一种碳量子点掺杂液相色谱填料及其制备方法和应用

1.本发明涉及一种液相色谱填料及其制备方法和应用，具体涉及一种碳量子点掺杂液相色谱填料及其制备方法和在极性药物分离中的应用，属于色谱填料技术领域。


背景技术：

2.目前，在液相色谱分离分析中，反相色谱分离模式占据绝大部分。然而，一些极性较强的核苷类抗生素、磺胺类抗生素等小分子存在保留时间短、峰形对称性差等问题(microchemical journal 2018，195-201；molecules 2019，24，2580)，故急需发展新型的色谱分离材料以弥补现有材料的不足之处。
3.碳量子点具有小尺寸效应、高表面积、π键作用共轭体系、丰富的活性位点等优良性质；分子印迹聚合物具有特异性选择性；多孔硅胶微球具有较强的刚性及合适的孔结构与比表面积。因此，将三者进行有效结合，对解决小分子极性药物的分离难题具有极大的价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：将碳量子点、分子印迹聚合物、多孔硅胶微球三者进行有效结合，提供一种能够有效分离小分子极性药物的碳量子点掺杂液相色谱填料。
5.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
6.一种碳量子点掺杂液相色谱填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1:硅胶酸化及双键修饰
8.对商品化裸硅胶进行酸化，得到酸化的硅胶；将硅烷化试剂、催化剂、反应溶剂和酸化的硅胶混合并加热搅拌回流，分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，干燥后得到双键修饰的硅胶，其中，硅烷化试剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三异丙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种或多种；催化剂为吡啶或三乙胺；反应溶剂为甲苯；
9.步骤2:碳点掺杂及聚合
10.将功能单体、致孔剂和模板分子混合并在-10～10℃预聚合，得到预聚合体系；向预聚合体系中加入交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂和碳量子点，除氧，程序升温，搅拌一段时间后依次用致孔剂、甲醇和乙酸混合液、无水乙醇洗涤材料多次，干燥后得到碳量子点掺杂液相色谱填料，其中，功能单体为甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、1-乙烯基咪唑、甲基丙烯酸羟乙酯、4-乙烯基苯甲酸、4-乙烯基苯甲醛、4-乙烯基苯胺、4-乙烯基苯酚和丙烯酸中的一种或多种；模板分子为含有羟基、氨基或羧基的小分子极性药物分子中的一种或多种；致孔剂为甲醇、乙醇、乙腈和二甲基亚砜中的一种或多种；交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯；引发剂为偶氮二异丁腈。
11.优选的，在步骤1中，商品化裸硅胶的粒径为1～50μm、孔径为15～50nm。
12.优选的，在步骤1中，硅烷化试剂、催化剂、反应溶剂和酸化的硅胶的配比为1μl～
3ml：0μl～0.5ml：5ml～100ml：1g。
13.优选的，在步骤1和步骤2中，干燥条件为：50～100℃真空烘干。
14.优选的，在步骤2中，功能单体、致孔剂、交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点和模板分子的配比为2μl～1000μl：50ml～5000ml：0.02ml～8ml：1g：1mg～500mg：1mg～100mg：1mg～500mg。
15.优选的，在步骤2中，程序升温的过程为：先升温至35～55℃，反应6～24h，然后升温至58～68℃，反应6～48h。
16.优选的，在步骤2中，致孔剂洗涤次数为1～6次；洗涤液甲醇与乙酸的体积比为1～20：1，洗涤次数为5～20次；乙醇洗涤次数为1～5次。
