

Citation: CHENG Xiaodong, ZHANG Zheng. Preparation and Chromatographic Evaluation of a L-Isoleucine-Bonded Chromatographic Stationary Phase[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2019, 36(6): 726-732. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2019.06.180356

L-异亮氨酸键合色谱固定相的制备及其性能
English
Preparation and Chromatographic Evaluation of a L-Isoleucine-Bonded Chromatographic Stationary Phase
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社会发展促使人类对自身健康以及生态环境的友好发展越来越重视,极大推动了蛋白质组学、代谢组学、药物化学、糖原组学、环境科学、农业和食品化学等学科的发展。而要对这些复杂的体系进行详细的研究,最关键的就是要将这些复杂样品中极性以及带电小分子进行有效地分离,进而采取合适的方法对其进行检测以及了解它们各自的功能[1]。因此,对极性及带电小分子的分离分析已经成为分析化学和生物化学研究的重点。
亲水作用色谱(Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography, HILIC)被认为是目前最适用于极性化合物分离的色谱技术[2]。Hydrophilic指的是固定相对水的亲和性,以此强调水在HILIC中的重要作用。1990年,Alpert首次提出HILIC的概念[3],并对其作了较为系统的研究。起初HILIC所用的固定相与正相色谱(Normal Phase Liquid Chromatography, NPLC)中的固定相极为相似,通常为纯硅胶以及表面键合有极性基团如氨丙基、2, 3-二羟基丙烷及氰丙基等的键合相[4-6]。而HILIC所用的流动相与反相色谱(Reversed Phase Liquid Chromatography, RPLC)极为相似,只是含有较高含量的有机溶剂(通常为乙腈)。极性化合物在HILIC的流动相中溶解性好,在极性的固定相上的保留也较强;HILIC流动相中有机改性剂含量高,很适合与电喷雾质谱联用[7-9]。由于HILIC的这些优势,它被广泛应用于氨基酸、多肽、蛋白质、核苷和有机酸、碳水化合物、药物分子以及代谢产物等极性化合物的分离中[10-12]。近年来,涉及HILIC的研究和应用一直持续而稳定地增长,关于HILIC材料及应用、分离机理和分离效率的系统综述也层出不穷[13-15]。当前,商品化和学术报道的HILIC材料种类日趋繁多,键合相结构丰富,极大地促进了HILIC的应用和推广[16]。而不同类型的固定相之间分离选择性存在着很大的差异,应用范围也迥然不同。因此,新型亲水作用色谱材料的发展是促进亲水作用色谱应用与推广的关键。
通常亲水材料的制备是在材料的表面引入极性基团或者分子[17-18],而氨基酸作为构成蛋白质的基础结构单元,具有较大的极性,是制备亲水材料的理想单体[19]。Hayriye等[20]利用L-异亮氨酸与4-苯基丁胺作为单体,通过一系列复杂的反应将二者键合到硅胶表面,制备了一种新型的固定相。这种固定相可同时应用于亲水与疏水两种模式,并在两种模式下对核苷类化合物与芳香族化合物取得了一定的分离效果。本文利用异氰酸丙基三乙氧基硅烷与L-异亮氨酸反应合成了一种新型的氨基酸功能化的硅烷偶联剂,并将其与硅胶反应制得了L-异亮氨酸键合亲水色谱固定相,大大简化了合成过程。在采用一系列不同性质的标准物质考察了亲水色谱模式下固定相的溶质保留机理后,将固定相应用于水溶性维生素、碱性化合物以及核苷的分离当中,取得了较好的分离效果,表明了固定相具有良好的应用前景。
1. 实验部分
1.1 仪器和试剂
1200型高效液相色谱仪(HPLC, 美国安捷伦科技公司),系统由G1322A脱气机、G1311A四元泵、G1329A自动进样器、G1315B DAD紫外检测器以及G1330B柱温箱组成。Milli-Q型纯化系统(美国密理博公司)。元素分析由Vario EL Ⅲ Universal CHNOS型元素分析仪(德国艾力蒙塔贸易公司)测得;核磁数据由Bruker AVANCE Ⅲ HD 400MHz型核磁共振波谱仪(NMR, 布鲁克北京科技有限公司)测得。
5 μm球形硅胶(孔径:10 nm;比表面积:300 m2/g)购自Welch Materials, Inc(美国月旭科技有限公司)。异氰酸丙基三乙氧基硅烷、苯甲酸、水杨酸、茶碱、黄连素、药根碱、奴夫卡因、克伦特罗、L-异亮氨酸、核苷和碱基(胞嘧啶、腺苷、尿苷、胞苷、鸟苷、肌苷、脱氧胞苷、脱氧腺苷及脱氧鸟苷)和维生素(B1, B2, B3, B3-amide, B6, B12)购自阿拉丁试剂(上海)有限公司,均为分析纯试剂。乙腈(ACN)、甲苯、甲醇、丙酮、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)及乙酸铵购自上海国药试剂公司,均为分析纯试剂。
