TriSep^TM-2100加压毛细管电色谱仪包括微流控系统、溶剂输送系统、柱上紫外/可见光检测器、高压电源和数据采集,电加热削皮器(美国Unimicro Technologies公司);微量进样器(10 μL,上海佳安分析仪器厂); JD200-3电子天平(郑州南北仪器设备有限公司); XW-800涡旋混合器(上海青浦沪西仪器厂); Eppendorf移液器(200 μL、1 mL,德国TAYASAF公司); Milli-Q超纯水系统(美国Millipore公司);真空干燥器(上海博泰实验设备有限公司);循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司); JEM-2100F场发射透射电子显微镜(TEM,日本电子株式会社)。

乙腈和甲醇(色谱纯)购自美国Tedia公司;三甲基氯硅烷、无水乙醇购自中国医药集团上海化学试剂有限公司;氨水(质量分数25%～28%)、苯(benzene,纯度99.8%)、甲苯(methylbenzene,纯度99.8%),醋酸铵(纯度≥98%)、甲酸(纯度88%)、硫脲(thiourea,纯度≥99%)、萘(naphthaline,纯度≥99.7%)、二苯甲酮(benzophenone,纯度≥99.5%)、联苯(diphenyl,纯度≥99.5%)、磷酸(纯度≥85%)、三乙胺(纯度≥98%)、氢氧化钠(纯度≥96%)、丙酮(纯度≥99%)、咪唑(纯度≥99%)、无水乙醚(纯度≥98%)、浓盐酸(纯度36%~38%)均购自国药集团化学试剂公司;硅酸钠(纯度34%)购自青岛优索化学科技有限公司；乙苯(ethylbenzene,纯度≥98%)、丙苯(propylbenzene,纯度≥98%)和正丁基苯(n-butylbenzene,纯度≥98%)、十八烷基三甲基氯硅烷均购自阿拉丁上海有限公司。熔融石英毛细管(100 μm i.d.)购自河北永年锐沣色谱器件有限公司;1.2 μm放射型核壳型色谱填料由安徽建筑大学材料与化学工程学院瞿其曙教授提供。

称取0.3 g干燥的1.2 μm放射型核壳型硅胶球,放入三口瓶中,加入0.1 g咪唑(作为催化剂)和45 mL无水甲苯后,超声20 min,抽真空至666 Pa,常温搅拌30 min,过程中匀速加入含有1 mL十八烷基三甲基氯硅烷和5 mL无水甲苯的混合溶液,通入氮气至常压,在氮气保护下,加热回流10 h。反应结束后,待冷却至室温,依次用50 mL甲苯、丙酮、水离心洗涤。用去离子水抽滤多次后,用10 mL乙醇抽滤,于60 ℃真空干燥6 h,以备用。

将干燥后的颗粒放入250 mL烧瓶中,加入50 mL无水甲苯,超声20 min后,加入1 mL三甲基氯硅烷,加热回流6 h。反应结束后,待冷却至室温,依次用50 mL甲苯、丙酮、甲醇洗涤过滤,于60 ℃真空干燥6 h,以备用。

截取内径100 μm的熔融石英毛细管,采用高压匀浆法将1.2 μm放射型核壳色谱填料的匀浆液打入毛细管中,填充至总长度350 mm(有效长度70 mm),用水打实后,用电加热削皮器烧结柱塞和窗口,备用。

精确称取8种中性标准品(苯、甲苯、乙苯、丙苯、丁苯、硫脲、联苯、二苯甲酮),用乙腈溶解,配制成浓度分别为15.3 mmol/L苯、7.8 mmol/L甲苯、6.1 mmol/L乙苯、7.7 mmol/L丙苯、10.9 mmol/L丁苯、0.6 mmol/L硫脲、0.3 mmol/L联苯和0.3 mmol/L二苯甲酮的标准溶液。

