聚合物毛细管整体柱的制备及其在环境监测中的应用研究

论文摘要

环境问题的日益严峻对色谱分离技术提出了更高的要求,毛细管整体柱是应用于微柱液相色谱中的一种新型色谱柱,具有制备简单、重现性好、多孔性优越、能实现快速分离等优点,但目前仍然处于发展初期,在新型基质研制、制备方法优化、理论基础研究以及应用方面还有待进一步发展。本文在以往研究的基础上,以环境生物大分子和农药为分离对象,制备了三种聚合物毛细管整体柱,并拓展了毛细管整体柱在环境生物大分子和农药分析方面的应用。论文的研究内容和主要结论如下:第一,新型聚苯乙烯-十八碳烯-二乙烯基苯（PS-OD-DVB）毛细管整体柱的制备及其在蛋白质分离中的应用研究。实验结果表明,以苯乙烯为单体、1-十八碳烯为功能单体、二乙烯基苯为交联剂单步制备的PS-OD-DVB毛细管整体柱具有高达85%的孔隙率、良好的渗透性、稳定的机械性能以及足够的柱容量。通过对比发现,PS-OD-DVB和聚苯乙烯-二乙烯基苯（PS-DVB）毛细管整体柱具有相似的蛋白质分离性能,可以在2.5 min内实现六种蛋白质的基线分离;对于多肽分离,由于C18长碳链的引入,PS-OD-DVB毛细管整体柱可以在9.0 min内实现血红蛋白α、β多肽链的基线分离。PS-OD-DVB毛细管整体柱制备简单、分离效果显著,有望应用于环境毒理学和环境医学中生物大分子的快速分离分析。第二,毛细管内径对整体柱的物理性能以及对分离蛋白质的色谱性能的影响。实验结果显示毛细管内径越小,柱床的微球簇和簇间孔隙越大,渗透性越大。从色谱基础理论入手,以动力学角度考察不同内径整体柱对蛋白质的色谱分离性能发现小内径毛细管整体柱的Van-Deemter方程的涡流扩散、分子扩散系数项较小,蛋白质传质效率较高。虽然小内径毛细管整体柱内形成的微球簇更大,但是柱效反而更高,这些实验结果与传统填充柱的实验现象相反。本部分所得的实验结果以及相关理论的初步探讨对整体柱的基础理论发展以及在分离生物大分子中的实际应用具有一定的指导意义。第三,聚甲基丙烯酸丁酯类毛细管整体柱在μ-HPLC和加压毛细管电色谱（pCEC）系统中分离微囊藻毒素（MCs）的新方法。该部分共包括三项内容:（1）聚甲基丙烯酸丁酯毛细管整体柱在μ-HPLC系统中分离MCs新方法的建立。优化条件后可以在9 min之内实现MC-LR、MC-YR和MC-RR的基线分离,并成功应用于巢湖水样中MCs的分离分析。（2）磺酸化聚甲基丙烯酸丁酯毛细管整体柱在μ-HPLC系统中分离MCs,实验表明该整体柱在μ-HPLC模式下具有疏水作用和离子交换混合分离机理,优化分离条件后可以在5 min内实现模拟水样中藻毒素的基线分离。（3）磺酸化聚甲基丙烯酸丁酯毛细管整体柱在pCEC系统中分离MCs,优化分离条件之后可以在6 min内等度洗脱条件下实现三种藻毒素的基线分离。与μ-HPLC相比分离柱效更高,还可以避免梯度洗脱,具有良好的重现性。总之,甲基丙烯酸酯类毛细管整体柱分离藻毒素可达到良好的分离度,与常用方法相比大大缩短了分析时间,充分显示了毛细管整体柱在快速分离环境生物样品方面的优势。第四,合成单体11-acrylamidoundodecanoic acid（AAUA）,利用D-optimal实验设计和响应面（RSM）分析方法优化聚合混合物配比,制备了适用于分离烷基苯和烷基苯酮同系物的AAUA-EDMA毛细管整体柱。实验结果表明在最佳配比下制备的整体柱的渗透性和机械性能良好,CEC模式下分离性能稳定,整体柱制备的批次内和批次间重现性分别可以达到2.14%和2.92%以内。实验证明,这种软件辅助优化方法可以通过较少的实验来实现有限制性条件的多因素优化,除此之外,与普遍采用的固定其他因素变化单一因素的优化方法相比,避免了单纯的经验性优选,同时还可以考察各因素之间的相互作用。实验结果与模型预测结果误差在-4%9%,证明这种方法在整体柱制备条件优化中的应用是成功的。另外还初步研究了AAUA-EDMA毛细管整体柱在CEC中分离氨基甲酸酯农药的可行性,在35 min内可以实现7种农药的完全分离。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 整体柱的发展
• 1.3 整体柱的分类和制备
• 1.3.1 硅胶整体柱
