硅胶整体柱的制备及其色谱性能的研究.pdf

河北大学 博士学位论文 硅胶整体柱的制备及其色谱性能的研究 姓名：高文惠 申请学位级别：博士 专业：分析化学 指导教师：杨更亮 20040601 摘 要 i 论文题目硅胶整体柱的制备及其色谱性能的研究 作者简介高文惠女1963年2月生1998 年毕业于河北大学获分析化学硕士学位 2001 年从师于杨更亮教授攻读分析化学专业博士学位研究方向分离科学 摘 要 硅胶整体柱是一类新型色谱柱 它打破了色谱柱的传统概念有很高的研究开发 与应用价值 常规硅胶整体柱的制备首先要解决制备过程中柱体开裂和变形弯曲等技术 难题本文采用 N,N- 二甲基甲酰胺作为干燥控制剂控制干燥速度消除柱体开裂现 象同时干燥时间大大缩短干燥前对湿柱体采取热处理的方法以增加柱体骨架强 度抑制柱体变形弯曲以不同浓度氨水作制孔剂 制备不同纳米级中孔 针对不同直 径的整体柱床分别探讨高温和低温制备中孔的方法, 对于较粗和较细的柱床宜分别采 用低温和高温制孔法 考察各种制备条件对整体柱的影响 确定适宜的制柱条件结果 表明采用改进的溶胶- 凝胶技术所制备的硅胶整体柱不开裂变形具有通孔和中孔双 孔结构 孔结构均匀 渗透性强机械强度高等特点由此制备的硅胶整体柱床经包覆 后制成硅胶整体柱该柱在正相色谱模式下分离了苯取代化合物效果令人满意 硅胶整体柱床经研磨后 探讨- CD 在其上的键合条件 研究其色谱特性 优化环 氧基硅烷化硅胶的柱外键合条件 为进一步键合不同官能团配基奠定基础 在此基础上 制备- CD 键合硅胶整体柱并评价其色谱性能结果表明- CD 能较好地键合到整 体柱床上而且显示出硅胶整体柱高效快速的分离特点 降低壁效应是制作微型硅胶整体柱的关键问题之一加强对毛细管的预处理 可有效解决这一问题 考察不同的制备条件对微型硅胶整体柱的影响 由此确定合适的 制备条件和制备方法 关键词硅胶整体柱溶胶-凝胶技术色谱性能键合孔结构 研究成果 1. 高文惠杨更亮杨静等. 高等学校化学学报, 2004, 已接受. 2. Wenhui Gao, Gengliang Yang, Jing Yang, et al Turkish Journal of Chemistry, 28, 1(2004) 3. 高文惠杨更亮杨静等. 分析化学, 32(3),295(2004) 4. 高文惠杨静杨更亮等. 化学通报, 67(3),214(2004) 5. 杨更亮高文惠杨静. 色谱, 21(4),332(2003) ii Title of the Dr. degree’s Thesis: Preparation of monolithic silica column and investigation of its chromatographic characteristics Introduction of the Author: Gao Wen-Hui, female, born in February of 1963, began to study under guidance of Professor Yang Geng-Liang since 2001, specializing in analytical chemistry for Dr.’s degree. Abstract Monolithic silica column, a novel type chromatographic column totally different from traditional column in concept, has been got much attention in recent years. But the crack and deformation of column bed during the preparation of monolithic silica column were the serious problem. In order to avoid the problems, N,N-dimethylformamide was used as a drying control agent to control drying rate. With this approach, the drying time was shortened greatly and the deformation was restrained when the wet column bed was pre-heated before drying in order to strengthen the strength of silica skeleton. Different concentration ammonium was used porogen solvent to fabricating the different size mesopore and the fabricating mesopore’s methods at high and low temperature were investigated for the different monolithic column beds in diameter. It was found that the fabricating mesopore method at low and temperature should be used for thick columns (d1cm) and thin columns (d 80%其结构已接近灌流色谱填 料即使在较高流速下使用也不会有太大阻力因此它具有高速低压高效 适于溶剂及流速梯度洗脱等优异特性非常适合于大分子和小分子物质的高效快 速分离[93],[96]对于组合化学筛选和 LC-MS 应用非常有利所以对硅胶整体柱的 研究与应用有着十分重要的意义 硅胶整体柱的制备工艺 国外已有报道[82],[95]但在硅胶整体柱的制备过程中 柱体易发生开裂和变形弯曲使其无法应用于高效液相色谱本文采用改进的溶 胶-凝胶工艺解决了制备过程中柱体易开裂变形弯曲及中孔构建等难题该硅 胶整体柱床经包覆后在正相色谱模式下对苯取代化合物进行了分离分离效果 令人满意 本章主要从硅胶整体柱的形成机理制备条件对整体柱结构的影响制备方 法研究整体柱的色谱分离等几个方面进行讨论 2 . 