一种银纳米颗粒-乳糖键合硅胶富水色谱固定相及其制备方法

摘要

本发明公开了一种银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相及其制备方法。该银纳米-乳糖键合硅胶富水色谱固定相的结构通式如式I所示。其制备方法包括：先在硅胶表面引入双键，然后以丙烯酰氯为单体，通过聚合反应在硅胶表面形成一层带有酰氯的网状结构；再在4-二甲氨基吡啶和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐催化下，将羧基化银纳米颗粒固定在乳糖分子上；最后将银纳米修饰的乳糖固定于硅胶表面的网状结构中，即得。本发明制备过程简单，性质稳定，适用范围广。同时，该固定相结构新颖，在富水色谱模式下，对极性食品添加剂和非法添加物有较强的分离能力，重复性和稳定性较好。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种液相色谱固定相的制备方法，具体涉及一种银纳 米颗粒-乳糖键合硅胶固定相及其制备方法。

背景技术

食品添加剂是现代食品工业的重要组成部分。目前，因食品添加剂的使用所引起 的食品安全事件也屡见不鲜，成为最近人们众说纷纭、持续关注的话题。食品添加剂 并非是直接影响食品安全的罪魁祸首，只有当食品添加剂的超范围、超量使用或使用 非食用物质等非法添加才会引发食品安全隐患。无论是食品添加剂还是非法添加物， 绝大部分是小分子化合物，按其化学性质可划分为强极性、中等极性和弱极性三类。 这三类物质中，大部分弱极性和中等极性的化合物可以用反相色谱来分离。但是反相 色谱对极性食品添加剂和非法添加物无法保留或者保留很弱。虽然可以使用正向色谱 来分析，但是正相色谱通常使用非极性溶剂做流动相，极性的分析物很难溶解于非极 性的流动相。因此，分离极性食品添加剂和非法添加物的主要手段是亲水作用色谱 (Bernal J.,et al,Journal of Chromatography A,2011,1218,7438-7452；Palma S.D.,et al, Analytical Chemistry,2011,83(21),8352-8356)。

但是，无论正相、反相还是亲水色谱，经常需要使用大量的有机溶剂，这不仅会 污染环境，而且对技术人员本身都会造成一定的伤害。为了解决这个问题，富水液相 色谱应运而生(Gritti F.,et al,Journal of Chromatography A,2010,1217,683-688)。这是一 种绿色的色谱分离技术，它继承了亲水作用色谱的优点，可以替代亲水作用色谱来实 现极性化合物的分析与分离；而且在富水液相色谱模式中，流动相水含量通常大于90％， 这极大的减少有机溶剂的使用，既保护了环境，又减少对技术人员的身体伤害，还可 以大大的降低检测成本，一举多得(Hartonen K.,Riekkola M.J.Trends in Analytical  Chemistry,2008,27,1-14；Li Y.Y.,et al,AnalyticaChimicaActa,2012,726,102-108)。

富水液相色谱模式中，需要使用高比例的水作流动相。但是，传统的固定相，例 如C18，长时间在富水流动相中使用后，柱效会严重下降，特别是当有硅羟基裸露的 时候，而且分离复杂极性化合物的能力较弱。为了解决上述问题，纳米材料和乳糖引 入到色谱填料中，用于改善传统色谱填料的性能。纳米材料比表面积大，传质效率高， 在气相色谱、液相色谱和电色谱分析中，纳米材料固定相对分析物均显示出优异的分 离选择性和分离效率(Farooq Wahab M.,et al,Analytical Chemistry,2013,85(12), 5684-5691；Wu J.H.,et al,Journal of Chromatography A,2011,1218:2944-2953)。乳糖是 一种双糖，英文名称为Lactose；由一分子β-D-半乳糖和一分子α-D-葡萄糖在β-1，4- 位形成糖苷键相连，在水中有良好的稳定性和溶解性，将其修饰在硅胶外表面会增加 固定相的亲水性和稳定性。目前，国内外的文献对于富水液相色谱的报道非常少，此 类固定相的种类还十分有限，面对复杂的分离体系，欲实现复杂样品的有效分离，必 须研发更多新型的、分离效能较高的并且具有良好稳定性的富水液相色谱固定相。

发明内容

本发明的目的是提供一种银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相及其制备方法。

本发明提供的银纳米颗粒-乳糖键合硅胶富水色谱固定相，如式I所示，

所述式I中，●-代表银纳米颗粒，n＝1-20的整数，具体为6-10的整数。

本发明还提供了制备所述银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相的方法，包括如下步骤：

将银纳米颗粒修饰的乳糖分散于无水N,N-二甲基甲酰胺中，再加入聚丙烯酰氯硅 胶，在氮气保护下进行取代反应，反应完毕得到所述银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相。

