1、Email：改性超支化聚硅碳烷物理吸附涂层毛细管柱的分离性能研究徐文超，初永杰，林 栋，杨 文，刘 冰，寿崇琦 *（济南大学化学化工学院，济南 250022）摘要：利用羟丙基- -环糊精对合成的超支化聚硅碳烷进行表面接枝改性，通过物理吸附的方法将改性后的超支化聚硅碳烷涂覆于毛细管柱内壁表面，制备出一种新型的毛细管电泳涂层柱。选用 16 kV 的分离电压、214 nm 紫外检测波长、10 cm 位差进样 7 s 和 40 mmol /L 磷酸盐缓冲体系为分离条件，考察氧氟沙星和扑尔敏两种手性异构体在涂层柱上的分离性能以及涂层柱的稳定性能。在 pH 3.0 时，对氧氟沙星的分离度为 1.81，理论
2、塔板数为4.68104 plates/m；在连续进样 100 次后，分离度变化不大，理论塔板数下降率在 15%以内，涂层柱运行稳定，各项性能均取得满意的效果。 关键词：超支化聚硅碳烷；改性；物理吸附；毛细管电泳柱；手性分离1 引言高效毛细管电泳（HPCE）技术是近十几年来发展起来的一种高效、快速的微柱分离分析技术 1，被认为是当代分析科学最具活力的前沿研究领域之一。其中毛细管电泳涂层柱的制备技术一直是毛细管电泳（CE ）分离技术的重要环节 24。物理吸附涂层法作为一种制柱快速简便且成功率高的方法，越来越受到分析工作者的青睐 5,6。以往的物理吸附涂层多采用传统线性聚合物，其中线性聚合物溶液的粘
3、度往往随着溶液浓度的增加而增加，浓度过大，涂层过程容易堵塞毛细管柱 7,8。伴随着分析科学的发展，表面活性剂和生物大分子的涂层分离性能研究也取得很大进展 911，Lucy 等对单、双链表面活性剂涂层和物理吸附聚合物涂层的分离性能研究成绩颇丰；Yin 等利用人体低密度脂蛋白（LDL）通过磷脂的物理吸附涂层于毛细管内壁，成功实现对细胞色素和核糖核酸酶等生物分子的分离；李方等用天然谷氨酸改性 -环糊精对扑尔敏、氧氟沙星和异丙嗪等药物对映体进行了分离研究；但是一些问题也随之而来，例如分辨率偏低和分离效率不高等，制约了手性药物分析技术的发展。超支化聚合物作为一种新型的官能化聚合物，拥有较低的溶液粘度，阻
4、止了涂覆过程中链缠绕的形成，使其更容易涂覆于毛细管内表面，形成稳定的涂层；此外，超支化聚合物外端含有大量的官能团，易于改性，与同摩尔质量的线性分子相比，可以键合更多的手性选择试剂，以此提高分离效率 12。本研究采用物理吸附涂覆的方法，将接枝羟丙基- -环糊精 (HP-CD)后的超支化聚硅碳烷涂覆到毛细管内壁表面，得到一种新型手性涂层毛细管电泳柱，用于分离氧氟沙星和扑尔敏的手性对映异构体。2 实验部分2.1 仪器与试剂QL-1000 型高效毛细管电泳仪（山东师范大学） ；N2000 型数据采集和处理工作站（浙江大学） ；KQ-1000DB 数控超声波清洗器（江苏昆山市超声仪器有限公司） ；pHS
5、-3C 型酸度计（上海第二分析仪器厂） ；弹性石英毛细管（内径 75 m，河北永年锐沣色谱器件有限公司） 。 2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基- 环四硅氧烷(D 4vi ，化学纯，上海建橙工贸有限公司) ；甲基氢二氯硅烷（MeHSiCl 2，工业纯，蓝星化工新材料股份有限公司江西星火有机硅厂） ；甲基氢二烯丙基硅烷和 Karstedt 催化剂均为自制；氧氟沙星（化学对照品， 分析纯，纯度98.6%， 中国药品生物制品检定 所） ；扑尔敏（分析纯，中国药品生物制品检定所） ；羟丙基- 环糊精 (HP-CD，分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心） ；其它试剂均为分析纯；水为二次去离
6、子水。2.2 硅氢加成催化剂的制备按照US3775452的方法 13制得Karstedt催化剂，其分子结构式如图1。图1 Karstedt 催化剂的分子结构式Fig.1 Molecular structural formula of Karstedt catalyzer将制得的Karstedt催化剂溶于精制除水四氢呋喃中，配制成 2%的四氢呋喃溶液。该催化剂具有活性高、贮存时间长、使用方便、可以连续使用等诸多特点。2.3 超支化聚硅碳烷的合成本实验以甲基氢二烯丙基硅烷为增长单体，以 D4vi 为中心核，Karstedt 催化剂为硅氢加成催化剂，制备了不同代数超支化聚硅碳烷 14，合成路线如图