1.2 实验方法
1.2.1 固定相的制备与表征
如图 1所示,将3.71 g异氰酸丙基三乙氧基硅烷(15 mmol)与稍过量的2.23 g L-异亮氨酸(17 mmol)混合后放入含100 mL DMF溶液的烧瓶中,在80 ℃下回流反应12 h。将过量的L-异亮氨酸固体过滤掉后,再去除DMF溶剂,即可得到L-异亮氨酸功能化的硅烷偶联剂;将合成的硅烷偶联剂与5 g活化硅胶分散于50 mL无水甲苯中,N2气保护下130 ℃下回流反应20 h后过滤,分别用甲苯、甲醇、水和丙酮洗涤3次后,置于60 ℃真空环境下干燥过夜,即得L-异亮氨酸键合硅胶固定相(LSS)。
图 1
图 1. L-异亮氨酸键合硅胶固定相(LSS)的合成过程Figure 1. Synthesis procedure of the L-isoleucine-bonded silica stationary phase(LSS)1.2.2 色谱柱的填装与高效液相色谱(HPLC)条件
色谱柱的填装:采用高压等密度匀浆技术,以甲醇作为淋洗剂,ACN/H2O(体积比1:1)为匀浆剂,用装柱机在41 MPa的压力下填装30 min,称取2.0 g所得的LSS固定相填料填入150 mm×4.6 mm(i.d.)的不锈钢色谱柱中。
HPLC条件 选取了一系列标准物质,通过改变流动相中有机溶剂含量、缓冲溶液pH值以及盐浓度,研究分析物在LSS色谱柱上的保留行为,评价色谱性能。HPLC实验中流动相流速为1 mL/min;柱温为35 ℃;检测波长为254或230 nm;流动相为不同比例的有机溶剂与缓冲盐溶液的混合物。流动相使用前均经过过滤与超声脱气处理。所有的测量均重复3次以上。
2. 结果与讨论
2.1 LSS固定相的表征
2.1.1 硅烷偶联剂的表征
利用1H NMR对1.2.1节中合成的硅烷偶联剂进行结构表征。结果如图 2所示。说明成功合成了L-异亮氨酸功能化的硅烷偶联剂。
图 2
2.1.2 元素分析
对活化硅胶与合成的固定相填料进行了元素分析,结果如表 1所示。活化硅胶与键合后的固定相的孔径结构与比表面积的变化以及元素分析中N与C的存在证明了L-异亮氨酸已成功引入到固定相表面。
表 1
Sample Pore size/nm Surface area/(m2·g-1) w(N)/% w(C)/% w(H)/% Activated silica 9.6 290 ND* ND* 0.08 LSS 9.0 173 1.34 9.33 1.68 *ND:not detected. 2.2 LSS固定相的色谱行为评价
2.2.1 流动相中乙腈含量的影响
以烟酰胺、腺苷、尿苷、脱氧胞苷和胞嘧啶5种极性物质作为目标物,保持流动相中缓冲盐的浓度和pH值不变,考察了乙腈含量对于分析物保留的影响。由图 3可以看出,随着流动相中乙腈含量不断地增大,这些极性分析物在色谱柱上的保留逐渐增强,表现出典型的亲水保留特征。
图 3
2.2.2 流动相中盐浓度的影响
流动相中的缓冲盐能够显著抑制分析物与固定相之间的静电作用。为了考察流动相盐浓度对极性分析物保留的影响,固定流动相中有机溶剂的含量,分别配制了5、25、50、75和100 mmol/L的乙酸铵溶液(pH=6.5),将其作为流动相的水相,考察苯甲酸、VB3、水杨酸、VB1和克伦特罗5种极性分析物在固定相上的保留随盐浓度变化的趋势,如图 4所示。结果表明,酸性溶质(苯甲酸、VB3和水杨酸)的保留因子随着乙酸铵浓度的增大而增大,这是因为固定相表面在实验条件下带负电荷,盐浓度的增大,减少了分析物与固定相之间的静电排斥位点,进而削弱了分析物与固定相之间的静电排斥作用,使带负电荷的酸性溶质的保留时间逐渐增强;碱性溶质(VB1、克伦特罗)的保留因子随着乙酸铵浓度的增大而减小,这是由于随着盐浓度的增大,缓冲盐进一步占据了分析物与固定相之间的静电吸附位点,从而削弱了分析物与固定相之间的静电吸引作用,使带正电荷的碱性溶质的保留时间逐渐减小。
图 4
2.2.3 流动相酸碱度的影响
流动相的酸碱度会影响溶质的质子化程度和固定相表面的带电情况,进而影响溶质在固定相上的保留时间,因此它对于分析物的保留行为有着非常重要的影响[21]。我们固定了流动相中有机溶剂的含量与盐浓度,考察了分析物随着流动相pH值在3.5~6.5保留的变化趋势。如图 5所示,当pH值在3.5~6.5时,VB3、水杨酸两种物质在LSS固定相上的保留行为非常一致,均随着pH值降低保留逐渐增强。这是由于固定相与分析物均随着pH值降低所带的负电荷逐渐减少,静电排斥力减弱导致保留逐渐增强。苯甲酸在pH值从4.5~6.5时保留逐渐增强也是同样的原理,而苯甲酸在pH值从3.5~4.5时保留突然急剧减弱则是因为苯甲酸的pKa值为4.2,在pH=3.5时几乎以分子状态存在,极性大大减小,导致其与固定相的亲水作用力减小,使保留减弱。两种碱性物质VB1与克伦特罗均随着pH值降低保留减弱则主要是由于固定相所带负电荷逐渐减少使得其与分析物之间的静电吸引力减弱。中性物质烟酰胺的保留时间则在固定相上几乎不随pH值改变而变化。
