苯硼酸和离子液体功能化硅胶固定相的制备及其在HILIC/RPLC/IEC混合模式色谱中的应用

《Analytica Chimica Acta》：Preparation and application of phenylboronic acid and ionic liquid functionalized silica stationary phase for HILIC/RPLC/IEC mixed mode chromatograph

本研究通过苯基硼酸与离子液体共价键合制备新型混合模式HPLC固定相，实现高效分离（柱效91000 plates/m，RSD<0.38%）。成功分离羟基苯胺异构体等复杂混合物，并应用于中药成分和维生素的分析，为开发高选择性固定相提供新策略。

　　

陈雨雪|曾汉林|杨汉奇|陈文豪|徐志强|卢玉蕾|孙伟然|彭焕军|彭敬东

中国重庆西南大学化学与化学工程学院，400715

摘要：

背景

高效液相色谱（HPLC）是分析科学中最广泛使用和多功能的分离技术之一。新型固定相的开发对于提高分析性能至关重要，而混合模式固定相由于其多种相互作用机制而受到了广泛关注。离子液体具有高热稳定性和化学稳定性、良好的导电性以及出色的溶剂化能力，是实现和增强混合模式分离（MMC）的理想工具。苯硼酸与离子液体的结合可以引入多种相互作用方式，为混合模式固定相的开发展现出巨大潜力。

结果

在本研究中，将苯硼酸和离子液体固定在硅胶上，制备了一种新型HPLC固定相（Sil-PBA-IM），该固定相具有HILIC/RPLC/IEC混合模式分离功能。该固定相表现出优异的柱效（91000 plates/m）和重现性（RSD < 0.38%）。对固定相进行了结构表征，并通过改变色谱条件研究了其保留机制。在不同色谱条件下，Sil-PBA-IM对亲水性化合物、疏水性化合物、有机酸、无机盐和二羟基苯异构体进行了分离，表现出出色的分离性能。此外，Sil-PBA-IM还成功应用于中药中葛根素的检测和定量分析，以及健康补充剂中维生素B1和烟酰胺的检测，这对药品质量监管具有重要意义。

意义

通过将苯硼酸与离子液体结合制备色谱固定相，结果表明该固定相在混合模式分离中对各种类型分析物具有优异的分离能力，并对二醇化合物具有特异性识别能力。两种功能单体的优势得到了成功整合，为进一步研究开发高性能混合模式色谱固定相提供了新策略。

引言

高效液相色谱（HPLC）是一种非常重要的仪器分析技术，具有高分离效率、高灵敏度和低检测限的特点。它广泛应用于制药[1]、环境监测[2]、食品分析[3]和生物医学[4]等领域。HPLC通过将样品溶液在高压下送入装有固定相的色谱柱中，利用样品组分在固定相和流动相之间的分配平衡差异来实现分离。因此，色谱柱是实现色谱分离的核心组件[5]。传统的色谱柱通常具有单一的分离机制，导致对复杂样品的处理效果不佳且成本较高。新型高效混合模式色谱柱的开发有望解决这一问题[6]。

混合模式色谱（MMC）在一个色谱系统中整合了两种或更多种分离机制，能够在单个柱子上实现对具有不同性质的物质的分离。混合模式色谱柱通常经过疏水性、离子交换性和亲水性配体的功能化处理，从而实现多种保留机制[7]。目前，碳纳米纤维（COFs）[8]、金属有机框架（MOFs）[9]、离子液体[10]和氢凝胶[11]等材料被广泛用于MMC的开发。例如，李等人成功制备了一种FeOOH改性的COF@SiO₂固定相（FeOOH/COF@SiO₂），能够分离多种亲水性和疏水性化合物[12]。在特定色谱条件下，某种类型的相互作用通常占主导地位，而其他类型的相互作用相对较弱。例如，吴等人合成了一种基于氢化松香丙烯酸与N-(3-二甲基氨基丙基)甲基丙烯酰胺共聚物的新型混合模式固定相，并将其应用于天然药物的分离[13]。然而，该固定相在离子交换模式下的分离性能仍有待进一步提高。

