氯丙基雜化毛細管氣相色譜整體柱的制備及其分離機理研究

閆曉清，施介華,2（.浙江工業大學藥學院，浙江　杭州3004；2.浙江工業大學綠色化學合成技術國家重點實驗室培育基地，浙江　杭州3004）

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氯丙基雜化毛細管氣相色譜整體柱的制備及其分離機理研究

閆曉清1，施介華1,2
（1.浙江工業大學藥學院，浙江杭州310014；2.浙江工業大學綠色化學合成技術國家重點實驗室培育基地，浙江杭州310014）

摘要：采用溶膠-凝膠法制備了3-氯丙基三甲氧基硅烷與正硅酸乙酯雜化的毛細管氣相色譜整體柱，通過熱力學參數和線性溶劑化能相關性模型探討了固定相的分離機理。結果表明：在色譜過程中溶質分子與固定相之間的相互作用力是恒定的，此整體柱固定相的作用力特征為色散作用>氫鍵酸性>偶極性/極化性。同時，發現該柱對一些極性和非極性物質的分離有良好的分離選擇性。

關鍵詞：雜化整體柱；氣相色譜；熱力學參數；線性溶劑化能

整體柱在氣相色譜中的應用最早出現在二十世紀七十年代初[1-2]，以聚氨酯類整體材料為主。但是初期的聚氨酯整體柱的柱效較低，且聚氨酯材料與玻璃毛細管柱壁間單純的吸附作用可能使柱體和管壁間存在縫隙。之后發展出了聚二乙烯苯類氣相色譜整體柱，在制備過程中先用3-（三甲氧基硅基）丙基甲基丙烯酸酯預處理硅膠毛細管[3]，解決了有機聚合物整體柱與毛細管管壁的結合問題。Tanaka研究組首次將硅膠整體柱引入氣相色譜體系中[4-5]，與有機聚合物整體柱相比制備周期較長且結構改性困難。一步法制備雜化整體柱則可以兼具有機官能團的多選擇性和硅膠基質的良好機械性能，同時制備簡單、周期短。然而，目前據我們的文獻調研發現，雜化整體柱的概念在毛細管氣相色譜中罕見報道。

本文通過溶膠-凝膠法制備了雜化毛細管氣相色譜整體柱。選用多種探針分子測定其保留過程的熱力學參數，進行線性溶劑化能相關性模型分析，探討固定相的作用力特征和分離機理。并用于一些極性和非極性物質的分離。

1　實驗部分

1.1儀器和試劑

Agilent 6820氣相色譜儀（FID檢測器）及Agilent Cerity QA-QC色譜工作站購自美國安捷倫科技有限公司；彈性石英毛細管柱（內徑0.25 mm）購自永年縣銳灃色譜器件有限公司；正硅酸乙酯（TEOS，CR）購自上?；瘜W試劑采購供應五聯化工廠；3-氯丙基三甲氧基硅烷（CPTMS，99%）購自安耐吉化學；聚乙二醇（PEG，Mr:10000，GR），尿素（CR）購自國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇（CR）購自杭州龍山精細化工有限公司；乙酸（CR）購自杭州化學試劑有限公司；其他有機試劑均為分析純。所用水均為雙蒸水。

1.2色譜柱的制備

1.2.1毛細管預處理

以1 mol/L的NaOH水溶液沖洗毛細管柱0.5 h，兩端密封，于70℃下熱處理2 h；然后，雙蒸水沖洗至中性。再以1 mol/L的HCl水溶液沖洗0.5 h，兩端密封后于70℃下熱處理2 h；隨后，雙蒸水沖洗至中性，以甲醇沖洗0.5 h，100℃下氮氣吹掃至柱管干燥。

1.2.2氯丙基雜化毛細管整體柱的制備

稱取0.25 g PEG于圓底燒瓶中，加入1 mL 1 mol/L的乙酸水溶液，攪拌至PEG完全溶解，依次加入1.5 mL無水乙醇，2.0 mL TEOS，0.5 mL CPTMS，室溫下攪拌30 min；加入0.25 g尿素，室溫下繼續攪拌2 h；得到的均勻溶膠液充入預處理過的1 m毛細管中，將毛細管兩端封口，置于恒溫箱內70℃下加熱24 h，使溶膠液膠凝并陳化制得整體柱。相繼以甲醇和雙蒸水分別沖洗柱體去除未反應單體、制孔劑、溶劑等。