17.本发明的有益之处在于：本发明制备得到的色谱填料，将碳量子点材料的小尺寸效应、高比表面积、作用位点丰富等性质，与分子印迹聚合物的独特选择性，以及多孔硅胶适宜作为色谱分离材料载体的多种优良性质相结合，使其适用于多种小分子极性药物的分离分析。
附图说明
18.图1是本发明制备碳量子点掺杂液相色谱填料的原理图；
19.图2是实施例1所得碳量子点掺杂液相色谱填料1(a)、分子印迹聚合物包覆硅胶(b)、碳量子点掺杂非分子印迹聚合物包覆硅胶(c)、商品化c18键合硅胶(d)四种色谱填料分别对五种核苷类化合物的色谱分离图，图中标号1为胞苷、图中标号2为腺嘌呤、图中标号3为胸苷、图中标号4为司他夫定、图中标号5为齐多夫定；
20.图3是实施例1所得碳量子点掺杂液相色谱填料1对五种磺胺类化合物的色谱分离图，图中标号1为磺胺、图中标号2为磺胺醋酰、图中标号3为磺胺吡啶、图中标号4为磺胺甲氧哒嗪、图中标号5为磺胺甲噁唑；
21.图4是实施例1所得碳量子点掺杂液相色谱填料1对四种抗生素类化合物的色谱分离图，图中标号1为阿莫西林、图中标号2为头孢氨苄、图中标号3为盐酸土霉素、图中标号4为诺氟沙星；
22.图5是实施例1所得碳量子点掺杂液相色谱填料1对三种酸性化合物的色谱分离图，图中标号1为烟酸、图中标号2为对羟基苯甲酸、图中标号3为苯甲酸；
23.图6是实施例1所得碳量子点掺杂液相色谱填料1(a)与碳量子点掺杂非分子印迹聚合物包覆硅胶(b)的扫描电镜图。
具体实施方式
24.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
25.一、制备碳量子点掺杂液相色谱填料
26.参照图1，本发明提供的碳量子点掺杂液相色谱填料，其制备方法包括：硅胶酸化及双键修饰步骤、碳点掺杂及聚合步骤。
27.1、硅胶酸化及双键修饰
28.硅胶：选取商品化裸硅胶，粒径为1～50μm，孔径为15～50nm。
29.硅烷化试剂：γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-mps)、乙烯基三异丙氧基
硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷中的一种或多种。
30.催化剂：吡啶或三乙胺。
31.反应溶剂：甲苯。
32.(1)硅胶酸化
33.配制硝酸、盐酸或两者混合水溶液，水溶液中氢离子浓度为2～10mol/l，向上述溶液中加入硅胶，溶液与硅胶的配比为5ml～20ml：1g，在20～90℃温度条件下搅拌1～2h，然后水洗至中性，之后再用无水乙醇洗涤2～5遍，得到酸化的硅胶，最后50～100℃真空干燥备用。
34.(2)双键修饰
35.将硅烷化试剂、催化剂、反应溶剂和前面得到的酸化的硅胶加入到反应容器a中，硅烷化试剂、催化剂、反应溶剂和酸化的硅胶的配比为1μl～3ml：0μl～0.5ml：5ml～100ml：1g，加热搅拌回流8～24h，然后分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，50～100℃真空干燥后得到双键修饰的硅胶。
36.2、碳点掺杂及聚合
37.功能单体：甲基丙烯酸(maa)、甲基丙烯酸甲酯(mma)、1-乙烯基咪唑、甲基丙烯酸羟乙酯、4-乙烯基苯甲酸、4-乙烯基苯甲醛、4-乙烯基苯胺、4-乙烯基苯酚和丙烯酸中的一种或多种。
38.模板分子：含有羟基、氨基或羧基等功能基团的小分子极性药物分子中的一种或多种。
39.致孔剂：甲醇、乙醇、乙腈和二甲基亚砜中的一种或多种。
40.交联剂：乙二醇二甲基丙烯酸酯(egdma)。
41.引发剂：偶氮二异丁腈(aibn)。
42.碳量子点：碳纳米材料粒径2～5nm。
43.(1)聚合
44.将功能单体、致孔剂和模板分子加入到反应容器b中，功能单体、致孔剂和模板分子的配比为2μl～1000μl：50ml～5000ml：1mg～500mg，在-10～10℃温度条件下预聚合5～24h，得到预聚合体系。
45.(2)碳点掺杂
46.向前面得到的预聚合体系中加入交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂和碳量子点，交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点与前面在聚合步骤中已加入反应容器b中的模板分子的配比为0.02ml～8ml：1g：1mg～500mg：1mg～100mg：1mg～500mg。
