一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱及其制备方法

1.本发明涉及分析化学技术领域，尤其涉及一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱及其制备方法。


背景技术：

2.近年来随着对生命科学领域的深入研究，超小体积珍贵样品的分离分析成为人们关注的热点，例如单细胞、亚细胞分析等。因此，发展超微量样品分析的方法对超小尺寸和体积的分析物的研究是有重要意义的。高效液相色谱(highperformance liquid chromatography，hplc)作为一种相对高分辨率和高效分离的技术，已经成为生物样品检测、食品分析和环境治理等研究中不可缺少的重要工具。但是传统hplc使用的色谱柱尺寸大，样品消耗量多。为了减少样品的消耗，用于超小体积样品的分析，在这种情况下，色谱柱微型化成为重要的发展方向，这使得窄内径毛细管柱的研究受到了广泛关注。
3.窄内径毛细管柱根据制备方式的不同分为整体柱、填充柱和开管柱。整体柱是具有三维多孔整体结构的色谱柱，填充柱是将微小颗粒填充在具有柱塞的毛细管中制备的色谱柱，而窄内径开管柱是一种中空的色谱柱，与整体柱和填充柱相比，它具有稳定性好、背压低和渗透性强的优点，近年来被广泛应用于dna、蛋白质等生物样品的分离分析。根据色谱柱有无固定相，将开管柱分为裸毛细管柱和固定相修饰的开管柱。裸毛细管开管柱不需要任何修饰，但分析对象少，因此在其基础上提出了作用位点多、分析物质种类广以及柱子表面性质可调的固定相修饰的开管柱。
4.目前，纤维形二氧化硅纳米粒子具有中心辐射状孔道结构，与传统的二氧化硅纳米颗粒相比具有比表面积大、有开放孔道等优点，在实际吸附分离应用中能够提供更多有效吸附位点且孔道不易堵塞，是一种更具潜力的吸附剂载体，已成为当前研究的热点。
5.因此，如何在窄内径毛细管内原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子对超小体积样品的分离分析具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱及其制备方法，解决现有技术提供的毛细管开管柱对于样品消耗较大的问题。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
8.本发明提供了一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)将毛细管一端置于反应液中，另一端置于水中，在保护气体驱动和加热条件下，在毛细管内壁修饰纤维形二氧化硅纳米粒子；
10.(2)将步骤(1)的毛细管清洗和干燥，得到原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱；
11.其中，所述步骤(1)中反应液的制备方法，包括以下步骤：
12.将十六烷基三甲基溴化铵、尿素和水混合后加入环己烷和异丙醇，超声处理5～15min，再加入正硅酸乙酯，搅拌20～50min，得到反应液。
13.优选的，在上述一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法中，所述步骤(1)中毛细管在使用前还需进行预处理，预处理的方法为：将毛细管用0.1～1mol/l的naoh清洗1～2h，再依次用水、甲醇分别冲洗10～60min，最后用氮气吹干1～2h。
14.优选的，在上述一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法中，所述步骤(1)中毛细管的内径小于10μm。
15.优选的，在上述一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法中，所述反应液的制备方法中，十六烷基三甲基溴化铵、尿素、正硅酸乙酯和水的质量体积比为0.25～0.6g：0.3～0.7g：1.25～3g：10～20ml；水、环己烷和异丙醇的体积比为10～20：10～20：0.3～0.5。
16.优选的，在上述一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法中，所述步骤(1)中保护气体驱动的方法为：将保护气体连续通入反应液中；保护气体为氮气，保护气体的气压为50～300psi。
17.优选的，在上述一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法中，所述步骤(1)中加热的温度为60～80℃，加热的时间为15～17h。
18.优选的，在上述一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法中，所述步骤(2)中清洗和干燥的方法为：依次用水、乙醇分别冲洗10～60min，用氮气吹干1～2h。