2 具有双孔结构的硅胶整体柱的形成机理 近几年硅胶整体柱得到了快速发展Takahashi 等[87],[88],[90]报道了具有微米 级多孔形态的凝胶这种凝胶是在有机聚合物存在的情况下在烷氧基硅烷的溶 第 2 章 常规硅胶整体柱的制备及色谱分离 25 胶-凝胶系统中形成的用这种方法可以制备具有大孔和中孔结构的连续棒状多孔 硅胶这种硅胶整体柱的主要特征是孔隙率高通常比传统的 HPLC 色谱柱约高 15%因此柱阻力低可以在高流速下操作或使用长柱 通常如果均匀反应液可以分离成不同的相时由于硅胶低聚物的聚合作用 而使熵减小因而相分离的结果是一相为有机聚合物富集相另一相为硅胶富集 相然而当聚环氧乙烷或聚乙二醇存在的情况下相分离的结果却是一相 为溶剂富集相另一相是聚环氧乙烷或聚乙二醇与硅胶的复合富集相[90] 本文研究以乙酸作催化剂氨水作制孔剂聚乙二醇存在的条件下双孔硅 胶整体柱的形成同时讨论硅胶整体柱的制备机理及聚乙二醇的浓度对整体柱结 构的影响我们进一步发现连续的硅胶多孔网架结构在更低的聚乙二醇浓度范 围内也能形成而且在不同的浓度范围内其相分离机理和实验结果也不相同 2 . 2 . 1 实验部分 2 . 2 . 1 . 1试剂与仪器 四甲氧基硅烷TMOS武汉新材料发展有限公司 C.R.级提纯后使用作为 硅胶原料 聚乙二醇 PEG 分子量 10000 北京化学试剂公司 日本进口分装 A.R. 级作为一种聚合物成分乙酸0.01mol/L氨水和 N,N-二甲基甲酰胺分别作 为水解催化剂中孔制孔剂和干燥控制剂 硅胶连续棒的结构形态用扫描电子显微镜SEMKYKY-1000 中国科学院仪 器研究中心观测 2 . 2 . 1 . 2制备过程 将 TMOSPEG 和 0.01mol/L 乙酸52mL混合在 0下搅拌 30min再将 混合物倾入聚四氟乙烯直管中在 40下保持 24h在此过程中发生溶胶-凝胶过 渡然后整体硅胶棒用二次水冲洗在 120下用氨水0.01-2.0mol/L处理 9h 以制备合适的纳米级中孔在分别用 0.1mol/L 硝酸溶液水和 N,N-二甲基甲酰胺 溶液处理之后这种湿凝胶样品在 60恒温箱中干燥 10h最终在 700下焙烧 2h 河北大学理学博士学位论文 26 2 . 2 . 2 结果与讨论 2 . 2 . 2 . 1 诱导不稳分相的相分离 在溶胶-凝胶技术中最重要的物理化学过程是水解和缩聚反应TMOS 的主 要水解和缩聚反应如下 水解 (1) 3 CH OH 4 SiOH OH HO OH 2 H O4COH3 OCH3 3 OCH 3 OCH Si 缩合 (2) O 2 H O OH OH OH OH HO OH Si OH HO OH Si Si OH HO OH Si OH OH 聚合 SiOH6 (OH)4 OH O OH OH HO Si OH Si H2O6 Si(OH)3 SiO(OH)3 3 (OH)OSi O OH OSi SiO (OH)3 3 (OH) O SiO SiOH HOSi (3) 当溶胶转变成凝胶时发生混浊混浊的出现意味着系统经历了相分离在酸 作催化剂和 PEG 存在的情况下 通过不稳分相的相分离 系统完成溶胶-凝胶过渡 并且形成微米级内孔的凝胶 可以通过两种途径诱导不稳分相的分离和固定内孔形态[87] 1 通过溶液萃取增加聚合物间的不相溶性限制聚合物的移动 2 通过温度跳跃的方法诱导相分离其结构依赖于化学交联反应 第一种途径可视为物理过程因为在该过程中既无化学键的形成也无 化学键的断裂第二种途径属于化学过程这种诱导相分离的方法也称作化 学冷却或化学猝灭它是通过促进化学反应来诱导相分离这样可快 速改变组分间的相互作用在本文所研究的系统包含硅胶有机聚合物 PEG 和 溶剂中显然其相分离行为属于化学猝灭 第 2 章 常规硅胶整体柱的制备及色谱分离 27 激发相分离的化学猝灭能将单相混合物快速置于相图的双相区域以防止成 核生长NG的发生[88],[89]但在不稳相区成核生长过程易于进行而在聚合过程 中初始组成和温度不得不通过不稳相区由于随着第二相组分的扩散成核生 长是相对较慢的过程且聚合化使溶液粘度增加这些都将导致成核生长受到抑 制 在本系统中PEG 是诱导相分离的添加剂且影响相分离的动力学行为PEG 与硅羟基形成较强的氢键作用这种相互作用使溶剂与吸附于 Si-OH 的 PEG 之间 的界面变得不稳定从而导致相分离的发生 2 . 2 . 2 . 2 具有微米级硅胶骨架和通孔的整体凝胶的形成 本系统中在凝胶形成过程中溶液经历了相分离由于粘度增加较费时的 成核生长受到抑制且不稳分相的相分离占主导地位粗化程度决定了凝胶的相 区尺寸通孔与骨架的结合尺寸通过凝胶的形成由不稳分相的相分离而发 展起来的暂时结构被固定下来作为凝胶的结构这样最初的液体反应系统变成了 连续的固态凝胶相和充满液体的孔结构当液体去除之后便呈现出开放的孔 在溶胶-凝胶过程中 PEG 起着很重要作用 它控制凝胶中大孔的尺寸和体积 相区尺寸随 PEG 用量的增加而增大 表 2-2-1 不同的 TMOS/PEG 比例对硅胶整体柱的影响 Table 2-2-1 The effect of the different TMOS/PEG ratio on the monolithic silica samples TMOS/PEG ratio 7.1 7.4 7.8 8.2 8.4 8.7 Skeleton size ( m) 2.0 1.2 0.。