7、2。第 二 代 超 支 化 聚 硅 碳 烷第 三 代 超 支 化 聚 硅 碳 烷中 心 核core molecul 单 体moner Si SiiiSiSi iSii Sii iKarsted Karsted SiSiSiSiOOOO SiSiiSiiSiiSiSiSiiSiSiSiSiOOOOiii iii iiiiiiSiiSiSiSiSiOOOOCH3SiCH2CCH3SiCH2C G2 hyperbanched polcaosilG3 hyperbanched olcosil图 2 以 D4vi 为中心核，甲基氢二烯丙基硅烷为增长单体，合成不同代数的超支化聚硅碳烷Fig.2 Synth
8、esis of the hyperbranched polycarbosilane with D4vi as the core molecule and methyl hydrogen diallyl silane as the growth monomerG2 IR: -CH=CH2 的特征吸收峰 (Characteristic absorption peak) 1641 cm-1; 最大热失重 (the maximum thermogravimetry )300350. G3 IR: -CH=CH2 的特征吸收峰 (Characteristic absorption peak) 1632
9、cm1; 最大热失重 (the maximum thermogravimetry)350400.2.4 超支化聚硅碳烷的端基改性实验研究中将超支化聚硅碳烷外端含有的大量 C=C 改性成为 SiCl 键，使其与 HP-CD 的 C6 位羟基反应，从而将超支化聚硅碳烷与 HP-CD 连接起来。改性机理如图 3 所示： SiCH3hyperbanchedolcosil OOHC2HC3OOCH23OHHC2HC3O SiCH3lClMeHSiCl2Karstd 超 支 化聚 硅 碳 烷 超 支 化聚 硅 碳 烷 超 支 化 聚 硅 碳 烷 hyperbanchedolcosilhyperbanche
10、dolcosil图 3 超支化聚硅碳烷的端基改性Fig. 3 Modification of the end group of hyperbranched polycarbosilane IR: -OH 的特征吸收峰 (characteristic absorption peak) 3465 cm 1; Si-C 的特征吸收峰(characteristic absorption peak) 812 cm 1; -CH=CH2 的特征吸收峰 (characteristic absorption peak) 1632 cm 1 处的峰已经基本消失(characteristic absorption
11、 peak has basically disappeared).在四口瓶中加入 5.61 g 第二代超支化聚硅碳烷，0.1 g Karstedt-四氢呋喃溶液；缓慢滴加甲基氢二氯硅烷和四氢呋喃混合溶液，室温反应 12 h；再将适量 HP-CD 溶解于 150 mL 四氢呋喃，用恒压滴液漏斗在 3 h 内加入，室温反应 3 h，减压蒸馏除去溶剂，得白色沉淀物，制得 HP-CD 改性第二代超支化聚硅碳烷（G2-HP-CD） 。同理的方法，制得 HP-CD 改性第三代超支化聚硅碳烷（G3-HP-CD） 。2.5 物理吸附涂层柱的制备称取 4.13 g G2-HP-CD，加入 200 g DMF 溶
12、解。使用涂柱装置将该溶液加入到预处理后的毛细管中，使用水玻璃封口，于 160 下反应 2 h。取出柱子，分别使用甲醇与二次水冲洗各 15 min。将制备的涂层柱置于气相色谱炉内，在 0.1 MPa 的氮气流下，先于 50 恒温 30 min，然后程序升温（1 /min）到 150 ，在该温度下保持 3 h。同样方法，制备 G3-HP-CD 物理吸附涂层柱。 2.6 电泳条件工作电压 16 kV，40 mmol/L 磷酸盐缓冲液（pH=3.0） ，UV 检测波长为 214 nm，10 cm/7s 位差进样，0.1 g/L 的分离样品溶液，毛细管为长 55 cm、内径 75 m，所有溶剂和溶液均以
13、 0.45 m 纤维滤膜过滤，于超声波清洗器中脱气 10 min。3 结果与讨论3.1 物理吸附涂覆毛细管柱 SEM 图片为了考察物理吸附涂覆毛细管柱涂层情况，采用扫描电镜（SEM）拍照观察。由于分离用毛细管直径狭小，无法对毛细管内壁涂层进行直观有效的表征，因此采用外壁涂敷。选择与分离用毛细管内壁材料完全相同的石英玻璃管，使用与毛细管内壁涂敷完全相同的方法，对石英玻璃管进行外壁涂敷。用此方法模拟毛细管内壁的涂敷，并且对所涂敷的石英玻璃管外壁进行 1000 倍扫描电镜拍照，通过模拟不同分离条件，间接表征毛细管内壁涂层的情况。图 4 未涂覆的玻璃管壁Fig.4 Uncoated capillary