19.优选的，在上述一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法中，所述步骤(2)中清洗和干燥后还包括重复进行步骤(1)和步骤(2)1～3次。
20.本发明还提供了一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法制得的一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.本发明通过在窄内径毛细管内壁修饰二氧化硅纳米粒子，可增加柱内比表面积，相对于裸毛细管能够增多被分析物与管内壁的相互作用位点，且二氧化硅纳米粒子与内壁结合稳定、柱间重复性好、对超小体积样品分离能力强。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
24.图1为连续流反应装置图；
25.其中，1-氮气瓶；2-连接管；3-毛细管；4-进样舱；5-样品管；6-收集舱；7-回收管；8-垫片；9-烘箱；
26.图2为实施例1的毛细管的sem图；
27.图3为实施例1的纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱横截面的sem图；
28.图4为实施例1的纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱横截面局部放大的sem图；
29.图5为实施例2的纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱横截面的sem图；
30.图6为实施例2的纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱横截面局部放大的sem图；
31.图7为对比例1的基于玻璃片的纤维形二氧化硅纳米粒子的sem图；
32.图8为对比例1的基于玻璃片的纤维形二氧化硅纳米粒子的tem图；
33.图9为实施例1的毛细管和纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱分离小分子的色谱图。
具体实施方式
34.本发明提供一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法，包括以下步骤：
35.(1)将毛细管进行预处理；
36.(2)将毛细管一端置于反应液中，另一端置于水中，在保护气体驱动和加热条件下，在毛细管内壁修饰纤维形二氧化硅纳米粒子；
37.(3)将步骤(2)的毛细管清洗和干燥，得到原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱；
38.其中，步骤(2)中反应液的制备方法，包括以下步骤：
39.将十六烷基三甲基溴化铵、尿素和水混合后加入环己烷和异丙醇，超声处理5～15min，再加入正硅酸乙酯，搅拌20～50min，得到反应液。
40.在本发明中，步骤(1)中预处理的方法优选为：将毛细管用0.1～1mol/l的naoh清洗1～2h，再依次用水、甲醇分别冲洗10～60min，最后用氮气吹干1～2h；进一步优选的，naoh的浓度为0.2～0.8mol/l，naoh清洗的时间为1.3～1.9h，水、甲醇分别冲洗的时间为24～52min，氮气吹干的时间为1.1～1.9h；更优选的，naoh的浓度为0.6mol/l，naoh清洗的时间为1.5h，水、甲醇分别冲洗的时间为43min，氮气吹干的时间为1.8h。
41.在本发明中，步骤(1)中毛细管的内径优选为小于10μm，进一步优选为小于8μm，更优选为小于6μm。
42.在本发明中，反应液的制备方法中，十六烷基三甲基溴化铵、尿素、正硅酸乙酯和水的质量体积比优选为0.25～0.6g：0.3～0.7g：1.25～3g：10～20ml，进一步优选为0.26～0.57g：0.4～0.6g：1.34～2.9g：12～19ml，更优选为0.48g：0.52g：2.4g：17ml；水、环己烷和异丙醇的体积比优选为10～20：10～20：0.3～0.5，进一步优选为12～16：12～17：0.34～0.46，更优选为14：13：0.39；超声处理的时间优选为5～15min，进一步优选为6～13min，更优选为11min；搅拌的时间优选为20～50min，进一步优选为25～45min，更优选为37min；搅拌的速度优选为500～1200rpm，进一步优选为520～1130rpm，更优选为1090rpm。
43.在本发明中，步骤(2)中保护气体驱动的方法优选为：将保护气体连续通入反应液中；保护气体优选为氮气；保护气体的气压优选为50～300psi，进一步优选为100～200psi，更优选为100psi。
44.在本发明中，步骤(2)中加热的温度优选为60～80℃，进一步优选为62～79℃，更优选为74℃；加热的时间优选为15～17h，进一步优选为15.5～16.5h，更优选为16h。
45.在本发明中，步骤(3)中清洗和干燥的方法优选为：依次用水、乙醇分别冲洗10～
