CN103816881A - 基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法 - Google Patents

Abstract

基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，涉及色谱填料的制备。将四甲氧基硅烷和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷以及聚乙二醇加入乙酸溶液中，在冰水浴下水解成水解液，再加入水溶性碱性氨基酸，超声至完全溶解后作为分散相；将油溶性表面活性剂溶于油中作为连续相；将分散相引入微流控芯片的水平通道中，另将连续相引入微流控芯片的竖直通道中，在水平通道与竖直通道的界面处，调节分散相和连续相的流速比率，产生不同粒径的液滴；将液滴分别在30～50℃条件下进行缩合反应10～14h和60～80℃条件下环氧开环反应10～14h，再分别用异丙醇和甲醇水溶液交替洗涤，真空干燥后得到产物。

Description

基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法

技术领域

本发明涉及色谱填料的制备，尤其涉及一种基于液滴微流控技术制备粒径均一可控的色谱填料的方法。

背景技术

高效液相色谱法（HPLC）是现代色谱学的一个重要分支，HPLC以其高速、高效、高灵敏度的特点被广泛地应用于石油化工、生命科学、制药工业、环境监测等领域。色谱柱是高效液相色谱仪最重要的组件之一，色谱柱内的固定相，即色谱柱填料（或称分离材料或分离介质）是色谱分离的核心，高质量的色谱填料是获得高效色谱分离的关键。高效色谱技术要求色谱填料粒度分布范围窄，最好能实现单分散。单分散的球形填料能带来良好的渗透性，显著提高的分离柱效和分析结果的重现性，优良单分散性的填料一直是色谱技术追求的目标。

传统的制备色谱填料的方法有悬浮聚合、分散聚合、种子溶胀法和膜乳化技术等，然而悬浮聚合法（见P.J.Dowding and B.Vincent,Coll.Surf.A.,2000,161,259）制得微球的粒径较大，一般有20～1000μm，悬浮聚合就算是严格控制反应条件，所得多孔微球仍具有相当大的多分散性，这对于作为色谱填料来讲是非常不利的；分散聚合法由英国ICI公司的研究者最先提出，分散聚合制备的微球单分散性比较好，且适宜制备1～10μm范围的微球，但分散聚合的主要缺点是所得聚合物微球的交联度低，表面无孔或者仅有少量微孔，所以一般不直接用于多孔聚合物微球的制备；种子溶胀法（见J.Ugelstad,H.R.Mfutakamba,P.C.

T.Ellingsen,A.Berge,R.Schmid,L.Holm,A.

F.K.Hansen,and K.Nustad,J.Polym.Sci.,1985,72,225）是目前普遍认为合成单分散多孔微球的较好方法，但是步骤比较繁琐，需时较长，也在一定程度上限制其应用；膜/微孔道乳化制备技术(见M.T.Gokmen,F.E.Du Prez,Prog.Polym.Sci.,2012,37,365)相对比较简单，适宜1～100μm的微球，但是制备的微球的单分散性并不是太理想，特别是选择多孔玻璃膜时，因为它自身的孔就有一定的分散性（CV=10%～17%）；当然，在使用微孔道时，目前已经有研究者制备出分散性较好的二氧化硅、金属、高分子微孔（CV=5%），但是这种微孔道需要特别定制，而且费用比较高和需要一定的经验，所以在应用方面有一定的限制。因此，开发合成简便，粒径尺寸可控，颗粒单分散且免分选的填料制备方法一直是色谱固定相研究的重点。

非连续流微流控技术（微流控液滴技术）是近年来在芯片实验室研究领域内出现的一个新的分支，该技术使用不相溶的两相流体在微孔道界面处形成液滴，此类液滴具有较高的比表面积，是一种优良的微化学反应器。在微流控***中可以高速地生成液滴，液滴生成频率高达上千赫兹。此外，通过调控芯片孔道尺寸、表面化学性质以及两相流速等条件即可灵活地控制液滴的体积，制备高度均一的微液滴。通过控制液滴的生成频率、大小以及重现性可以快速制备粒径大小可控、粒径分布范围窄（单分散）的色谱填料。目前，液滴技术已被应用于制备量子点、胶粒及药物载体等材料，但未见有关于制备色谱固定相的报道。