14、图 5 物理吸附法涂覆 G2-CD 的玻璃管表面Fig.5 Surface of capillary coated by physical adsorption with G2-CD由图 4 和图 5 可以明显看到，与未涂覆的裸管相比，涂覆了超支化聚硅碳烷的玻璃管表面有了一层明显的致密的膜状物质，达到理想涂敷效果。为了模拟连续进样后毛细管柱的分离效果，进行了浸泡实验，将物理吸附涂覆后的玻璃管柱放在与分离条件相同的磷酸盐缓冲溶液中浸泡 8 h，模拟连续进样的冲刷浸泡，对实验后的玻璃管进行电镜扫描，如图 6。图 6 物理吸附涂层浸泡 8 h 后的玻璃管表面Fig.6 Surface of capi
15、llary coated by physical adsorption was immersed within 8 h 从浸泡 8 h 后的 1000 倍 SEM 图片（图 6）可以看出，玻璃管被聚合物覆盖的表面积对比浸泡前的基本没有变化，玻璃管表面 95%以上的部分被聚合物涂层所覆盖。图 5 和图 6 可以证明，通过物理吸附涂覆方式制备的毛细管涂层可以对毛细管内壁起到非常好的涂覆效果，并且该涂层在 40 mmol/L 磷酸盐缓冲溶液（pH=3.0）中非常稳定，浸泡 8 h 后，涂层损失很小。从直观上证明了物理吸附涂层柱具有优越的稳定性和使用寿命长的特点。3.2 物理吸附涂层毛细管柱分离氧氟沙
16、星和扑尔敏对映体为了考察物理吸附涂层柱的分离柱效，实验对氧氟沙星和扑尔敏对映异构体进行了分离探讨，其中在对氧氟沙星的手性分离中，通过左旋氧氟沙星标准试剂的添加实现了左右消旋体的辨别，结果见图 7、图 8 和表 1。HP-CD 改性超支化聚硅碳烷物理吸附涂层柱对氧氟沙星对映体的分离效果很理想，基本上达到了基线分离，最高分离度达到了 1.81，理论塔板数均超过 4.50104 plates/m；对扑尔敏的分离效果也比较理想，分离度为 0.91。图 7 HP-CD 改性超支化聚硅碳烷物理吸附涂层毛细管柱分离氧氟沙星Fig.7 Separation of ofloxacin by capillary
17、modified by physical adsorption of hyperbranched polycarbosilane with HP-CDa：G2-HP-CD 涂层柱（coated column） ，b：G3-HP-CD 涂层柱（coated column） ；1：S- Ofloxacin，2：R- Ofloxacin 图 8 HP-CD 改性超支化聚硅碳烷物理吸附涂层毛细管柱分离扑尔敏Fig.8 Separation of chlorpheniramine by capillary modified by physical adsorption of hyperbranched
18、polycarbosilane with HP-CDa：G2-HP-CD 涂层柱（coated column） ，b：G3-HP-CD 涂层柱（coated column）表 1 不同物理吸附涂层柱对异构体分离效果的影响Table 1 Influence of the separation effect by different columns氧氟沙星(Ofloxacin) 扑尔敏(Chlorpheniramine)毛细管柱（Capillary column）分离度（Resolution）理论塔板数N（plates/m）分离度（Resolution）理论塔板数N（plates/m）空白柱 (B
19、lank) - - - -G2-HP-CD 1.81 4.68104 0.91 3.82104G3-HP-CD 1.78 4.78104 0.83 3.851043.3 进样次数对涂层性能的影响研究为了考察所制备的 HP-CD 改性超支化聚硅碳烷物理吸附涂层的稳定性，采用 G2-HP-CD 物理吸附涂层毛细管柱，在 pH=3.0 条件下分离氧氟沙星与扑尔敏手性对映体，测试连续进样 100 次后，柱效能变化如表 2：表 2 氧氟沙星与扑尔敏进样次数对分离效果的影响Table2 Influence of the running number of Ofloxacin and Chlorphenir
20、amine样品（Sample ）进样次数(Running number)理论塔板数N（plates/m ）分离度（Resolution）N 下降率（%）(N decline rate)1 4.68104 1.81 50 4.21104 1.15 10.04氧氟沙星（Ofloxacin）100 4.09104 1.09 12.601 3.82104 0.91 50 3.51104 0.71 6.70扑尔敏（Chlorpheniramine ）100 3.25104 0.82 14.9从表 2 可以看出，毛细管柱连续运行 100 次后的柱效能下降不到 15%，分离度变化也不大，这主要是因为超支化聚