60min，用氮气吹干1～2h；进一步优选的，水、乙醇分别冲洗的时间为27～56min，氮气吹干的时间为1.2～1.9h；更优选的，水、乙醇分别冲洗的时间为44min，氮气吹干的时间为1.3h。
46.在本发明中，步骤(3)中清洗和干燥后优选的还包括重复进行步骤(2)和步骤(3)1～3次，进一步优选为2次。
47.本发明还提供一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法制得的一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱。
48.在本发明中，通过naoh活化暴露毛细管表面的硅羟基，毛细管表面与要生长的二氧化硅纳米粒子是同质的，毛细管表面的二氧化硅为纳米粒子的生长提供了晶种的作用，降低了表面能，使二氧化硅纳米粒子能原位生长于毛细管表面。
49.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.实施例1
51.本实施例提供一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法，包括以下步骤：
52.(1)预处理：截取长40cm、内径5μm的具有聚酰亚胺涂层的熔融石英毛细管(下称毛细管)，将毛细管用1mol/l的naoh清洗2h，再依次用水、甲醇分别冲洗30min，最后用氮气吹干1h；
53.(2)生长纤维形二氧化硅纳米粒子：在图1所示的连续流反应装置中，将注满反应液的样品管5通过垫片8密封于进样舱4中，将注满水的回收管7通过垫片8密封于收集舱6中，将毛细管3的两端分别插入样品管5和回收管7的液面以下，将连接管2的两端分别连接氮气瓶1和样品管5，控制氮气的气压为100psi，连续通入氮气，使反应液在毛细管3内以连续流的状态在70℃的烘箱9中反应16h；
54.(3)反应结束后，将毛细管依次用水、乙醇分别冲洗30min，用氮气吹干1h，然后再次重复步骤(2)和(3)2次，得到原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱。
55.其中，步骤(2)中反应液的制备方法，包括以下步骤：
56.将0.05g十六烷基三甲基溴化铵、0.06g尿素和1.5ml水混合，超声处理10min，加入1.5ml环己烷和46μl异丙醇，超声处理15min，再滴加0.25g正硅酸乙酯，室温下于1000rpm搅拌30min，得到反应液。
57.实施例2
58.本实施例提供一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法，包括以下步骤：
59.(1)预处理：截取长20cm、内径2μm的具有聚酰亚胺涂层的熔融石英毛细管(下称毛细管)，将毛细管用1mol/l的naoh清洗2h，再依次用水、甲醇分别冲洗30min，最后用氮气吹干2h；
60.(2)生长纤维形二氧化硅纳米粒子：在图1所示的连续流反应装置中，将注满反应液的样品管5通过垫片8密封于进样舱4中，将注满水的回收管7通过垫片8密封于收集舱6中，将毛细管3的两端分别插入样品管5和回收管7的液面以下，将连接管2的两端分别连接
氮气瓶1和样品管5，控制氮气的气压为200psi，连续通入氮气，使反应液在毛细管3内以连续流的状态在70℃的烘箱9中反应16h；
61.(3)反应结束后，将毛细管依次用水、乙醇分别冲洗30min，用氮气吹干1h，然后再次重复步骤(2)和(3)2次，得到原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱。
62.其中，步骤(2)中反应液的制备方法，包括以下步骤：
63.将0.03g十六烷基三甲基溴化铵、0.04g尿素和1.5ml水混合，超声处理10min，加入1.5ml环己烷和46μl异丙醇，超声处理10min，再滴加0.17g正硅酸乙酯，室温下于1000rpm搅拌30min，得到反应液。
64.实施例3
65.本实施例提供一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法，包括以下步骤：
66.(1)预处理：截取长50cm、内径5μm的具有聚酰亚胺涂层的熔融石英毛细管(下称毛细管)，将毛细管用0.8mol/l的naoh清洗1.3h，再依次用水、甲醇分别冲洗20min，最后用氮气吹干1h；
67.(2)生长纤维形二氧化硅纳米粒子：在图1所示的连续流反应装置中，将注满反应液的样品管5通过垫片8密封于进样舱4中，将注满水的回收管7通过垫片8密封于收集舱6中，将毛细管3的两端分别插入样品管5和回收管7的液面以下，将连接管2的两端分别连接氮气瓶1和样品管5，控制氮气的气压为50psi，连续通入氮气，使反应液在毛细管3内以连续流的状态在65℃的烘箱9中反应15h；
68.(3)反应结束后，将毛细管依次用水、乙醇分别冲洗60min，用氮气吹干1h，然后再次重复步骤(2)和(3)2次，得到原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱。