发明内容

本发明的目的在于针对传统的颗粒型色谱填料单分散性差的缺点，提供一种基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法。

本发明包括以下步骤：

1）将四甲氧基硅烷（TMOS）和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）以及聚乙二醇（PEG）加入乙酸溶液中，在冰水浴下磁力搅拌至完全水解成水解液，再加入水溶性碱性氨基酸，超声至完全溶解后作为分散相；

在步骤1）中，所述四甲氧基硅烷和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的摩尔比可为4∶（2～5），聚乙二醇的用量按质量百分比可为水解液总质量的3%～12%，所述乙酸溶液可采用浓度为0.01M的乙酸溶液，乙酸溶液的用量按质量百分比可为水解液总质量的40%～60%；所述水溶性碱性氨基酸可选自L-赖氨酸盐酸盐、L-组氨酸盐酸盐、L-精氨酸盐酸盐等中的一种，水溶性碱性氨基酸的用量按质量百分比可为水解液总质量的2%～8%；所述磁力搅拌的时间可为1h。

2）将油溶性表面活性剂溶于油中作为连续相；

在步骤2）中，所述油溶性表面活性剂选自失水山梨醇脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、聚氧乙烯脂肪酸酯、烷基酚聚氧乙烯醚类等中的至少一种；油溶性表面活性剂占连续相的质量百分比可为0.1%～10%；所述油可选自矿物油、硅油、十六烷、氟化油等中的一种。

3）将步骤1）得到的分散相引入微流控芯片的水平通道中，另将步骤2）得到的连续相引入微流控芯片的竖直通道中，在水平通道与竖直通道的界面处，调节分散相和连续相的流速比率，产生不同粒径的液滴；

在步骤3）中，所述将步骤1）得到的分散相引入微流控芯片的水平通道中可利用注射泵将分散相引入微流控芯片的水平通道中；所述另将步骤2）得到的连续相引入微流控芯片的竖直通道中可通过另一个注射泵将连续相引入芯片的竖直通道中；所述微流控芯片可采用单通道微流控芯片或多通道微流控芯片；所述微流控芯片可由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、玻璃、石英等材料制备；所述水平通道的尺寸可为1μm～10cm，所述竖直通道的尺寸可为1μm～10cm；所述分散相的流速可为0.05～20μL/min，连续相的流速可为0.05～20μL/min，分散相与连续相的流速比率可为1∶（1～10）；所述产生不同粒径的液滴的方式可以是正交结构（T-Junction）、流式聚焦（flow-focusing）或共轴流（co-axialflow）等方式。

4）将步骤3）得到的液滴分别在30～50℃条件下进行缩合反应10～14h和60～80℃条件下环氧开环反应10～14h，再分别用异丙醇和甲醇水溶液交替洗涤，真空干燥后得到粒径均一可控色谱填料。

在步骤4）中，所述甲醇水溶液中甲醇和水的体积比可为7∶(2～5)。

本发明制备的色谱填料粒径可以通过芯片的孔道尺寸以及连续相与分散相两相的流速比率来控制，填料的变异系数CV<5%，明显低于传统方法制备的填料；其中粒径变异系数计算公式如下：

$\mathrm{CV}=\frac{\sqrt{\mathrm{\&Sigma;}{(d_i-d)}^2/N}}{d}\&times;100\%$

式中，CV是填料粒径变异系数，di是各个填料的直径，d是填料的平均粒径，N是统计的填料的数目，N≥300个。

本发明首先将分散相和连续相引入微流控芯片，在两相的界面处分散相被“切割”形成液滴，然后将收集的液滴在一定条件下反应固化，经过洗涤、干燥，最后制得色谱填料。制备的色谱填料的粒径可以通过芯片的孔道尺寸和分散相与连续相的流速比率来精确控制，其粒径范围在几十纳米至几百微米，填料的粒径变异系数<5%。采用液滴微流控技术将分散相乳化成尺寸均一可控的液滴，经固化后制得填料的粒径具有优良的单分散性。