對沖洗干凈的雜化柱進行老化，具體操作為：以小流量N2（約0.02 MPa）保護，起始溫度為70℃，以0.5℃/min的速率程序升溫至180℃，然后在180℃下老化10 h。

該色譜柱以乙苯為標準物質在85℃下測得柱效為357 N/m。

1.3色譜條件

載氣：N2；流速：0.5 mL/min；分流比：100:1；汽化室溫度：250℃；檢測器溫度：250℃；進樣量：0.5 μL。

2　結果與討論

2.1氯丙基雜化毛細管整體柱的分離選擇性考察

本文通過分離一些極性和非極性的物質對來考察所制備的氯丙基雜化毛細管整體柱的分離選擇性，結果如圖1所示。

圖1　物質對的分離色譜圖

從圖1可以看出，本文制備的氯丙基雜化毛細管整體柱在物質的分離中表現出峰型寬、相鄰峰重疊及分析時間長的特征。對環己烷/苯、相鄰正構烷烴和苯的同系物的分析中，分離因子均> 2.4，甲醇/乙醇的分離因子也達1.95，說明該柱對不同物質的保留存在明顯差異，即具有較好的分離選擇性。但是因為柱效較低，相鄰峰之間存在重疊。對苯的同系物的分離接近基線分離，說明該柱更適用于對苯類非極性物質的分離分析。

2.2分離機理研究

本文通過對所制備的氯丙基雜化毛細管氣相色譜整體柱的熱力學參數和線性溶劑化能的分析來研究其分離機理。

2.2.1熱力學參數研究

色譜保留過程中的熱力學參數可以通過Vanˊt Hoff方程計算[6]：

式中，ΔGo為吉布斯自由能；R表示氣體常數；T表示溫度；K表示分配系數；k表示容量因子；準表示色譜過程中柱內流動相體積與固定相體積之比，所研究的色譜柱準約為0.48。

本文選用12種溶劑作為探針分子，并根據以上方程對其色譜保留行為進行了計算，熱力學參數如表1所示。實驗結果表明：在110℃～150℃范圍內12種探針分子的容量因子的自然對數lnk與相應的溫度的倒數1/T存在良好的線性相關性（R2> 0.99），表明探針分子在色譜保留過程中的葒Ho和葒So是恒定不變的，即這些探針分子與固定相間的相互作用力在實驗溫度范圍內是恒定不變的，證明本文中制備的整體柱固定相具有良好的穩定性。

表1　探針分子的吸附熱測定結果

對探針分子的ΔHo與ΔSo的相關性的分析結果表明：脂肪醇類溶劑的焓變與熵變之間的相關系數達到0.9971（式4），線性相關性顯著，且統計補償溫度（Tβ=663.6 K）和調和平均溫度（Tbm= 403.2 K）存在著顯著的差異。這意味著脂肪醇類溶劑在此固定相上的保留過程中存在著焓熵補償行為，且保留機理基本一致。同時，對不同類別的探針分子的ΔHo和ΔSo相關分析，發現它們的ΔHo和ΔSo沒有顯著的線性相關性，呈離散狀態（圖2）。這表明溶質分子的類型不同，則在色譜過程中與固定相相互作用的方式和保留機理不同。

圖2　不同探針分子的ΔHo和ΔSo關系圖

2.2.2線性溶劑化能相關性分析

Abraham假設溶質分子從氣相轉移至固定相的總自由能變化來自于各種自由能變化的線性加和，建立了一種LSER模型來評價溶質與固定相之間的相互作用，描述如下[7-8]：

式中，k是溶質分子的容量因子；E，S，A，B，L是溶質描述符，分別表示溶質的孤對電子能力、偶極能力、氫鍵酸性能力、氫鍵堿性能力以及色散能力，描述的是溶質即探針分子的性質；e，s，a，b，l作為相互作用系數，體現的是探針分子的上述五種性質分別對這個作用結果的貢獻程度，可以用來衡量相應作用力的貢獻大小。c是系統常數。