69.其中，步骤(2)中反应液的制备方法，包括以下步骤：
70.将0.06g十六烷基三甲基溴化铵、0.06g尿素和1.8ml水混合，超声处理10min，加入1.4ml环己烷和47μl异丙醇，超声处理11min，再滴加0.26g正硅酸乙酯，室温下于900rpm搅拌42min，得到反应液。
71.实施例4
72.本实施例提供一种原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的制备方法，包括以下步骤：
73.(1)预处理：截取长50cm、内径5μm的具有聚酰亚胺涂层的熔融石英毛细管(下称毛细管)，将毛细管用1mol/l的naoh清洗2h，再依次用水、甲醇分别冲洗60min，最后用氮气吹干2h；
74.(2)生长纤维形二氧化硅纳米粒子：在图1所示的连续流反应装置中，将注满反应液的样品管5通过垫片8密封于进样舱4中，将注满水的回收管7通过垫片8密封于收集舱6中，将毛细管3的两端分别插入样品管5和回收管7的液面以下，将连接管2的两端分别连接氮气瓶1和样品管5，控制氮气的气压为300psi，连续通入氮气，使反应液在毛细管3内以连续流的状态在80℃的烘箱9中反应17h；
75.(3)反应结束后，将毛细管依次用水、乙醇分别冲洗50min，用氮气吹干2h，然后再次重复步骤(2)和(3)3次，得到原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱。
76.其中，步骤(2)中反应液的制备方法，包括以下步骤：
77.将0.029g十六烷基三甲基溴化铵、0.07g尿素和2ml水混合，超声处理10min，加入2ml环己烷和50μl异丙醇，超声处理10min，再滴加0.3g正硅酸乙酯，室温下于700rpm搅拌50min，得到反应液。
78.对比例1
79.为进一步验证实施例1的步骤(2)制得的纤维形二氧化硅纳米粒子的形貌，本对比例提供一种基于玻璃片的纤维形二氧化硅纳米粒子，其制备方法包括以下步骤：
80.(1)预处理：将玻璃片(材质与实施例1的毛细管相同)依次用去污粉、去离子水、乙醇清洗除去表面杂质，然后用1mol/l的naoh清洗2h，再依次用水、甲醇分别冲洗30min，最后用烘箱干燥1h；
81.(2)生长纤维形二氧化硅纳米粒子：将玻璃片浸入实施例1的反应液中，于70℃的烘箱中反应16h；
82.(3)反应结束后，将玻璃片依次用水、乙醇分别冲洗30min，用烘箱干燥1h，得到基于玻璃片的原位生长纤维形二氧化硅纳米粒子。
83.将实施例1和2制备的毛细管开管柱进行sem表征，结果如图2～6所示。由图2～6可知，未生长二氧化硅的毛细管(图2)的内表面较为光滑，生长二氧化硅后的毛细管开管柱(图3和图5)内壁上存在一层尺寸较为均匀的颗粒状固定相，通过局部放大图(图4和图6)可以测量到纤维形二氧化硅纳米粒子的粒径约为70
±
2nm或80
±
2nm。上述结果表明通过本实施例的方法可以在窄内径毛细管中以原位生长的方法制备纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱。
84.将对比例1制备的基于玻璃片的纤维形二氧化硅纳米粒子进行sem和tem表征，结果如图7～8所示。由图7～8可知，玻璃片表面具有形状均匀的球形胶粒，并且球体表面出现不规则的孔隙结构，有着开放的通道；通过tem图，该胶粒具有纤维结构，呈放射状从粒子中心发散，并均匀地分布在各个方向，进一步说明本发明制备的二氧化硅纳米粒子为纤维形。
85.将实施例1制备的毛细管开管柱进行色谱性能分析，具体方法为：
86.分别考察三种中性小分子(尿嘧啶、甲苯、萘)混合物样品在实施例1的毛细管和实施例1的毛细管开管柱上的分离行为。缓冲溶液为体积比为50％的甲醇/水，紫外检测波长为220nm，进样压力为50psi，进样时间为3s，在300psi压力驱动下连续洗脱。色谱分离结果如图9所示，毛细管开管柱的柱间重现性和分离能力结果如表1所示。
87.由图9可知，混合物样品在毛细管中色谱峰重合，无法实现分离，而在纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱中约3min实现了样品的高效分离。
88.表1毛细管开管柱的柱间重现性和分离能力结果
[0089][0090]
注：平均值(avg)，相对标准偏差(rsd％)。
[0091]
由于尿嘧啶在反相色谱中是非保留化合物，因此不做评价。由表1可知，通过理论塔板数(n)、保留因子(k)和分离度(rs)对纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱的柱间重现性进行评估，从数据中可以看出，n、k和rs的相对标准偏差(rsd)都不大于6.3％，表明色谱柱的重复性较好。此外，相邻两个峰的rs的平均值为5.75，说明了纤维形二氧化硅纳米粒子毛细管开管柱进行色谱分析时对样品具有良好的分离能力。
[0092]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。