整体柱的制备及其应用

整体住的制备及其应用1整体柱的发展历史整体柱是在空柱管中原位聚合得到的连续多孔高聚物固体材料，材料表面可以根据需要作相应的功能衍生化，是一种新型的用于分离分析或作为反应器的多孔介质［1］。

整体柱具有小尺寸的骨架和大尺寸的流通孔，因此具有较大的流通孔 / 骨架尺寸比，从而提高柱的通透性，降低背压［2］。

流动相在通孔中流通，聚合物表面的小孔增大了溶质与固定相作用的表面积，所有的流动相都流过柱床，不存在填料颗粒之间的间隙孔。

而在传统的色谱柱中，大部分流动相是流经填充颗粒然后通过扩散到达作用位点，这种以对流传质代替扩散传质的机理使得传质效率大大提高，可以实现快速和高效的分离［3］。

事实上，早在 50 多年前，就已经有人开始做整体化材料作为分离介质的尝试［4］。

但是由于当时所能制备的的凝胶状整体材料在流动相的压力下易破裂，这种材料没有发展起来。

之后制备出的机械强度较高且具有开放孔的聚氨酯虽然在液相和气相色谱中得到了一定的应用，但是一直没有引起色谱界的重视。

1990s,Hjerte n 米用水溶性的单体 N-N-亚甲基双丙烯酰胺和甲基丙烯酸共聚制备高溶胀性凝胶，并将其压入空柱中，该色谱柱成功地应用于蛋白质和多肽的分离。

但这种色谱柱还具有填充柱的特性，仅仅在受到挤压后才呈现整体柱的结构特性，并不能算是真正意义上的整体柱［5］。

随后在1992年，Frechet和Svec用偶氮二异丁腈（ABIN）作引发剂将甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA与乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA直接在空柱管中聚合制备同时具有中空和大孔的多孔刚性聚合物整体柱，这是第一次制备出真正的有机整体柱。

1996 年硅胶整体柱也成功制备，使得这项技术得到了全面发展［6,7］。

目前，整体柱已经被成功地应用于反相色谱、正相色谱、离子交换色谱、疏水作用色谱、亲水作用色谱、亲和色谱、体积排阻色谱和手性分离中，成功的分离了蛋白质、多肽、氨基酸、类固醇、多环芳烃和低聚寡核苷酸等物质。

2 整体柱的制备根据整体柱制备材料的不同，可以将整体柱分为有机整体住，硅胶整体柱和有机- 无机杂化整体柱。

2.1有机聚合物整体柱的制备有机聚合物整体柱制备过程简便，其制备过程一般为：首先对毛细管内壁进行清洗活化，使硅羟基暴露，然后进行硅烷化修饰上带有可以参与聚合反应的官能团，然后将单体、交联剂、致孔剂、引发剂的混合物注入毛细管中，两端用硅胶密封，通过热，紫外光或丫射线引发聚合。

