一种液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球制备方法、微球及应用

技术领域

本发明涉及液相色谱柱基质领域，具体来说是应用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球以及制备方法。

背景技术

高效液相色谱法作为现代分析化学中最常用的方法之一，具有高效、快速、高灵敏度等优点，可用于质量控制、药物分析、临床测试、环境监测等许多科学领域。高效液相色谱法分离原理基于待分离化合物对固定相和流动相的亲和力差异，因此色谱柱是液相色谱体系的核心，而色谱填料的研究便成为色谱研究中最丰富，最有活力，最富于创造性的部分。

液相色谱填料主要分为无机硅胶基质、有机聚合物基质以及有机-无机杂化基质。硅胶基质机械强度高，热稳定性好，孔结构容易调控。但是硅胶基质耐受pH范围窄，在碱性流动相下使用存在溶解的风险。

有机聚合物基质大致可以分为聚丙烯酰胺类、聚苯乙烯类、聚甲基丙烯酸酯类，而应用最广泛的便是聚苯乙烯类。相较于硅胶基质来说，聚合物基质pH应用范围广，即使用强碱溶液例如氢氧化钠冲洗色谱柱也不会影响其色谱性能。但是有机聚合物有其致命的缺点，就其物理化学性质来说，其机械强度差，不能承受高柱压。

为了解决机械强度差这一缺点，最常用的方法便是将有机聚合物与含硅试剂制备有机硅杂化聚合物。Analytical Chemistry,2009,81(9),3529-3536(非专利文献1)中公开了一种利用乙烯基三甲氧基硅烷，正硅酸甲酯和丙烯酰胺制备具有亲水性质的有机-无机杂化聚合物整体柱的方法；Analytical Chemistry,2010,82(7),2907-2915(非专利文献2)中公开了一种利用乙烯基三甲氧基硅烷，正硅酸甲酯和N,N,N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨)-1-氯化丙铵作为前驱体制备了具有强阴离子交换性能的杂化整体柱的方法；ChemicalCommunications,2011,47(34),9675-9677(非专利文献3)公开了一种利用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，正硅酸甲酯和4-乙烯基苯硼酸作为前驱体制备了具有硼酸亲和性能的杂化整体柱的方法；Electrophoresis,2013,34(4),510-517(非专利文献4)公开了一种利用巯丙基三甲氧基硅烷，正硅酸甲酯和3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾作为前驱体制备同时具有强阳离子交换和反相保留机理的杂化整体柱的方法；Analytical Chemistry,2011,83(9),3616-3622(非专利文献5)公开了一种将含有双键的环糊精衍生物作为有机单体，利用乙烯基三甲氧基硅烷和正硅酸甲酯合成了环糊精衍生物杂化整体柱的方法。

在制备有机-无机杂化聚合物微球方面，专利文献(申请号201110263262.3)公开了一种利用苯乙烯与甲基丙烯酸-3-三甲氧基硅丙酯制备用于离子色谱的无孔有机无机杂化聚合物微球的方法。但是由于无孔微球在实际样品色谱分离中分离效果不如多孔材料，因此需要一种简便的合成方法来制备高强度的多孔有机无机杂化聚合物微球。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于液相色谱的有机硅杂化树脂微球的制备方法。本发明要解决的另一个技术问题是，提供该方法制备得到的微球。本发明要解决的另一个技术问题是，提供该微球的应用。

本发明的技术方案是，一种用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球的制备方法，所述的制备方法为悬浮聚合法，包括如下步骤：

(1)将分散剂和稳定剂加入到50-70℃水中，搅拌溶解；所述分散剂和稳定剂的质量分数均为0.5％-2％；所述分散剂选自以下成分中的一种或一种以上：多库酯钠、明胶、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、十二烷基苯磺酸钠；所述稳定剂选自以下成分中的一种或一种以上：多库酯钠、明胶、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、十二烷基苯磺酸钠；

(2)取一定量的二甲苯、二乙烯苯、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和偶氮二异丁腈混合均匀；

二乙烯苯、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的体积比为7：3～9：1，二甲苯的用量是二乙烯苯和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷两者体积和的1.5～3倍；偶氮二异丁腈用量为共聚单体总质量的0.5％～1.5％；共聚单体总质量是二乙烯苯单体和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷单体质量之和；

(3)将步骤(2)中混合均匀的有机相加入到(1)的反应器内，其中：有机相总体积与水的体积比为1：3～1：5；反应10-50分钟，然后继续升温到70～80℃继续反应8～12小时，最后分别经过热水和乙醇洗涤得到微球；

