大内径C18杂化柱的制备及固相萃取性能的评价

李金祥， 王 贺， 邹温然

(辽宁师范大学，辽宁 大连 116000)

引 言

固相萃取技术是一种快速发展的样品分离技术，它具有成本低、富集倍率高、有机溶剂消耗少等优点。目前，以ODS为固定相填料，内径为500 μm的传统固相萃取小柱(以下简称萃取小柱)在固相萃取中应用最为广泛。然而，制备萃取小柱的过程中需要烧制堵住色谱填料的柱塞是其最大缺点[1-3]。大内径C18有机无机杂化整体柱(以下简称杂化柱)是以无机硅胶颗粒为载体，将有机功能单体包覆于载体之上，得到连续的床层。它具有制备简单、机械稳定性高、渗透性好等优点。本文以SMA为功能单体，EDMA为交联剂，偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，甲醇和环己醇为二元致孔剂，在内径为530 μm预先填充了ODS硅胶颗粒的石英毛细管中通过原位聚合法制备了一种杂化柱，并就其固相萃取性能与萃取小柱进行对比。实验结果显示，该柱交换容量大，富集倍率高，在固相萃取中可以代替萃取小柱使用。

1 大内径C18杂化柱的制备及固相萃取实验

1.1 实验仪器

Lab Alliance 液相色谱泵，美国；Lab Alliance Model 500 紫外-可见光检测器，美国，配自制检测池；SU8010 型扫描电子显微镜，SEM，日本日立公司；[1]N-2000 双通道色谱工作站，浙江大学；SK2200H 超声波清洗仪，上海科导；SHBⅢ 循环水式多用真空泵，郑州；PTFE管，250 μm i.d.，1/16 inch i.d.，大连依利特；砂纸，湖北宝塔；针灸针，大连圣道。

1.2 大内径C18杂化柱的制备

截取10 cm内径为530 μm的石英毛细管，用1.0 mol/L的NaOH溶液、超纯水和1.0 mol/L HCl溶液依次分别冲洗1 h、0.5 h和1 h，然后用超纯水冲洗至中性，接着用甲醇冲洗0.5 h，并用氮气吹干；将预烯基化试剂γ-MAPS的甲醇溶液(1∶1，V/V)注入石英毛细管中，密封，置于45 ℃水浴中反应12 h，最后，用甲醇冲洗2 h，用氮气吹干，两端密封，放入冰箱中保存备用。截取2.5 cm内径为530 μm的石英毛细管，通过真空吸入法装填5 μm ODS硅胶颗粒。准确称取50 mg AIBN 溶于2 mL甲醇和环己醇(6∶4，V/V)组成的混合溶液中，超声振荡5 min制成混合溶液1。称取一定量的SMA单体、20 μL EDMA交联剂和32 μL上述混合溶液1，溶于243.5 μL二元致孔剂中，通入氮气除氧的同时超声振荡5 min后制得混合溶液2。将混合溶液2注入装有硅胶颗粒并经预烯基化处理过的毛细管中，然后将毛细管的两端密封后放入60 ℃的恒温水浴锅中反应5 h，最后，用甲醇冲洗，氮气吹干，制得杂化柱。

1.3 萃取小柱的制备

截取2.5 cm内径为530 μm的石英毛细管，按照文献所述的方法，向其中填入ODS填料，制得内径为530 μm的萃取小柱。

2 结果与讨论

2.1 制备条件的优化

为了制备抗压性和渗透性好、内部结构均匀、柱容量高的杂化柱，本文探究了单体总浓度和致孔剂比例对聚合反应的影响，如表1所示。

表1 杂化柱制备条件的选择

2.1.1 单体总浓度的选择

不同单体总浓度下杂化柱的压力-流速关系曲线如图1所示，单体总浓度从20.5%逐渐增加到27.5%的过程中，杂化柱的渗透性逐渐降低，说明杂化柱整体固定相的孔隙随着单体总浓度的增大逐渐变小；当单体总浓度为25%时，杂化柱的渗透性已不适合应用于分析研究中；单体总浓度为20%时，虽然渗透性最好，但是载体表面形成的有机聚合物偏少易导致整体固定相与毛细管壁之间键合不紧密。因而，最佳的单体总浓度为22.5%。