附图说明

图1为一种用于液滴生成的微流控芯片示意图。其中，a为分散相入口及通道，b为连续相入口及通道,c为液滴通道，d为微液滴。

图2为实施例1制备的色谱填料的电镜图（500μm）。

图3为实施例1制备的色谱填料的电镜图（20μm）。

图4为实施例1制备的色谱填料的粒径分布图。

图5为利用实施例1制备的色谱填料填充的色谱柱液相色谱分离谱图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

将1.8mL四甲氧基硅烷（TMOS）和2mL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）以及540mg聚乙二醇（PEG）加入到5mL0.01M的乙酸溶液中，在冰水浴（0℃）下磁力搅拌1h，至完全水解成透明均一的溶液。然后取水解液2mL于5mL离心管中，加入80mgL-赖氨酸盐酸盐，超声至完全溶解后作为分散相。将0.5g EM90溶于9.5g矿物油中作为连续相。利用精密注射泵分别将分散相和连续相引入微流控芯片中(如图1)，其中芯片深度为50μm，水平通道a和竖直通道b宽度均为200μm，十字交叉处水平孔道和垂直孔道宽度均为50μm，液滴通道c宽度为120μm，在水平通道与竖直通道的界面处，分散相被“切割”成液滴，分散相和连续相的流速分别为0.4μL/min和2.4μL/min，通过聚乙烯管将产生的液滴导出收集。将收集的液滴分别在40℃条件下进行缩合反应12h和80℃条件下环氧开环反应12h。将制备的微球分别用异丙醇和的甲醇水溶液（体积比7∶3）交替洗涤，真空干燥得到产品。制备的色谱填料的电镜照片如图2和图3，填料具有多孔性，平均粒径为33μm，变异系数CV为3.2%，填料的粒径分布如图4。

填料的色谱分离性能评价：

将制备的微球使用匀浆填充法填充至内径为150μm、外径365μm的毛细管中，后端连接20μm内径的毛细管作为柱塞，色谱柱床的长度为7cm。然后将制备好的毛细管柱进行色谱分离评价。

色谱条件：样品为硫脲与甲苯的混合物，进样量为4nL，流动相为90%的乙腈水溶液，流速为300nL/min，检测波长为214nm。色谱分离结果如图5所示。

实施例2

将1.8mL四甲氧基硅烷（TMOS）和2mL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）以及540mg聚乙二醇（PEG）加入到5mL0.01M的乙酸溶液中，在冰水浴（0℃）下磁力搅拌1h，至完全水解成透明均一的溶液。然后取水解液2mL于5mL离心管中，加入80mgL-赖氨酸盐酸盐，超声至完全溶解后作为分散相。将0.5g EM90溶于9.5g矿物油中作为连续相。利用精密注射泵分别将分散相和连续相引入微流控芯片中(如图1)，其中芯片深度为50μm，水平通道a和竖直通道b宽度均为200μm，十字交叉处水平孔道和垂直孔道宽度均为50μm，液滴通道c宽度为120μm，在水平通道与竖直通道的界面处，分散相被“切割”成液滴，分散相和连续相的流速分别为0.4μL/min和3.6μL/min，通过聚乙烯管将产生的液滴导出收集。将收集的液滴分别在40℃条件下进行缩合反应12h和80℃条件下环氧开环反应12h。将制备的微球分别用异丙醇和的甲醇水溶液（体积比7∶3）交替洗涤，真空干燥得到产品。制备的色谱填料的平均粒径为29μm，变异系数CV为3.4%。