47.通氮气或氩气5～50min除氧，然后程序升温(35～68℃)，搅拌反应一段时间(12～72h)后，依次用致孔剂、一定比例的甲醇和乙酸(甲醇与乙酸的体积比为1～20：1)、无水乙醇洗涤材料若干遍，最后干燥得到碳量子点掺杂液相色谱填料。
48.实施例1
49.配制浓度为3.35mol/l的硝酸水溶液，取粒径为5μm、孔径为20nm的商品化裸硅胶，按照10ml：1g的比例向硝酸水溶液中加入裸硅胶，在25℃下搅拌1.5h，水洗至中性，无水乙醇洗涤3遍，得到酸化的硅胶，50℃真空干燥备用。
50.将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷化试剂)、三乙胺(催化剂)、甲苯(反应溶剂)和酸化的硅胶按照2.5ml：0μl：50ml：1g的配比混合并加热搅拌回流，分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，50℃真空干燥后得到双键修饰的硅胶。
51.将甲基丙烯酸(功能单体)、甲醇(致孔剂)和齐多夫定(模板分子)按照40μl：100ml：200mg的配比混合，在4℃预聚合12h，得到预聚合体系。
52.向预聚合体系中加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(交联剂)、双键修饰的硅胶、偶氮二异丁腈(引发剂)和碳量子点(粒径为2～3nm)，交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点与前面在聚合步骤已经加入到反应容器中的模板分子的配比为0.4ml：1g：15mg：2mg：200mg，通氮气10min除氧，程序升温，先升温至50℃，反应12h，然后升温至60℃，反应24h，搅拌一段时间后依次用致孔剂洗涤材料1次、甲醇和乙酸混合液(体积比9:1)洗涤材料6次、无水乙醇洗涤材料1次，50℃真空干燥后得到碳量子点掺杂液相色谱填料1。
53.利用碳量子点掺杂液相色谱填料1、分子印迹聚合物包覆硅胶、碳量子点掺杂非分子印迹聚合物包覆硅胶和商品化c18键合硅胶四种色谱填料，分别对胞苷、腺嘌呤、胸苷、司他夫定和齐多夫定五种核苷类化合物进行色谱分离。得到的色谱分离图见图2。
54.由图2可以看出，碳量子点掺杂液相色谱填料1的色谱分离性能明显优于其他几种色谱分离材料。说明碳点掺杂有利于明显提高填料的色谱分离性能。
55.利用碳量子点掺杂液相色谱填料1对磺胺、磺胺醋酰、磺胺吡啶、磺胺甲氧哒嗪和磺胺甲噁唑五种磺胺类化合物进行色谱分离。得到的色谱分离图见图3。
56.由图3可以看出，碳量子点掺杂液相色谱填料1对磺胺类化合物具有较好的色谱分离性能，分离度均大于2.15，分离柱效达13750理论塔板数每米(以磺胺醋酰计)。
57.利用碳量子点掺杂液相色谱填料1对阿莫西林、头孢氨苄、盐酸土霉素和诺氟沙星四种抗生素类化合物进行色谱分离。得到的色谱分离图见图4。
58.由图4可以看出，碳量子点掺杂液相色谱填料1对诺氟沙星等四种抗生素类化合物具有较好的色谱分离效果，分离度均大于1.60，分离柱效达12940理论塔板数每米(以阿莫西林计)。
59.利用碳量子点掺杂液相色谱填料1对烟酸、对羟基苯甲酸和苯甲酸三种酸性化合物进行色谱分离。得到的色谱分离图见图5。
60.由图5可以看出，碳量子点掺杂液相色谱填料1对苯甲酸等三种酸性化合物具有较好的色谱分离效果，分离柱效达11590理论塔板数每米(以烟酸计)。
61.对碳量子点掺杂液相色谱填料1和碳量子点掺杂非分子印迹聚合物包覆硅胶进行电镜扫描。得到的扫描电镜图见图6。
62.由图6可以看出，相比于碳量子点掺杂非分子印迹聚合物包覆硅胶填料，碳量子点掺杂液相色谱填料1具有更加均匀的球形形貌，其碳含量为5.06％，说明成功制备了碳量子点掺杂材料。
63.实施例2
64.配制浓度为2mol/l的盐酸水溶液，取粒径为20μm、孔径为30nm的商品化裸硅胶，按照10ml：1g的比例向盐酸水溶液中加入裸硅胶，在30℃下搅拌2h，水洗至中性，无水乙醇洗涤3遍，得到酸化的硅胶，55℃真空干燥备用。