聚合完成后，用高压泵鼓入合适的溶剂将多余的致孔剂和其他可溶性反应残余物洗出，即可得到大孔聚合物整体柱。

此外可以在反应物中加入特定的功能单体或者在聚合反应完成后进行柱后修饰来调节整体柱的表面化学特性。

按照反应机理的不同，有机聚合物整体柱的制备方法可以分为自由基聚合和逐步聚合两大类。

2.1.1自由基聚合整体柱自由基聚合整体柱多采用含有烯烃双键的单体，根据聚合单体的不同，一般可以分为聚苯乙烯类、聚丙烯酰胺类、聚甲基丙烯酸酯类 3 种类型。

规则的内部形态是决定聚合物整体性能的重要因素，而具有理想内部结构的整体柱应具有规则的三维网络骨架和规则的孔结构。

骨架的形态、孔尺寸大小和分布可以通过改变聚合温度、聚合时间、单体、交联剂、致孔剂以及引发剂的组成和比例来实现[8]。

致孔剂是通过影响相分离早期阶段生成的聚合物链在反应体系中的溶解度来调节孔径大小的，通常，不良溶剂的比例越大，相分离越早，材料的孔径越大[9]。

改变致孔剂的种类和比例是调节整体柱孔径结构最为有效且最为方便的方法。

单体种类和比例的变化会使最终聚合物的化学组成和机械强度发生变化。

自由基聚合的引发方式有热引发，光引发，丫射线引发，电子束引发和微波引发等。

热引发是最常用的引发方式，通过调节局和温度使成核速度适中，得到孔径大小比较均一重现性良好的整体柱。

由于引发剂的分解半衰期不同，所以要针对不同的引发剂选择比较适合的聚合温度。

光引发方式可以使整体柱的制备在室温下进行，并且引发速度比较快，整个聚合过程可以在几分钟之内完成，同时可以很方便的控制发生反应的区域，特别适合于不规则尺寸整体柱的制备。

丫射线引发最大的特点是直接从单体和交联剂中产生自由基，不用专门加入引发剂。

通过控制丫射线的剂量来调控柱床结构，剂量越大，自由基数目越多，聚合交联速度越快，相分离越早，颗粒和孔径尺寸越大。

2.1.2逐步聚合整体柱除了以上采用常规的双烯自由基共聚反应制备聚合物整体柱以外，近年来采用环氧与氨基的逐步聚合反应来制备整体柱的新方法［10］。

Hosoya小组［11］采用双酚A二缩水甘油醚与4,4 '-二氨基二环已基甲烷在80-160 °C下加聚4小时，通过采用不同分子量的PEG调节孔径，得到具有良好三维结构的多孔材料。

之后他们又采用三官能基团的三（2,3-环氧丙烷基）异氰酸酯与BACM以及手性的1,2- 环己二胺聚合，制得的整体柱具有亚微米级骨架和微米级的孔道，表面基本没有微孔或仅有少量的中孔，比表面积仅为2.7 m2/g ,然而分离烷基苯时柱效能达到 200， 000 plates/m 。

由于柱床表面具有羟基和氨基，该整体柱可以应用在 HILIC 作用模式中，并实现了对嘌呤和吡啶类物质的分离。

Irgum 小组［12］使用一种用乳液聚合来制备环氧基整体材料的方法，采用的单体是1,4- 丁二醇二缩水甘油醚以及 BADE交联剂是1,6-已二胺，助溶剂是二乙醇二乙醚或乙二醇二丁醚，制备出的多孔材料平均孔径在 1.8卩m左右，比表面积小于 2 m /g ，但材料本身机械强度不够大，不适合用于色谱固定相。

后来他们进行了改进，提高了材料的通透性和机械强度，并且进行一系列表征，结果表明材料表面具有大量仲胺基和羟基，适合表面功能衍生化，其分离效能有待进一步探究。

2.2无机硅胶整体柱的制备无机硅胶整体柱是以硅氧化物为主要原料，采用溶胶 -凝胶法制备的无机整体柱。

溶胶 -凝胶法最主要的化学变化是由溶胶变成凝胶的过程中发生的水解和缩聚反应，烷氧基硅烷的水解缩聚反应如图 3-1 所示严RO —^T-OR +H,O £~~OR3-1溶胶-凝胶反应体系中的水解和缩聚 时，以酸作催化剂，水溶性有机聚合物起着重要作用， 不稳定相的分解与凝胶化 几乎同时发生，由于烷氧基硅烷的水解聚合作用，分别形成硅胶富集相和溶剂富 集相。

湿凝胶经热处理后，硅胶富集相形成微米级硅骨架，溶剂富集相变成微米 级通孔。

硅胶整体柱表面的多孔以及通孔尺寸 /骨架尺寸的比例可以通过改变初始反应物的组成进行调控。

整体柱的三维网状结构骨架直径一般为0.5-2卩m 通孔尺寸为1-8卩m 1991年，NaKanishi 小组［13］报道了多孔硅胶整体材料的制 备技术：在水溶性有机聚合物苯乙烯磺酸钠存在的条件下，四甲氧基硅烷在硝酸 的催化作用下形成有不同三维结构的硅胶。

之后，他们又利用烷氧基硅烷在有机 聚合物聚丙烯酸或聚环氧乙烷的存在下，以硝酸为催化剂，制备硅胶整体材料， 并对其制备机理，制备条件作了深入的探讨［14-16］，为硅胶整体柱的制备和发展奠 定了基础。