实施例3

将1.8mL四甲氧基硅烷（TMOS）和2mL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）以及540mg聚乙二醇（PEG）加入到5mL0.01M的乙酸溶液中，在冰水浴（0℃）下磁力搅拌1h，至完全水解成透明均一的溶液。然后取水解液2mL于5mL离心管中，加入80mgL-赖氨酸盐酸盐，超声至完全溶解后作为分散相。将0.5g EM90溶于9.5g矿物油中作为连续相。利用精密注射泵分别将分散相和连续相引入微流控芯片中(如图1)，其中芯片深度为20μm，水平通道a和竖直通道b宽度均为100μm，十字交叉处水平孔道和垂直孔道宽度均为20μm，液滴通道c宽度为80μm，在水平通道与竖直通道的界面处，分散相被“切割”成液滴，分散相和连续相的流速分别为0.3μL/min和1.5μL/min，通过聚乙烯管将产生的液滴导出收集。将收集的液滴分别在40℃条件下进行缩合反应12h和80℃条件下环氧开环反应12h。将制备的微球分别用异丙醇和的甲醇水溶液（体积比7∶3）交替洗涤，真空干燥得到产品。制备的色谱填料的平均粒径为17μm，变异系数CV为2.5%。

实施例4

将1.8mL四甲氧基硅烷（TMOS）和2mL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）以及540mg聚乙二醇（PEG）加入到5mL0.01M的乙酸溶液中，在冰水浴（0℃）下磁力搅拌1h，至完全水解成透明均一的溶液。然后取水解液2mL于5mL离心管中，加入60mgL-赖氨酸盐酸盐，超声至完全溶解后作为分散相。将0.5g EM90溶于9.5g矿物油中作为连续相。利用精密注射泵分别将分散相和连续相引入微流控芯片中(如图1)，其中芯片深度为50μm，水平通道a和竖直通道b宽度均为200μm，十字交叉处水平孔道和垂直孔道宽度均为50μm，液滴通道c宽度为120μm，在水平通道与竖直通道的界面处，分散相被“切割”成液滴，分散相和连续相的流速分别为0.4μL/min和2.4μL/min，通过聚乙烯管将产生的液滴导出收集。将收集的液滴分别在40℃条件下进行缩合反应12h和80℃条件下环氧开环反应12h。将制备的微球分别用异丙醇和的甲醇水溶液（体积比7∶3）交替洗涤，真空干燥得到产品。制备的色谱填料的平均粒径为33μm，变异系数CV为3%。

实施例5

将1.8mL四甲氧基硅烷（TMOS）和1.4mL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）以及540mg聚乙二醇（PEG）加入到5mL0.01M的乙酸溶液中，在冰水浴（0℃）下磁力搅拌1h，至完全水解成透明均一的溶液。然后取水解液2mL于5mL离心管中，加入80mgL-赖氨酸盐酸盐，超声至完全溶解后作为分散相。将0.8g EM90溶于9.2g矿物油中作为连续相。利用精密注射泵分别将分散相和连续相引入微流控芯片中(如图1)，其中芯片深度为50μm，水平通道a和竖直通道b宽度均为200μm，十字交叉处水平孔道和垂直孔道宽度均为50μm，液滴通道c宽度为120μm，在水平通道与竖直通道的界面处，分散相被“切割”成液滴，分散相和连续相的流速分别为0.4μL/min和2.4μL/min，通过聚乙烯管将产生的液滴导出收集。将收集的液滴分别在40℃条件下进行缩合反应12h和80℃条件下环氧开环反应12h。将制备的微球分别用异丙醇和的甲醇水溶液（体积比7∶3）交替洗涤，真空干燥得到产品。制备的色谱填料的平均粒径为31μm，变异系数CV为2.8%。