21、硅碳烷大分子的硅碳主链耐热和耐酸碱性能优异，与环糊精键合形成的硅氧键在酸碱条件下比较稳定，保证了涂层毛细管柱的长时间运行，从而说明制备的毛细管涂层柱具有较好的重现性和较长的使用寿命。 4 结论通过物理吸附的方法将 HP-CD 改性后的超支化聚硅碳烷涂覆于毛细管内表面，制备了一种运行稳定，使用寿命长且拆分效果好的毛细管涂层柱。该涂层利用超支化聚硅碳烷溶液粘度低且含大量外端基团的独特三维空间结构特点，再加上其良好的热稳定性，克服了传统聚合物作为涂层材料时粘度大且易于堵塞的缺点，从而实现了对手性分子的更好更快地分离，其中在 pH=3.0 时，对氧氟沙星对映体的分离中，理论塔板数和分离度分别达到了 4
22、.68104 plates/m 和 1.81。在以后的研究中，我们可以优化制柱方法，拓宽应用领域，把修饰的对象转移到毛细管电泳芯片上来，通过提高分析通量，以进一步提高系统对复杂样品的分离分析能力，推动生化分析、蛋白质组研究、手性药物研究领域的快速发展。References：1. Liu Z, Wu R A, Zou H F. Electrophoresis, 2002, 23(22): 395439722. WEI Wei（魏伟） ，WANG Yi-Ming（王义明） ，LUO Guo-An（罗国安） ，YAN Chao（闫超）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化学） ，1
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27、, LIN Dong, YANG Wen, LIU Bing, SHOU Chong-Qi*(School of Chemistry and Chemical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022)Abstract: A series of hyperbranched polycarbosilanes were synthesized and coated on the inner surface of fused-silica capillaries by physical adsorption. The terminational g
28、roups of the hyperbranched polycarbosilanes were modified with 2-O-(2-hydroxypropyl)-CD. The optimal separation conditions were the running voltage of 16 kV, the UV detector wavelength of 214 nm, the sample injected time of 7 s and the phosphate buffer solution concentration of 40 mmol/L. Under the
29、optimum conditions, the separation performance of this chiral capillary electrophoresis column for the two chiral isomers ofloxacin and chlorpheniramine was studied and the stability of column was investigated. . The results showed that the column efficiency was 4.68104 plates/m with a resolution of
30、 1.81 when ofloxacin was separated at pH 3.0. After injection 100 times, there were little changes in resolution, theoretical plate number was reduced by less than 15%, and the satisfactory results of each performance column were obtained.Keywords: Hyperbranched polycarbosilanes; modification; physical coating; capillary electrophoresis column; chiral separation联系人：寿崇琦联系电话：0531-82767867Email：