精确称取10 mg硫脲和萘分别溶解于10 mL乙腈中,配制成质量浓度为1 g/L的样品储备液,根据实验需要用乙腈分别稀释至所需浓度,于4 ℃冰箱储存。

标准溶液和样品储备液使用前均需经0.22 μm孔径的针式滤头过滤,于4 ℃避光保存。

色谱柱:自制C18毛细管填充色谱柱,70 mm(总长350 mm)×100 μm;流动相:含10 mmol/L磷酸的70%(v/v)的乙腈水溶液;施加电压:出口端加-10 kV电压,进口端接地,压力流和电渗流方向保持一致;pCEC系统中分流管规格:50 μm i.d.×2 m；分流比:250∶1;进样量:4 nL;检测波长:254 nm;泵流速:0.14 mL/min。

本研究采用改良的两相溶胶-凝胶法制备了新型核壳色谱填料的核,该无孔二氧化硅核的粒径约1 μm^{[34, 35]},采用了KCC-1^{[13, 14, 15]}制备方法进行壳层的包裹,壳层厚度约100 nm。1.2 μm放射型核壳填料的透射电镜扫描图如图 1所示,该放射型核壳色谱填料,表面壳层包覆及粒径均匀、孔径均一。

图1

Fig. 1

图1 1.2 μm放射型核壳填料的透射电镜扫描图 Fig.1 Transmission electron microscopescanning images of 1.2 μm fibrouscore-shell packing material

BJH孔径测试结果如图 2所示。本实验所制备的1.2 μm核壳颗粒的孔径主要分布在3.57 nm左右,颗粒孔径分布均一。虽然所制备的颗粒孔径较小,但因其具有独特的放射状孔道结构,在其上键合或者改性各种活性功能团会极大提高孔内部功能基团的可利用度,所以该颗粒作为吸附基质应用在色谱分离中具有天然的优越性。

图2

Fig. 2

图2 BJH孔径分布图 Fig.2 BJH pore size distribution

比表面积的大小,决定了填料的吸附能力、热学性质、化学稳定性等性能，对分离应用的方向具有指导作用。本实验所制备的颗粒的比表面积为41.13 m²/g,可以作为色谱填料应用于色谱分离。

氮吸附-脱附平衡的等温线如图 3所示。由图 3可知,本实验所制备的颗粒为介孔材料,在低压段主要以单分子层吸附为主,吸附量平缓增加;当相对压力(p/p₀)在0.7～0.9区间内时,发生毛细管凝聚,主要以多层吸附为主,此时吸附量突增;随着介孔孔径的增大,发生毛细管凝聚现象的压力越高,主要以外表面的吸附为主。因其狭缝状孔道及孔的形状和尺寸较均匀,迟滞环的形状类似H4形。

图3

Fig. 3

图3 氮吸附-脱附的等温线 Fig.3 Isotherm of N2 adsorption-desorption

对1.2 μm放射型C18核壳填料进行了元素分析,填料的比表面积、含碳量、含氮量和含氢量分别为41.13 m²/g、12.03%、0.09%、2.754%。根据公式^[36]计算表面覆盖率,结果为1.354 μmol/m²。大部分C18键合硅胶的含碳量为5%～40%,表面覆盖率为1～4 μmol/m²。本实验所制备的核壳填料的键合量符合标准。

随着乙腈体积分数的增加,萘的保留时间变短,保留因子随之减小,符合反相色谱保留机理。根据保留因子和柱效等因素综合考虑,最终将流动相中乙腈的体积分数设为70%。

在pCEC系统中,由于持续的施加电压,常伴有焦耳热效应,使毛细管内产生径向温度梯度,溶质沿径向分布出现显著不均现象,导致流动相的流型发生改变,从而影响柱效。因此需要对缓冲液中磷酸的浓度进行调节,本实验考察了当缓冲液中磷酸的浓度分别为5、10、15、20和25 mmol/L时,C18色谱柱分离硫脲和萘的柱效(见图 4)。当磷酸的浓度由5 mmol/L增加至10 mmol/L时,硫脲和萘的柱效得到了明显提升;当浓度从10 mmol/L增至25 mmol/L时,硫脲和萘的柱效逐渐降低。因此本实验将缓冲液中磷酸的浓度设为10 mmol/L。