上述方法中，所述聚丙烯酰氯硅胶中的硅胶为球形硅胶，直径为4-6μm，孔径 10-50nm，比表面积300-500m²/g；

所述银纳米颗粒修饰的乳糖与DMF的用量比为1g：50-100mL；

所述银纳米颗粒修饰的乳糖与聚丙烯酰氯硅胶的质量比为0.5：1-2；

所述取代反应步骤中，温度为55-65℃，具体为60℃，时间为10-30小时，具体 为20小时。

其中，所述银纳米颗粒修饰的乳糖是按照包括如下步骤的方法制备而得：

将羧基化的银纳米颗粒分散于无水N,N-二甲基甲酰胺中，加入催化剂搅拌3-5小 时后，再加入乳糖，室温搅拌反应12-24小时后加入无水乙醇沉淀，然后在5000-8000 转/分的转速下离心5-10分钟，冷冻干燥而得；

其中，所述催化剂为4-二甲氨基吡啶和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐 酸盐；所述4-二甲氨基吡啶和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐的质量比 为1：2；

所述羧基化的银纳米颗粒与DMF的用量比具体为100mg：50-100mL；

所述乳糖与羧基化的银纳米颗粒的质量比具体为1：0.1-0.3；

所述羧基化的银纳米颗粒、4-二甲氨基吡啶和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二 亚胺盐酸盐的质量比具体为1：0.05-0.5：0.1-1。

作为原料的所述羧基化的银纳米颗粒是按照包括如下步骤的方法制备而得：

将银纳米颗粒分散到超纯水中，再加入巯基乙酸，室温搅拌反应12-24小时，然 后在10000-12000转/分的转速下离心10分钟，40-60℃干燥而得；

其中，所述银纳米颗粒为球形，粒径具体为10-100nm；

所述银纳米颗粒与超纯水的用量比具体为100mg：50-100mL；

所述银纳米颗粒与巯基乙酸的用量比具体为100mg：5-10μL。

另外，所述聚丙烯酰氯硅胶是按照包括如下步骤的方法制备而得：

1)将预处理过的硅胶分散于无水甲苯中，再加入带双键的硅烷化试剂，在氮气 保护下回流搅拌12-36小时，反应完毕得到双键修饰的硅胶；

2)将步骤1)所得双键修饰的硅胶分散于无水N,N-二甲基甲酰胺中，再加入丙 烯酰氯和引发剂，在氮气保护下进行聚合反应而得。

上述方法的步骤1)中，带双键的硅烷化试剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三 乙氧基硅烷或3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷；

所述预处理过的硅胶与无水甲苯和硅烷化试剂的用量比为1g：10-50mL： 0.5-2.0mL；

所述步骤2)中，所述引发剂为偶氮二异丁腈；

所述双键修饰的硅胶、无水N,N-二甲基甲酰胺的用量比为1g：10-50mL；

所述双键修饰的硅胶与丙烯酰氯的用量比为1g：0.5-1.0mL；

所述丙烯酰氯与引发剂的用量比为1mL：0.005-0.02g；

所述步骤2)中，温度为60-70℃，具体为65℃，时间为24-48小时。

另外，所述步骤1)预处理步骤包括如下步骤：将硅胶分散在3mol/L的盐酸中， 回流10-12小时，然后用超纯水洗至中性，120-150℃真空干燥12-24小时。

上述本发明提供的银纳米颗粒-乳糖键合硅胶富水色谱固定相的合成路线如下所 示：

其中，●-代表银纳米颗粒，n＝1-20的整数。

另外，上述本发明提供的银纳米颗粒-乳糖键合硅胶富水色谱固定相在分离极性物 质或非法添加物中的应用，也属于本发明的保护范围。其中，所述极性物质为极性食 品添加剂，具体为由磺胺间二甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲氧哒嗪、磺胺甲基嘧 啶和磺胺嘧啶组成的混合物I或由对氨基苯酚、对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚和苯 酚组成的混合物II；

所述分离具体为将所述混合物I或混合物II中的各组分相互分离。

本发明有如下优点：

1.结构新颖。本发明合成的固定相将银纳米颗粒-乳糖固定在硅胶表面的网状结构 中，结合了纳米颗粒的高比表面积和优异的选择性以及乳糖在水溶液中较好的溶解性 和稳定性，对极性小分子物质具有良好的选择性和分离能力。

2.保护环境。流动相主要以高比例的超纯水为主，既保护了环境，符合可持续发 展理念，还可以大大的降低检测成本，有利于参与市场竞争。

3.应用范围广。本发明提供的固定相可作为富水色谱分离材料，广泛用于分离食 品中各类极性添加剂和非法添加物，具有重要的应用价值。

附图说明

图1为1-磺胺间二甲氧嘧啶，2-磺胺二甲嘧啶，3-磺胺甲氧哒嗪，4-磺胺甲基嘧 啶，5-磺胺嘧啶的色谱分离图。

图2为1-对氨基苯酚，2-对苯二酚，3-邻苯二酚，4-间苯二酚，5-苯酚的色谱分离 图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所 述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而 得。