本文選用23種溶質作為探針分子，相應的溶劑化溶質描述符列于表2。為了評價探針分子各參數的適用性，對五個溶質分子描述符進行了Pearson相關分析，結果見表3。從表3中可以發現，在置信度為0.01的水平上，E與A、B、L的相關系數分別為-0.670、-0.573、0.829，表明了E與A、B、L間存在顯著相關性；A與S、L的相關系數分別為-0.558、-0.708，表明A與S、L間也存在顯著相關性。因此，出于參數的適用性和模型的簡約性，將溶劑化參數模型中的eE和aA這兩項移除，從而簡化如下：

表2　探針分子的溶劑化溶質描述符及其保留數值

表3　溶質描述符的相關系數矩陣

表4　固定相溶劑化參數多元線性回歸分析結果

利用統計分析軟件SPSS對logk（表2）和式（6）中的溶質描述符S，B，L進行逐步多元線性回歸分析，結果如表4所示，s，b，l三個系數的sig.值均為0.000，且相關系數R > 0.99，表明因子S，B 和L與logk之間存在顯著線性相關性。這意味著溶質分子與固定相間主要相互作用力是偶極-偶極作用、氫鍵作用和色散力。同時，從標準系數β項可知，在此整體柱上各種相互作用力貢獻大小次序為：L>B>S，即色散力>氫鍵堿性作用>偶極-偶極作用。這與柱結構的特征有關，正硅酸乙酯和氯丙基三硅氧烷完全聚合后，延伸在骨架外的主要是氯丙基，氯丙基與極性、非極性探針分子間均可以形成色散力，所以此固定相對外表現的主要是色散力，作用強度與探針分子的變形性相關。弱氫鍵酸性和偶極-偶極作用的存在可能是因為有未完全聚合的硅羥基存在。

2.3模擬樣品的分離

為了進一步考察本文制備的氯丙基雜化毛細管氣相色譜整體柱的分離選擇性及實際應用可行性，對脂肪醇和苯的衍生物兩組混合物進行了分離分析。結果如圖4和圖5所示，兩組混合物在此柱上均得到較好的分離。但是分析時間較長，不利于實際分析中的快速分離。

圖4　正構脂肪醇混合物的分離譜圖

圖5　苯及其衍生物的分離譜圖

3　結論

本文制備的氯丙基雜化毛細管氣相色譜整體柱在氣相色譜分離分析過程中表現出了獨特的性質，如穩定性好、柱效低、對極性和非極性化合物均有一定的分離選擇性。雖然較寬的峰型和明顯的拖尾降低了分離度，但是對不同物質保留差異顯著，且在較低的柱效下表現出的明顯的分離趨勢，說明本文制備的整體柱具有很好的潛力，有待進一步加強對提高柱效和實現快速分離方面的改良研究。隨著對雜化整體柱制備技術的不斷深入研究，一定會打開更廣更優的思路制備出性能更加優良的毛細管氣相色譜整體柱。

參考文獻：

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A Study on the Preparation and Separation Mechanism of a Chloropropyl-functionalized Monolithic Capillary Column in GC

YAN Xiao-qing1，SHI Jie-hua1，2
（1. College of Pharmaceutical Sciences，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China; 2. State Key Laboratory Breeding Base of Green Chemistry Synthesis Technology, Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014, China）

Abstract:A（3-chloropropyl）-trimethoxysilane/tetraethoxysilane hybrid monolithic capillary column for gas chromatography was prepared by sol-gel technology and characterized by thermodynamic parameters and linear solvation energy relationship methodology. The results indicated that the interaction model of each probe molecule on the monolithic column was constant within the temperature studied and the characteristic forces were dispersion > hydrogen-bond acidity > dipolarity/polarizability. In addition, the separation results of some polar and non-polar compounds showed a good separation selectivity of this hybrid monolithic capillary column.

Keywords:hybrid monolithic column; gas chromatography; thermodynamic parameter; linear solvation energy relationship

作者簡介：閆曉清（1987-），女，碩士，主要從事色譜學研究。E-mail: xiaoqing.363@163.com。

收稿日期：2015-05-05

文章編號：1006-4184（2016）1-0012-06