(4)将步骤(3)中得到的微球加入到四氢呋喃中超声1～30分钟以后继续溶胀10-14小时；所述微球与四氢呋喃比例为：1：10～1：15(g/mL)；

(5)在步骤(4)的反应瓶中加入氨水，充分搅拌后静置，最后经过水和乙醇洗涤得到微球。

步骤(1)中，分散剂可以有多种选择，它主要影响微球的粒径大小，根据目标微球的大小可以选择尝试不同的分散剂；稳定剂也有多种选择，但是相对来说，明胶具有较好的稳定微球形貌的。分散剂和稳定剂一般没有明确的区别，很多物质本身即是分散剂又是稳定剂。分散剂和稳定剂采用不同的物质，效果更佳。

步骤(2)中，这4种组分是可以互溶的有机相，在步骤(3)中，有机相加入到第1步的水相中，最终的反应体系是有机相/水相的两相混合体系。微球的制备方法本质上是自由基热引发的聚合反应，共聚单体则是带有不饱和键的单分子，通过聚合反应成长链，进一步得到最后的聚合物微球；偶氮二异丁腈是作为自由基引发剂来使用，它的作用便是引发聚合反应得发生，偶氮二异丁腈的用量会影响最终微球的粒径大小以及粒径分布，因此需要合适的用量。硅烷单体和二乙烯苯单体都是共聚单体。

步骤(3)中，先用热水洗涤，再用乙醇洗涤。

根据本发明所述的一种用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球的制备方法，优选的是，步骤(3)所述反应时间为30-50分钟。

根据本发明所述的一种用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球的制备方法，优选的是，步骤(5)所述搅拌为超声搅拌，超声搅拌15～30分钟；步骤(5)所述静置时间为18-36小时。

根据本发明所述的一种用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球的制备方法，优选的是，步骤(5)中，所述氨水与四氢呋喃的体积比为1：15～1：20。

根据本发明所述的一种用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球的制备方法，优选的是，步骤(5)之后还包括后交联方法；所述的后交联方法包括如下步骤：

将微球分散在1,2-二氯乙烷中溶胀6～10小时，加入无水三氯化铁后升温至70-90℃反应7-9小时，反应结束经过乙醇洗涤，稀盐酸洗涤，水洗至中性后干燥得到目标产物。

进一步地，1,2-二氯乙烷、无水三氯化铁与微球的质量比为4-7：0.2-0.5：0.5-2。

本发明还提供了一种用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球的制备方法得到的微球，所述微球为二乙烯苯与γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的共聚物；得到的原始微球比表面积600～900m

本发明还提供了另一种用于液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球的制备方法得到的微球，在经过交联处理后得到的有机硅杂化多孔树脂微球比表面积1000～1200m

优选的是，上述的微球粒径为30～40μm。

本发明提供了上述微球在液相色谱方面的应用。尤其是作为液相色谱填料方面的应用。

本发明具体为聚二乙烯苯-γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷多孔树脂微球的制备以及应用。

所制备的微球均为多孔树脂微球，通过加入硅烷单体，由于硅烷单体也含有不饱和键，可以和二乙烯苯单体共聚成聚合物，使得聚合物骨架中含有硅元素，可以提高树脂微球机械强度，通过调节硅烷单体与二乙烯苯单体的比例，可以使最终的树脂微球具有合适的比表面积以及较好的机械强度。另一方面，最终聚合得到的树脂微球骨架中含有大量的硅氧键，容易发生缩合反应，使骨架中的聚合物长链与长链之间能形成新的化学键，即提高了交联度，而提高交联度的同时进一步提高了树脂微球的机械强度，该制备方法简单，易于放大。同时微球含有大量可供修饰的反应位点，根据不同的分离体系可进行不同的修饰。由于采用的单体是二乙烯苯，两个不饱和键活性不同会导致最终的树脂微球的骨架中含有大量未反应完的碳碳双键，在路易斯酸的催化下可以发生傅克-烷基化反应，会使骨架中聚合物长链与长链之间形成新的化学键，再一次提高了交联度，可以使树脂微球的比表面积以及机械强度进一步提升。树脂微球可长时间在碱性环境下使用，在硅胶基质不适用的环境下可作为首选基质。

本发明所制备的多孔树脂微球理化性质最主要的两个点，即多孔结构以及较好的机械强度。机械强度效果请见附图中的多张压力-流速图。压力与流速呈现线性关系即证明树脂微球能耐受所测试的压力。同时树脂微球在色谱应用中时涉及到要将树脂微球装填到色谱柱的过程，在这一过程中不同机械强度的树脂微球在完成装填以后，在液相色谱中使用时，在同一流速下会呈现不同的压力，机械强度稍弱的会呈现较高的压力，即在压力-流速图中的线性关系具有较大的斜率，通过斜率的比较可以比较出不同树脂微球之间的机械强度差异。

