所述，整体柱作为第4代色谱填料已广泛地应用于生命科学、环境科学、医药卫生和化学化工等学科领域。在制备过程中，通过选取不同的功能单体及材料可制备得到多种不同类别的整体柱，同时，通过进一步的修饰或改性，可应用于多种色谱分离模式，满足了分析领域一直追求的快速高效分离分析。此外，与传统的填充柱分离材料相比，整体柱制备成本低、分辨率高、稳定性好、使用寿命长、种类繁多，在今后的发展中势必有广泛的应用前景。

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2017-04-17