65.将乙烯基三异丙氧基硅烷(硅烷化试剂)、吡啶(催化剂)、甲苯(反应溶剂)和酸化
的硅胶按照1ml：0.5ml：100ml：1g的配比混合并加热搅拌回流，分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，55℃真空干燥后得到双键修饰的硅胶。
66.将甲基丙烯酸甲酯(功能单体)、乙醇(致孔剂)和磺胺(模板分子)按照500μl：1000ml：1mg的配比混合，在-10℃预聚合5h，得到预聚合体系。
67.向预聚合体系中加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(交联剂)、双键修饰的硅胶、偶氮二异丁腈(引发剂)和碳量子点(粒径为3～4nm)，交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点与前面在聚合步骤已经加入到反应容器中的模板分子的配比为8ml：1g：500mg：100mg：1mg，通氩气5min除氧，程序升温，先升温至55℃，反应6h，然后升温至68℃，反应6h，搅拌一段时间后依次用致孔剂洗涤材料2次、甲醇和乙酸混合液(体积比1:1)洗涤材料10次、无水乙醇洗涤材料2次，55℃真空干燥后得到碳量子点掺杂液相色谱填料2。
68.实施例3
69.配制硝酸和盐酸混合水溶液，混合水溶液中硝酸的浓度为3mol/l、盐酸的浓度为3mol/l，取粒径为50μm、孔径为50nm的商品化裸硅胶，按照10ml：1g的比例向混合水溶液中加入裸硅胶，在40℃下搅拌1h，水洗至中性，无水乙醇洗涤3遍，得到酸化的硅胶，60℃真空干燥备用。
70.将乙烯基三乙氧基硅烷(硅烷化试剂)、三乙胺(催化剂)、甲苯(反应溶剂)和酸化的硅胶按照0.1ml：0.1ml：40ml：1g的配比混合并加热搅拌回流，分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，60℃真空干燥后得到双键修饰的硅胶。
71.将1-乙烯基咪唑(功能单体)、乙腈(致孔剂)和苯甲酸(模板分子)按照1000μl：5000ml：500mg的配比混合，在10℃预聚合24h，得到预聚合体系。
72.向预聚合体系中加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(交联剂)、双键修饰的硅胶、偶氮二异丁腈(引发剂)和碳量子点(粒径为4～5nm)，交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点与前面在聚合步骤已经加入到反应容器中的模板分子的配比为1ml：1g：100mg：50mg：500mg，通氮气50min除氧，程序升温，先升温至45℃，反应15h，然后升温至62℃，反应12h，搅拌一段时间后依次用致孔剂洗涤材料3次、甲醇和乙酸混合液(体积比12:1)洗涤材料12次、无水乙醇洗涤材料3次，60℃真空干燥后得到碳量子点掺杂液相色谱填料3。
73.实施例4
74.配制硝酸和盐酸混合水溶液，混合水溶液中硝酸的浓度为5mol/l、盐酸的浓度为5mol/l，取粒径为30μm、孔径为25nm的商品化裸硅胶，按照10ml：1g的比例向混合水溶液中加入裸硅胶，在55℃下搅拌1.8h，水洗至中性，无水乙醇洗涤3遍，得到酸化的硅胶，70℃真空干燥备用。
75.将乙烯基三乙酰氧基硅烷(硅烷化试剂)、三乙胺(催化剂)、甲苯(反应溶剂)和酸化的硅胶按照0.5ml：0.2ml：20ml：1g的配比混合并加热搅拌回流，分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，70℃真空干燥后得到双键修饰的硅胶。
76.将甲基丙烯酸羟乙酯(功能单体)、二甲基亚砜(致孔剂)和人参皂苷rd(模板分子)按照800μl：2000ml：100mg的配比混合，在7℃预聚合18h，得到预聚合体系。
77.向预聚合体系中加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(交联剂)、双键修饰的硅胶、偶氮二异丁腈(引发剂)和碳量子点(粒径为2～3nm)，交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点与前面在聚合步骤已经加入到反应容器中的模板分子的配比为5ml：1g：200mg：25mg：