附图说明

图1为实施例1制备的树脂微球热失重曲线。

图2为实施例1制备的树脂微球扫描电子显微镜图。

图3为实施例4制备的树脂微球热失重曲线。

图4为实施例4制备的树脂微球扫描电子显微镜图。

图5为实施例7所装填色谱柱，流速与柱压关系图。

图6为实施例8所装填色谱柱，流速与柱压关系图。

图7为实施例9所装填色谱柱，流速与柱压关系图。

图8为实施例10对甜叶菊提取物分离纯化的色谱图，图8左右两幅图分别为图8a和图8b。

具体实施方式

以下提供本发明用于高效液相色谱的有机硅杂化多孔树脂微球制备方法的具体实施方式。

实施例1

步骤(1)在2000mL三口烧瓶中，加入1080mL纯水、5.4g多库酯钠和5.4g明胶，在70℃下搅拌20分钟使多库酯钠和明胶完全溶解；

步骤(2)另取一个烧杯，加入将240mL二甲苯、108mL二乙烯苯、12mLγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和0.6g AIBN，混合均匀；

步骤(3)将(2)中混匀好的有机相加入到(1)中，在70℃下反应40分钟，然后温度升高到80℃继续反应8小时。反应结束后，用热水清洗微球，然后用乙醇清洗，最后干燥得到微球；

步骤(4)取60g(3)中制备得到的微球，分散到600mL四氢呋喃中超声15分钟，然后静置溶胀12小时；

步骤(5)加入30mL氨水，边超声边搅拌15分钟，然后静置24小时，反应结束后用水和乙醇洗涤，最后干燥得到目标产物；

利用比表面分析仪分析，测得比表面积为811m

利用热重分析仪分析，结果如图1，测得微球分解温度为287℃；

利用扫描电子显微镜进行分析，结果如图2，测得粒径平均为33μm。

实施例2

在实施例1的步骤(2)中，将108mL二乙烯苯、12mL γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷替换为96mL二乙烯苯、24mL γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，其他步骤均按实施例1操作，利用利用比表面分析仪分析，测得比表面积为747m

实施例3

在实施例1的步骤(2)中，将108mL二乙烯苯、12mL γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷替换为84mL二乙烯苯、36mL γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，其他步骤均按实施例1操作，利用利用比表面分析仪分析，测得比表面积为639m

实施例4

取50g实施例1中制备得到的微球分散在275mL 1,2-二氯乙烷中，静置溶胀6h。溶胀完成后加入7.5g无水三氯化铁，加氮气保护，升温至80℃反应8h，反应结束后用乙醇洗涤，然后用稀盐酸洗涤几遍，水洗至中性，最后干燥得到目标产物；

利用比表面分析仪利用比表面分析仪分析，测得比表面积为1071m

利用热重分析仪分析，结果如图3，测得微球分解温度为276℃；

利用扫描电子显微镜进行分析，结果如图4，测得粒径平均为33μm。

实施例5

取50g实施例2中制备得到的微球分散在275mL 1,2-二氯乙烷中，静置溶胀6h。溶胀完成后加入7.5g无水三氯化铁，加氮气保护，升温至80℃反应8h，反应结束后用乙醇洗涤，然后用稀盐酸洗涤几遍，水洗至中性，最后干燥得到目标产物。利用比表面分析仪利用比表面分析仪分析，测得比表面积为1079m

实施例6

取50g实施例3中制备得到的微球分散在275mL 1,2-二氯乙烷中，静置溶胀6h。溶胀完成后加入7.5g无水三氯化铁，加氮气保护，升温至80℃反应8h，反应结束后用乙醇洗涤，然后用稀盐酸洗涤几遍，水洗至中性，最后干燥得到目标产物。利用比表面分析仪利用比表面分析仪分析，测得比表面积为1019m

实施例7

将实施例1、2、3中的步骤(3)得到的微球与聚二乙烯苯微球用匀浆法分别装成4.6×250i.d.mm不锈钢色谱柱，使用乙醇作为流动相，记录下不同流速下的柱压得到图5。经过比较可知加入硅烷以后，色谱柱在同样流动相下呈现更低的柱压，证明具有良好的机械强度。

实施例8

将实施例1、2、3中的步骤(5)得到的最终微球用匀浆法分别装成4.6×250i.d.mm不锈钢色谱柱，使用异丙醇作为流动相，记录下不同流速下的柱压得到图6。经过比较可知硅烷通过水解缩合交联以后，与未交联相比呈现更低的柱压，证明水解缩合交联后机械强度进一步提高。