• 1.3.2 有机聚合物整体柱
• 1.3.3 整体柱制备条件优化
• 1.4 整体柱的结构表征
• 1.4.1 表观形貌
• 1.4.2 孔结构
• 1.5 整体柱的应用
• 1.5.1 整体柱在微柱系统中的应用
• 1.5.2 整体柱在常规HPLC 中的应用
• 1.5.3 整体柱在制备型液相色谱中的应用
• 1.5.4 整体柱在固相萃取方面的应用
• 1.6 展望
• 1.7 论文的选题及意义
• 1.8 本论文研究的目标、内容和技术路线
• 1.8.1 研究目标
• 1.8.2 研究内容
• 1.8.3 技术路线
• 参考文献
• 第二章 聚苯乙烯类毛细管整体柱的制备及其性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与材料
• 2.2.2 仪器
• 2.2.3 试剂预处理
• 2.2.4 毛细管整体柱的制备
• 2.2.5 人血样的处理
• 2.2.6 μ-HPLC 色谱实验条件
• 2.2.7 整体柱物理参数的测定方法
• 2.3 结果及讨论
• 2.3.1 整体柱的制备
• 2.3.2 整体柱物理性能
• 2.3.3 整体柱色谱性能
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 毛细管内径对PS-DVB 毛细管整体柱的物理性能和色谱分离性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和材料
• 3.2.2 仪器
• 3.2.3 整体柱的制备
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 毛细管内径对整体柱孔结构形貌特征的影响
• 3.3.2 毛细管内径对柱床渗透性的影响
• 3.3.3 毛细管内径对分离柱效的影响（Van Deemter curves）
• 3.3.4 梯度洗脱条件下蛋白质的分离情况
• 3.3.5 毛细管内径对整体柱分离阻抗的影响
• 3.3.6 毛细管内径对柱容量的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 聚甲基丙烯酸丁酯毛细管整体柱用于微囊藻毒素分离的研究
• 4.1 引言
• 4.2 聚甲基丙烯酸丁酯毛细管整体柱在Μ-HPLC 中分离微囊藻毒素的研究
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 磺酸化聚甲基丙烯酸丁酯毛细管整体柱在Μ-HPLC 中分离微囊藻毒素
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 磺酸化聚甲基丙烯酸毛细管整体柱在PCEC 中分离微囊藻毒素的研究
• 4.4.1 实验部分
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.4.3 小结
• 4.5 三种方法对比
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 AAUA-EDMA 毛细管整体柱的制备及其在CEC 中的应用
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与材料
• 5.2.2 仪器
• 5.2.3 软件
• 5.2.4 色谱条件
• 5.2.5 单体AAUA 的合成
• 5.2.6.A AUA-EDMA 毛细管整体柱制备
• 5.2.7 参数计算
• 5.2.8 实验方案
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 整体柱的制备
• 5.3.2 D-Optimal 实验设计研究聚合混合物组分对整体柱色谱性能的影响
• 5.3.3 响应面分析
• 5.3.4 响应面优化聚合混合物组分
• 5.3.5 AAUA-EDMA 整体柱的表征
• 5.3.6 氨基甲酸酯农药的分离
• 5.3.7 重现性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 附录 符号与标记
• 致谢
• 攻读博士学位期间已录用和待发表的论文