离子液体是由阴离子和阳离子组成的有机盐，在室温或接近室温的条件下呈液态[14]。通过改变阴离子和阳离子的组合，可以精确调节其物理化学性质。它们具有高热稳定性和化学稳定性、良好的导电性以及出色的溶剂化能力[15][16]。用离子液体修饰硅胶表面可以增强固定相与分析物之间的离子作用、疏水-亲水作用和氢键作用，从而显著提高色谱柱的分离性能[17]。基于咪唑的离子液体是研究最广泛和应用最广泛的离子液体类型之一。例如，罗等人制备了一种含有咪唑离子液体的新型多功能色谱固定相，成功实现了亲水性和疏水性物质的分离[18]。

苯硼酸具有两个羟基和苯环结构，能够引发多种相互作用，包括π-π相互作用、亲水相互作用和氢键作用。其核心特性在于能够可逆地形成氢键。这一结构特性使其在分离科学中特别适合用于生物样品的分析[19][20][21][22]。尽管苯硼酸具有多种相互作用方式，但在HPLC中的直接应用仍面临挑战，尤其是在实现复杂样品的有效分离方面。目前，已有初步研究关注用苯硼酸基团功能化的HPLC固定相，这些固定相能够提供混合模式分离所需的多种相互作用。例如，狄等人制备了一种由氨基苯硼酸和N-异丙基丙烯酰胺共聚物功能化的固定相，该固定相在RPLC和HILIC模式下均表现出良好的分离性能[23]。然而，能够实现PRLC/HILIC/IEC混合模式分离的固定相仍需进一步研究。

在本研究中，将离子液体和苯硼酸固定在硅胶上，制备了一种具有多种相互作用的混合模式固定相。使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、元素分析（EA）和X射线光电子能谱（XPS）对材料进行了表征。通过改变乙腈（ACN）含量、缓冲盐浓度和流动相的pH值来研究固定相的保留机制，并利用范特霍夫方程（Van’t Hoff equation）和线性溶剂化能量关系（LSER）模型进行了进一步分析。在不同色谱条件下对多种分析物进行了分离。此外，Sil-PBA-IM还应用于实际样品的分析，成功检测并定量分析了中药中的葛根素以及健康补充剂中的维生素B1和烟酰胺。

部分内容片段

BPBA-IM的制备

将4-(溴甲基)苯硼酸（5.0 mM）和乙烯基咪唑（10.0 mM）溶解在ACN中，在氮气氛围下80 °C下搅拌18小时。反应完成后，通过旋转蒸发去除混合物中的ACN，然后通过离心用乙酸乙酯洗涤产物，得到白色产物。将少量白色产物溶解在水中，加入硝酸银溶液后生成白色沉淀。

Sil-PBA-IM的元素分析

对Sil-SH和Sil-PBA-IM进行了元素分析，以测定其中的氮、碳、氢和硫含量。相关实验数据见表1。数据显示，与Sil-SH相比，Sil-PBA-IM中这四种元素的含量均有所增加，尤其是氮的含量。这表明功能基团已成功接枝到Sil-SH的表面。结合密度可通过以下公式计算

结论

本研究设计并合成了一种含有苯硼酸结构的阳离子咪唑离子液体固定相。通过元素分析（EA）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对固定相的结构进行了表征。通过改变乙腈（ACN）含量、缓冲盐浓度和流动相的pH值，并应用范特霍夫方程（Van’t Hoff equation）和线性溶剂化能量关系（LSER）模型，研究了其保留机制。结果表明该固定相具有多种相互作用模式。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系

作者贡献声明

孙伟然：可视化处理。彭焕军：项目监督、资金获取。杨汉奇：概念构思。陈文豪：数据分析。徐志强：撰写、审稿与编辑。卢玉蕾：数据管理。陈雨雪：初稿撰写、验证、方法学设计、概念构思。曾汉林：撰写、审稿与编辑、实验设计

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。