实施例9

将实施例4、5、6中得到的微球用匀浆法分别装成4.6×250i.d.mm不锈钢色谱柱，使用50％的异丙醇水溶液作为流动相，记录下不同流速下的柱压得到图7。经过比较可知经过后交联处理后，色谱柱呈现更低的柱压，证明后交联可以使机械强度进一步提高。

实施例10

用实施例5中制备得到微球所装的4.6×250i.d.mm不锈钢色谱柱对实际样品甜叶菊提取物进行分离纯化结果如图8所示，对组分B进行分析可知，莱苞迪苷A的含量从26.14％提升到58.53％，具有一定的分离纯化能力。

图8(a)制备所用色谱柱为实施例5中制备得到微球所装的4.6×250i.d.mm不锈钢色谱柱，液相色谱分析条件如下：

流动相为水/乙醇，流速1.0mL/min，检测波长290nm

0min-10min水100％

10min-20min乙醇0％→25％

20min-25min乙醇25％

25min-30min乙醇25％→30％

30min-35min乙醇30％

35min-50min乙醇30％→45％

50min-55min乙醇45％

55min-65min乙醇45％→90％

65min-80min乙醇90％

图8(b)分析所用色谱柱为C18色谱柱(4.6×250i.d.mm)，液相色谱分析条件如下：

流动相为水/乙腈，流速1.0mL/min，检测波长210nm

0min-20min乙腈/水：20/80→60/40；

实施例11

步骤(1)在2000mL三口烧瓶中，加入1080mL纯水、6g聚乙烯醇和6g多库酯钠，在70℃下搅拌20分钟使多库酯钠和聚乙烯醇完全溶解；

步骤(2)另取一个烧杯，加入将162mL二甲苯、97mL二乙烯苯、11mLγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和0.7g AIBN，混合均匀；

步骤(3)将(2)中混匀好的有机相加入到(1)中，在70℃下反应40分钟，然后温度升高到80℃继续反应8小时。反应结束后，用热水清洗微球，然后用乙醇清洗，最后干燥得到微球；

步骤(4)取50g(3)中制备得到的微球，分散到800mL四氢呋喃中超声20分钟，然后静置溶胀14小时；

步骤(5)加入50mL氨水，边超声边搅拌20分钟，然后静置30小时，反应结束后用水和乙醇洗涤，最后干燥得到目标产物；

利用比表面分析仪分析，测得比表面积为678m

实施例12

在实施例11的步骤(2)中，将97mL二乙烯苯、11mLγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷替换为86mL二乙烯苯、22mLγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，其他步骤均按实施例11操作，利用利用比表面分析仪分析，测得比表面积为610m

实施例13

在实施例11的步骤(2)中，将97mL二乙烯苯、11mLγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷替换为76mL二乙烯苯、32mLγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，其他步骤均按实施例11操作，利用利用比表面分析仪分析，测得比表面积为493m

实施例14

取50g实施例11中制备得到的微球分散在275mL1,2-二氯乙烷中，静置溶胀6h。溶胀完成后加入7.5g无水三氯化铁，加氮气保护，升温至80℃反应8h，反应结束后用乙醇洗涤，然后用稀盐酸洗涤几遍，水洗至中性，最后干燥得到目标产物；

利用比表面分析仪利用比表面分析仪分析，测得比表面积为1175m

实施例15

取50g实施例12中制备得到的微球分散在275mL1,2-二氯乙烷中，静置溶胀6h。溶胀完成后加入7.5g无水三氯化铁，加氮气保护，升温至80℃反应8h，反应结束后用乙醇洗涤，然后用稀盐酸洗涤几遍，水洗至中性，最后干燥得到目标产物；

利用比表面分析仪利用比表面分析仪分析，测得比表面积为1197m

实施例16

取50g实施例13中制备得到的微球分散在275mL1,2-二氯乙烷中，静置溶胀6h。溶胀完成后加入7.5g无水三氯化铁，加氮气保护，升温至80℃反应8h，反应结束后用乙醇洗涤，然后用稀盐酸洗涤几遍，水洗至中性，最后干燥得到目标产物；

利用比表面分析仪利用比表面分析仪分析，测得比表面积为1026m

本发明采用悬浮聚合法，方法简单，易于放大。通过本发明的方法可得到具有较好机械强度的多孔树脂微球，并且含有大量可供修饰的反应位点，根据不同需求可进行修饰，适用于不同的分离体系。