图1 单体总浓度不同的条件下杂化柱的压力对流速曲线

2.1.2 致孔剂比例的选择

二元致孔剂较单一致孔剂可以更好地控制溶剂的极性，因此本实验选择甲醇和环己醇作为二元致孔剂，通过调节二者的比例控制致孔剂的极性，保证聚合反应过程中有机聚合物包覆于载体表面而避免在载体间的空隙聚合。不同比例下杂化柱的压力对流速关系曲线如图2所示，甲醇和环己醇的比例从5∶5增至8∶2时，压力对流速关系曲线几乎重合，即，溶剂极性的变化对渗透性的影响不大。综上所述，最终选择渗透性略高的致孔剂比例为6∶4作为杂化柱的制备条件。

图2 致孔剂组成比例不同的条件下杂化柱的压力对流速曲线

2.2 杂化柱的微观结构

对于大内径毛细管而言，其内壁比表面积较大，整体固定相与管壁的键合相比于小内径毛细管更为困难。若整体固定相与毛细管壁键合得不够紧密，则毛细管壁与整体固定相之间会存在较大空隙，即产生脱壁现象。通过扫描电镜(SEM)对制得的杂化柱的内部结构进行观察，如图3所示。从图3可以观察到，杂化柱的整体固定相紧密地键合于毛细管壁上，不存在脱壁现象。结果表明，该杂化柱具有较强的机械稳定性。

图3 杂化柱的扫描电镜图(放大倍数：150倍)

2.3 柱容量

从第28页图4曲线上可以看出，相同流速下，萃取小柱和杂化柱分别在12 min和35 min时对样品的吸附达到饱和。据此计算，两柱对该样品的最大交换容量分别为3 μg和8.75 μg。与萃取小柱相比，杂化柱将有机功能单体包覆于载体表面，增加了样品和整体固定相的接触面积，更多的样品被吸附到整体固定相表面，因此样品达到最大吸附量时对应的时间延长，柱容量增大。

2.4 富集倍率

首先，将一系列质量浓度为1 mg/L～10 mg/L的褪黑素标准溶液直接进样到检测器，获得了浓度与信号强度的关系，如第28页图5a)所示，所得线性方程为：y=0.000 6x+0.015 2(R2=0.991 5)。再配制一系列质量浓度为0.01 mg/L～0.1 mg/L的褪黑素标准溶液，每次进样体积为100 μL，以1.0 μL/min的流速分别通入萃取小柱和杂化柱富集，再用流动相洗脱，得到两柱富集后的浓度与信号强度之间的关系，如图5b)、c)所示，得到的线性方程为：萃取小柱：y=0.052 7x+0.016 5(R2=0.988 9)；杂化柱：y=0.172 0x+0.015 8(R2=0.987 5)。由此计算出萃取小柱对褪黑素的富集倍率为88，杂化柱对褪黑素的富集倍率为287。

图4 萃取小柱与杂化柱的突破曲线对比

图5 萃取小柱和杂化柱对标准溶液的富集情况

3 实验结论

本文制备了一种杂化柱，优化了制备条件，通过对不同条件下制得的杂化柱测定压力-流速曲线，确定制备杂化柱的最佳单体总浓度为22.5%，致孔剂比例为V(甲醇)∶V(环己醇)=6∶4。就其固相萃取性能与萃取小柱进行对比。以质量浓度为250 mg/L的褪黑素标准溶液为标准液，测得萃取小柱和杂化柱的交换容量分别为3 μg和8.75 μg，相比于萃取小柱，杂化柱的柱容量提高了2.92倍；将一系列浓度为0.01 mg/L～0.1 mg/L褪黑素标准溶液分别通入两柱中，测得两柱的富集倍率分别为88和287，杂化柱对褪黑素的富集倍率是萃取小柱的3.26倍，在固相萃取性能方面杂化柱均优于萃取小柱。此外，与萃取小柱相比，杂化柱还具有制备简单、不需要烧制塞子等优点，因此，杂化柱在固相萃取中具有较好的应用前景。