图 5
2.3 应用
2.3.1 碱性物质的分离
选取了茶碱、黄连素、药根碱、奴夫卡因和克伦特罗这5种常见的碱性物质作为分析物。如图 6A所示,LSS固定相对于碱性物质有着较好的分离效果。
图 6
图 6. LSS色谱柱上碱性化合物(A)、水溶性维生素(B)及核苷类物质(C)的分离图Figure 6. Separation of basic compounds(A), water-soluble vitamins(B) and nucleosides(C) on LSS columnA.Mobile phase:ACN/50 mmol/L ammonium acetate, pH=4.0, 70/30(volume ratio); Solutes:a.theophylline; b. berberine; c.jateorhizine; d. procaine; e. clenbuterol. B.Mobile phase:ACN/50 mmol/L ammonium acetate, pH=6.5, 80/20(volume ratio); Elutes:a. nicotinamide; b.VB3; c.VB2; d.VB6; e.VB1; f VB12. C.Mobile phase:ACN/50 mmol/L ammonium acetate, pH=6.5, 85/15(volume ratio); Elutes:a.2′-deoxyadenosine; b.adenosine; d.2′-deoxycytidine; d.uridine; e.cytidine; f.2′-deoxyguanosine; g.guanosine; h.inosine
2.3.2 水溶性维生素的分离
水溶性维生素是一类常见的亲水物质,常用于评价亲水固定相的亲水性能。如图 6B所示,固定相对烟酰胺、VB1、VB2、VB3、VB6和VB12等6种水溶性维生素有较好的分离效果,展现了良好的亲水性能。
2.3.3 核苷类物质的分离
如图 6C所示,LSS固定相在常见核苷类物质的分离当中体现了极佳的分离选择性。
3. 结论
本文利用异氰酸丙基三乙氧基硅烷与亮氨酸反应合成了一种新型的硅烷偶联剂,再将其与硅胶反应制得L-异亮氨酸键合亲水色谱固定相。通过核磁共振氢谱、元素分析证明了固定相的成功合成。通过考察流动相中乙腈含量、pH值、盐浓度等因素对分析物保留的影响评价了固定相的色谱行为。最后将固定相应用于碱性化合物、水溶性维生素以及核苷类物质的分离当中,取得了良好的效果,证明了固定相在极性物质的分离上拥有很好的应用前景。
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图 6 LSS色谱柱上碱性化合物(A)、水溶性维生素(B)及核苷类物质(C)的分离图
Figure 6 Separation of basic compounds(A), water-soluble vitamins(B) and nucleosides(C) on LSS column
A.Mobile phase:ACN/50 mmol/L ammonium acetate, pH=4.0, 70/30(volume ratio); Solutes:a.theophylline; b. berberine; c.jateorhizine; d. procaine; e. clenbuterol. B.Mobile phase:ACN/50 mmol/L ammonium acetate, pH=6.5, 80/20(volume ratio); Elutes:a. nicotinamide; b.VB3; c.VB2; d.VB6; e.VB1; f VB12. C.Mobile phase:ACN/50 mmol/L ammonium acetate, pH=6.5, 85/15(volume ratio); Elutes:a.2′-deoxyadenosine; b.adenosine; d.2′-deoxycytidine; d.uridine; e.cytidine; f.2′-deoxyguanosine; g.guanosine; h.inosine
表 1 LSS固定相的孔结构表征与元素分析结果
Table 1. Pore structure and elemental analysis of LSS
Sample Pore size/nm Surface area/(m2·g-1) w(N)/% w(C)/% w(H)/% Activated silica 9.6 290 ND* ND* 0.08 LSS 9.0 173 1.34 9.33 1.68 *ND:not detected. -

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