1996年，Tanaka 小组［17］首次报道了应用于HPLC 的硅胶整体柱的制 备，他们将四甲氧基硅烷，聚环氧乙烷以及催化剂乙酸，在0C 下搅拌0.5h 形成 凝胶，然后注入模具管中在 40C 下反应过夜，将制备好的柱子经陈化，制备中 孔，干燥和焙烧处理，再用热缩性的聚四氟乙烯包覆后形成硅胶整体柱，然后进 行柱上化学修饰［18-19］。

该方法制备的整体柱同时具有微米级骨架和通孔及纳米级 的中孔，骨架和通孔使硅胶整体柱具有很强的通透性， 柱压降随流速的变化缓慢；中孔则为整体柱提供大的比表面积， 使其具有高柱效。

后来他们［20-23］又探讨了硅 胶整体柱中通透孔和中孔的控制方法：骨架和通孔尺寸可以由水溶性的高聚物浓 度决定，一般常用的是聚乙二醇，因为它可以与硅胶骨架上的硅羟基形成很强的 氢键，这种相互作用使溶剂与PEG 之间的界面不稳定，导致相分离较早发生［24］。

并且PEG 的量越大，这种氢键作用力越强，使得溶剂与PEG 之间的界面越不稳定， 导致相分离越早发生， 使相区域凝固在粗化阶段后期， 导致区域尺寸较大。

中孔 的构建是将柱体用碱性氨水浸泡， 在此过程中碱严RO~SrOH + RO- ^1~OR. ------------------OR OR OR SI-0^51-OR +ROH OR OR>K1 W dl£T uuntlrti 旦ti>n HO -^1-OR ------------------- ORRO -^t-OR +H 3O OR OR 水解和缩聚反应是对同时进行的竞争反应, 实际反应过程更加复杂。

制备性溶液与湿柱体内部液体进行液相交换，并在硅骨架上发生结构重排，从而产生纳米级中孔，并且在此过程中微米级硅骨架和通孔不受影响［25］。

另一种制备中孔的方法［26,27］是在初始反应物中加入尿素，利用其水解产物氨来制备中孔。

反应的主要机制是发生在硅骨架表面的溶解再沉淀的后凝胶化，溶液的 pH和温度是决定其尺寸的主要因素。

因此硅胶整体柱的通孔和中孔是可以分开调控的。

2006年， Hara 等［28］制备了具有较小孔径尺寸和较高相比的毛细管硅胶整体柱，随着骨架和通透孔尺寸的减小，柱的通透性有所减小，相比有所增强，在线流速为2-3mm/s 下理论塔板高度约为5卩m其柱效和2-2.5卩m颗粒填充柱相当，而通透性和5卩m颗粒填充柱相似，Hara称之为“第二代硅胶整体柱”。

2.3有机- 无机杂化硅胶整体柱的制备有机整体柱具有制备简单，结构均匀，重现性较好，柱效较高以及可进行快速分离等优点，在多种色谱模式下获得了成功的应用，尤其是在生物大分子分离上显示出很大的优势，然而其自身存在如机械强度相对较差特别是在有机溶剂的作用下，柱体会发生收缩或溶胀现象，致使柱性能发生变化，导致柱寿命缩短以及微孔结构不适宜小分子物质分离分析和柱容量低等缺点。

无机硅胶整体柱无上述缺点，但无机硅胶整体柱需经包覆后才能使用，化学修饰须待包覆后于柱上完成，修饰耗时复杂且由于骨架易水解，因此pH 耐受范围一般是 2~8，使其应用受到限制。

有机-无机杂化硅胶整体柱用含有有机功能基团的三硅氧烷单体和四硅氧烷单体一起作为溶胶-凝胶反应前体化合物。

这样可以通过 Si-C键直接在形成的硅胶基质上引入所需的功能基团，避免繁琐的后修饰过程。

但是这样的硅烷化试剂的数目和种类有限，而且不同的有机基团硅烷化试剂的水解速率都有差别，每一种杂化硅胶整体柱的制备条件都需要条件优化，比如单体比例，乙醇，水含量， PEG含量，催化剂种类和含量以及反应温度等等，而且有些基团的色谱保留能力并不强，还需进一步修饰。