实施例6

将1.8mL四甲氧基硅烷（TMOS）和2mL3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）以及360mg聚乙二醇（PEG）加入到5mL0.01M的乙酸溶液中，在冰水浴（0℃）下磁力搅拌1h，至完全水解成透明均一的溶液。然后取水解液2mL于5mL离心管中，加入80mgL-组氨酸盐酸盐，超声至完全溶解后作为分散相。将0.5g EM90溶于9.5g矿物油中作为连续相。利用精密注射泵分别将分散相和连续相引入微流控芯片中(如图1)，其中芯片深度为50μm，水平通道a和竖直通道b宽度均为200μm，十字交叉处水平孔道和垂直孔道宽度均为50μm，液滴通道c宽度为120μm，在水平通道与竖直通道的界面处，分散相被“切割”成液滴，分散相和连续相的流速分别为0.4μL/min和2.4μL/min，通过聚乙烯管将产生的液滴导出收集。将收集的液滴分别在40℃条件下进行缩合反应12h和80℃条件下环氧开环反应12h。将制备的微球分别用异丙醇和的甲醇水溶液（体积比7∶3）交替洗涤，真空干燥得到产品。制备的色谱填料的平均粒径为35μm，变异系数CV为3.5%。

Claims (10)

1.基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将四甲氧基硅烷和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷以及聚乙二醇加入乙酸溶液中，在冰水浴下磁力搅拌至完全水解成水解液，再加入水溶性碱性氨基酸，超声至完全溶解后作为分散相；

2）将油溶性表面活性剂溶于油中作为连续相；

3）将步骤1）得到的分散相引入微流控芯片的水平通道中，另将步骤2）得到的连续相引入微流控芯片的竖直通道中，在水平通道与竖直通道的界面处，调节分散相和连续相的流速比率，产生不同粒径的液滴；

4）将步骤3）得到的液滴分别在30～50℃条件下进行缩合反应10～14h和60～80℃条件下环氧开环反应10～14h，再分别用异丙醇和甲醇水溶液交替洗涤，真空干燥后得到粒径均一可控色谱填料。

2.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤1）中，所述四甲氧基硅烷和3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为4∶2～5，聚乙二醇的用量按质量百分比为水解液总质量的3%～12%；所述乙酸溶液采用浓度为0.01M的乙酸溶液，乙酸溶液的用量按质量百分比为水解液总质量的40%～60%；水溶性碱性氨基酸的用量按质量百分比为水解液总质量的2%～8%。

3.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤1）中，所述水溶性碱性氨基酸选自L-赖氨酸盐酸盐、L-组氨酸盐酸盐、L-精氨酸盐酸盐中的一种。

4.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤1）中，所述磁力搅拌的时间为1h。

5.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤2）中，所述油溶性表面活性剂选自失水山梨醇脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、聚氧乙烯脂肪酸酯、烷基酚聚氧乙烯醚类中的至少一种；油溶性表面活性剂占连续相的质量百分比为0.1%～10%。

6.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤2）中，所述油选自矿物油、硅油、十六烷、氟化油中的一种。

7.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤3）中，所述将步骤1）得到的分散相引入微流控芯片的水平通道中是利用注射泵将分散相引入微流控芯片的水平通道中；所述另将步骤2）得到的连续相引入微流控芯片的竖直通道中是通过另一个注射泵将连续相引入芯片的竖直通道中。

8.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤3）中，所述微流控芯片采用单通道微流控芯片或多通道微流控芯片；所述微流控芯片可由聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、石英材料制备；所述水平通道的尺寸可为1μm～10cm，所述竖直通道的尺寸可为1μm～10cm。

9.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤3）中，所述分散相的流速为0.05～20μL/min，连续相的流速为0.05～20μL/min，分散相与连续相的流速比率为1∶1～10；所述产生不同粒径的液滴的方式可以是正交结构、流式聚焦或共轴流方式。

10.如权利要求1所述基于液滴微流控技术制备粒径均一可控色谱填料的方法，其特征在于在步骤4）中，所述甲醇水溶液中甲醇和水的体积比为7∶2～5。

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