100mg，通氩气40min除氧，程序升温，先升温至35℃，反应24h，然后升温至58℃，反应18h，搅拌一段时间后依次用致孔剂洗涤材料4次、甲醇和乙酸混合液(体积比14:1)洗涤材料15次、无水乙醇洗涤材料4次，70℃真空干燥后得到碳量子点掺杂液相色谱填料4。
78.实施例5
79.配制硝酸和盐酸混合水溶液，混合水溶液中硝酸的浓度为2mol/l、盐酸的浓度为2mol/l，取粒径为1μm、孔径为15nm的商品化裸硅胶，按照10ml：1g的比例向混合水溶液中加入裸硅胶，在70℃下搅拌1.5h，水洗至中性，无水乙醇洗涤3遍，得到酸化的硅胶，85℃真空干燥备用。
80.将乙烯基三甲氧基硅烷(硅烷化试剂)、三乙胺(催化剂)、甲苯(反应溶剂)和酸化的硅胶按照0.7ml：0.4ml：80ml：1g的配比混合并加热搅拌回流，分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，85℃真空干燥后得到双键修饰的硅胶。
81.将4-乙烯基苯甲酸(功能单体)、甲醇(致孔剂)和含有羧基的小分子极性药物分子(模板分子)按照300μl：3000ml：300mg的配比混合，在-5℃预聚合8h，得到预聚合体系。
82.向预聚合体系中加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(交联剂)、双键修饰的硅胶、偶氮二异丁腈(引发剂)和碳量子点(粒径为2～3nm)，交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点与前面在聚合步骤已经加入到反应容器中的模板分子的配比为6ml：1g：300mg：75mg：300mg，通氮气(或氩气)20min除氧，程序升温，先升温至40℃，反应20h，然后升温至64℃，反应30h，搅拌一段时间后依次用致孔剂洗涤材料5次、甲醇和乙酸混合液(体积比16:1)洗涤材料18次、无水乙醇洗涤材料5次，85℃真空干燥后得到碳量子点掺杂液相色谱填料5。
83.实施例6
84.配制硝酸和盐酸混合水溶液，混合水溶液中硝酸的浓度为4mol/l、盐酸的浓度为3mol/l，取粒径为3μm、孔径为18nm的商品化裸硅胶，按照10ml：1g的比例向混合水溶液中加入裸硅胶，在90℃下搅拌1h，水洗至中性，无水乙醇洗涤3遍，得到酸化的硅胶，100℃真空干燥备用。
85.将乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷(硅烷化试剂)、吡啶(催化剂)、甲苯(反应溶剂)和酸化的硅胶按照0.3ml：0.5ml：30ml：1g的配比混合并加热搅拌回流，分别用甲苯和无水乙醇洗涤材料多次，100℃真空干燥后得到双键修饰的硅胶。
86.将4-乙烯基苯甲醛(功能单体)、乙腈(致孔剂)和含有羧基的小分子极性药物分子(模板分子)按照650μl：4000ml：400mg的配比混合，在0℃预聚合15h，得到预聚合体系。
87.向预聚合体系中加入乙二醇二甲基丙烯酸酯(交联剂)、双键修饰的硅胶、偶氮二异丁腈(引发剂)和碳量子点(粒径为3～5nm)，交联剂、双键修饰的硅胶、引发剂、碳量子点与前面在聚合步骤已经加入到反应容器中的模板分子的配比为3ml：1g：400mg：10mg：400mg，通氮气(或氩气)30min除氧，程序升温，先升温至42℃，反应10h，然后升温至66℃，反应48h，搅拌一段时间后依次用致孔剂洗涤材料6次、甲醇和乙酸混合液(体积比20:1)洗涤材料20次、无水乙醇洗涤材料5次，100℃真空干燥后得到碳量子点掺杂液相色谱填料6。
88.经检测，实施例2至实施例6得到的碳量子点掺杂液相色谱填料2至碳量子点掺杂液相色谱填料6与实施例1得到的碳量子点掺杂液相色谱填料1一样，都具有更加均匀的球形形貌，色谱分离性能都明显优于分子印迹聚合物包覆硅胶、碳量子点掺杂非分子印迹聚合物包覆硅胶和商品化c18键合硅胶这三种色谱分离材料，并且对磺胺类化合物、抗生素类
化合物、苯甲酸类化合物都具有较好的色谱分离性能。