实施例1

1).硅胶表面引入双键官能团

硅胶为球形硅胶，直径为5μm，孔径10nm，比表面积380m2/g。将4g预处理过 的硅胶分散于120mL无水甲苯中，加入3.2mL乙烯基三甲氧基硅烷，在氮气保护下， 回流搅拌24小时，然后用砂芯漏斗过滤，依次用二氯甲烷，丙酮，甲醇洗涤，最后真 空干燥箱中50℃干燥24小时，既得双键修饰的硅胶。

2).聚丙烯酰氯硅胶的合成

将4g双键修饰的硅胶分散于120mL无水N,N-二甲基甲酰胺中，再加入2.8mL 丙烯酰氯和0.028g偶氮二异丁腈；在氮气保护下，65℃反应48小时。然后用砂芯漏 斗过滤，依次用二氯甲烷、丙酮和甲醇洗涤，然后60℃真空干燥12小时，即得表面 修饰聚丙烯酰氯的硅胶。

3).银纳米颗粒的羧基化

银纳米颗粒的粒径为10-20nm。将400mg银纳米颗粒分散到200mL超纯水中， 32μL巯基乙胺加入到其中，室温搅拌反应24小时。在12000转/分的转速下离心10 分钟，50℃真空干燥得到羧基功能化的银纳米颗粒。

4).银纳米颗粒修饰的乳糖的制备

将400mg羧基功能化的银纳米颗粒分散于280mL无水N,N-二甲基甲酰胺中，加 入80mg4-二甲氨基吡啶和160mg1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐，搅 拌4小时后，再加入2g乳糖，室温搅拌反应24小时；浓缩后加入无水乙醇进行沉淀， 然后6000转/分的转速下离心10分钟，冷冻干燥，得到银纳米颗粒修饰的乳糖。

5).银纳米颗粒-乳糖键合硅胶富水色谱固定相的制备

将2g银纳米颗粒修饰的乳糖分散于100mL无水N,N-二甲基甲酰胺中，再加入4 g聚丙烯酰氯硅胶，在氮气保护下，60℃反应20小时。冷却至室温，然后用砂芯漏 斗过滤，依次用超纯水和甲醇洗涤，然后50℃真空干燥12小时，即得银纳米-乳糖 键合硅胶固定相。

该银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相的结构确认结果如下：

通过傅里叶红外光谱仪(FT-IR)研究了固定相表面化学结构变化。与硅胶相比，双 键修饰的硅胶在1630cm^-1处出现了一个新的弱吸收峰，这是C＝C的伸缩振动峰；与 双键修饰的硅胶相比，1770cm^-1处出现了一个新的强吸收峰，这是由于表面修饰聚丙 烯酰氯的硅胶上的聚合物的重复单元中有大量的羰基，从而引起C＝O的伸缩振动；与 银纳米颗粒相比，羧基功能化的银纳米颗粒在1680cm^-1附近出现了新的强吸收峰，这 是羧酸中C＝O的伸缩振动峰；而银纳米颗粒修饰的乳糖中，羧基与乳糖中的羟基发生 酯化反应，C＝O的伸缩振动峰由1680cm^-1附近向高位移动，到1750cm^-1附近，这是 酯键中C＝O的特征吸收，而且在2920cm^-1和1150cm^-1附近也出现了C—H和C—O 的伸缩振动峰，这些均是乳糖的特征吸收峰；最后，银纳米-乳糖键合硅胶固定相的红 外光谱上显示了酯键中C＝O和乳糖的特征吸收峰，而酰氯中的氯离子由于被银纳米颗 粒修饰的乳糖取代，1770cm^-1处的C＝O吸收峰向低位移动，到1700cm^-1附近，以上 数据均说明固定相的合成是成功的。

结构式如式I所示，其中，n为6-10的整数；

实施例2

用实施例1所得到的银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相，采用匀浆法填充于长150 mm，内径为4.6mm的不锈钢柱子中，将所得色谱柱用于分析分离样品，在富水液相 色谱模式下，分离五种磺胺类抗生素：磺胺间二甲氧嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲氧 哒嗪、磺胺甲基嘧啶、磺胺嘧啶；

色谱条件：流动相为由乙腈和6mmol/L的乙酸铵水溶液以体积比7：93混匀而得 的混合液；流速为1mL/min，检测波长：270nm。

图1为其色谱分离结果。

实施例3

用实施例1所得到的银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相，采用匀浆法填充于长150 mm，内径为4.6mm的不锈钢柱子中，将所得色谱柱用于分析分离样品，在富水液相 色谱模式下，分离五种酚类：对氨基苯酚、对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、苯酚；

色谱条件：流动相为100％超纯水；流速为1mL/min，检测波长为260nm。

图2为其色谱分离结果。

图1和图2说明，本发明提供的银纳米颗粒-乳糖键合硅胶固定相，在富水液相色 谱模式下，对极性的食品添加剂和非法添加物具有很好的保留和分离选择性。