图4

Fig. 4

图4 缓冲液中磷酸的浓度对柱效的影响 Fig.4 Effect of concentrations of phosphoric acid in buffer solution on the column efficiency

流动相的pH是pCEC分离中一个非常重要的参数,直接影响硅羟基的电离,从而影响Zeta电位和双电层厚度的大小,从而使电渗流发生变化,影响pCEC的分离效率。本实验考察了流动相的pH分别为3、4、5、6.28、7.2和8时，制备的色谱柱分离硫脲和萘的柱效(见图 5)。当流动相的pH从3升至7.2时,分离萘和硫脲的柱效均逐渐提高,并且在pH为7.2时,柱效达到最高;当流动相的pH从7.2升至8时,硫脲和萘的柱效呈现下降的趋势。因此本实验将流动相的pH设为7.2。

图5

Fig. 5

图5 流动相的pH值对柱效的影响 Fig.5 Effect of pH value of buffer solution on the column efficiency

本实验将毛细管柱的进口端接零极,出口端施加负电压,此时管内电渗流方向与压力流方向一致,不断增加施加电压,样品的保留时间逐渐减小。本实验考察了施加电压(-5、-10、-15、-20和-25 kV)对萘和硫脲柱效的影响(见图 6)。当施加电压从-5 kV升至-10 kV时,电渗流变大,分离硫脲和萘柱效增大;当施加电压从-10 kV升至-25 kV时,发生焦耳热效应,产生气泡,分离硫脲和萘的柱效降低。因此本实验最终将施加电压设为-10 kV。

图6

Fig. 6

图6 施加电压对柱效的影响 Fig.6 Effect of applied voltage on the column efficiency

线性流速是决定色谱分离的重要因素之一。当流速过低时,样品扩散严重,柱效较低;当流速过高时,样品的传质阻力较大,柱效也较低;当流速处于理论塔板高度与载气线性流速曲线的最低点时,理论塔板高度最小,柱效最高,此时的流速称为最佳线性流速。本实验考察了当线性流速从0.66 mm/s升至1.13 mm/s时,pCEC分离硫脲和萘的柱效,如图 7所示。当线性流速达到0.99 mm/s时,萘的理论塔板高度最小,柱效最高。因此本实验将线性流速设为0.99 mm/s。

图7

Fig. 7

图7 线性流速对柱效的影响 Fig.7 Effect of linear velocity on the column efficiency

在最优色谱条件下对8种中性物质(苯、甲苯、乙苯、丙苯、正丁基苯、联苯、二苯甲酮和硫脲)进行分离,8种中性物质的电色谱图如图 8所示。8种中性物质在8 min内可达到基线分离,且峰形较好。8种中性物质在电色谱中的出峰顺序依次为硫脲、苯、甲苯、乙苯、联苯、丙苯、正丁基苯和二苯甲酮,对应的柱效依次为39928、105070、79800、110124、112462、90370、129234和190792块/m。

图8

Fig. 8

图8 1.2 μm放射型核壳C18色谱柱分离8种中性物质的电色谱图 Fig.8 Electrochromatogram of the eight neutral compounds on a column packed with 1.2 μm C18-modified fibrous core-shell packing material 1. thiourea; 2. benzene; 3. toluene; 4. ethylbenzene; 5. biphenyl; 6. propylbenzene; 7. n-butylbenzene; 8. benzophenone.

本实验采用粒径均匀、孔径均一、表面光滑的1.2 μm新型放射型核壳填料填充毛细管色谱柱,借用pCEC平台,优化了流动相中有机相的比例、缓冲液的浓度、pH值、线性流速及施加电压等因素,并在8 min内完成了8种中性物质的分离。在pCEC领域里,几乎没有应用过小粒径的核壳填料,这是一个值得拓展和挖掘的研究方向。该研究为小粒径核壳色谱填料的进一步研究和应用奠定了基础,为色谱填料的发展提供了一个新的思路。