一種基于石墨烯類與氧化鋅雙層膜固定相的色譜柱及其固定相的制備方法與流程

本發明屬于色譜分離技術領域，特別涉及一種基于石墨烯類與氧化鋅雙層膜固定相的色譜柱及其固定相的制備方法。

背景技術：

色譜柱在色譜技術中扮演著重要的角色，樣品通過色譜柱進行分離。然而，目前商業化的色譜柱仍難以分離某些混合物，尤其是沸點相近的化合物、結構相近的位置異構體。眾所周知，色譜柱的分離原理是利用樣品組分在色譜固定相上的分配系數不同而達到分析分離的目的。故而，作為色譜柱的核心部分，色譜固定相的選擇和高穩定性的研究具有十分重要的意義。

石墨烯類材料主要包括石墨烯(g)、氧化石墨烯(go)和還原氧化石墨烯(rgo)。在分析化學領域，石墨烯類材料作為新型的固相微萃取(spme)和色譜柱固定相材料正引起人們的日益關注。然而，石墨烯類材料是納米量級的片狀固體，難以采用常規的涂覆工藝將其制備形成固定相薄膜。現有研究中導致石墨烯類材料難以采用常規涂覆工藝形成固定相薄膜的原因主要有以下兩種：其一在于，石墨烯類材料無論在常規有機溶劑還是在水中的溶解度都很低，進而導致制成涂覆液的粘度不足，無法附著于色譜柱上；其二在于，石墨烯類材料容易團聚，而現有常規的涂覆方法大多需要在涂覆前采用二氯甲烷預處理，經預處理后進行涂覆時go具有明顯的團聚趨勢。故而，如何實現石墨烯類材料在封閉流道內壁均勻涂覆形成固定相薄膜成為本領域亟待解決的技術問題。

現有技術中主要有如下幾種方法實現石墨烯類材料形成固定相薄膜：

(1).偶聯劑法；偶聯劑法又被分為一步偶聯劑法和兩步偶聯劑法，并且兩步偶聯法先于一步偶聯法被應用在制備石墨烯類固定相。兩步偶聯劑法可參考2012年度anal.chem雜志中的文章《capillarycoatedwithgrapheneandgrapheneoxidesheetsasstationaryphaseforcapillaryelectrochromatographyandcapillaryliquidchromatography》(《涂覆有石墨烯和氧化石墨烯納米片固定相的毛細管用于毛細管電色譜和毛細管液相色譜》)，在這篇文章中公開了一種首先在空柱內涂覆3-氨丙基二乙氧基甲基硅烷(3-amds)偶聯劑，然后采用氧化石墨烯水溶液形成固定相薄膜的方案。由于偶聯劑表面遍布氨基(-nh2)，而氧化石墨烯中富含羧基(-cooh)、羥基(-oh)等功能團，偶聯劑中的氨基和氧化石墨烯中的羧基通過共價鍵合能夠使得納米片狀的氧化石墨烯固定進而形成固定相薄膜。并且，上述固定相薄膜后續可采用聯胺還原法去除氧化石墨烯中絕大部分羥基，進而得到石墨烯材料固定相薄膜。在2013年度j.chromatogr.a報道的文章《preparationandcharacterizationofopen-tubularcapillarycolumnforcapillaryelectrochromatographicseparationofsmallorganicmolecules》(《用于分離有機小分子的毛細管電色譜開管柱的制備和表征》)中同樣采用兩步偶聯劑法，主要區別在于：偶聯劑為3-aptms以及氧化石墨烯的灌注采用異丙醇溶液。一步偶聯劑法可參考2015年度chin.chem.lett.所報道的文章《separationperformanceofgrapheneoxideasstationaryphaseforcapillarygaschromatography》(《氧化石墨烯為固定相的毛細管氣相色譜的分離性能》)，在這篇文章中，作者通過酰基化反應將氧化石墨烯和偶聯劑3-amds進行超聲混合分散后，再將得到的混合液涂敷在毛細管柱內壁，進而減少了涂覆工藝的步驟。2013年度j.chromatogr.a的文章《preparationandretentionmechanismstudyofgrapheneandgrapheneoxidebondedsilicamicrospheresasstationaryphasesforhighperformanceliquidchromatography》(《石墨烯和氧化石墨烯鍵合二氧化硅微球為固定相的高效液相色譜的制備及駐留機理研究》)所公開方案與上述方案類似，主要區別在于：偶聯劑為edc/nhs，且混合液涂覆的目標對象不是毛細管空柱而是氨基化的氧化硅微球，最終制得氧化石墨烯的液相色譜填充柱，上述色譜柱隨后還可經聯胺還原形成石墨烯的填充柱。

2.自組裝法；參考2013年度j.chromatogr.a雜志報道的文章《layer-by-layerassemblyofpolyelectrolyteandgrapheneoxideforopen-tubularcapillaryelectrochromatography》(《聚電解質與氧化石墨烯的層層組裝應用于開口毛細管電色譜》)，其制備方法如下：首先在空柱內通入強陽離子聚合電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨(pdda)，在毛細管內壁形成正電荷聚集層，然后再通入氧化石墨烯的分散液。由于氧化石墨烯(go)中富含羥基、羧基、環氧基等含氧基團，而這些含氧基團都帶負電荷，故能夠與正電荷聚集層通過靜電相互作用吸附于毛細管內壁進而形成固定相。另外，根據2013年度electrophoresis雜志中文章《grapheneoxideandreducedgrapheneoxideasnovelstationaryphasesviaelectrostaticassemblyforopen-tubularcapillaryelectrochromatography,electrophoresis》(《氧化石墨烯和還原氧化石墨烯通過靜電組裝作為新型固定相用于開口毛細管電色譜及電泳》)的報道，還原氧化石墨烯(在該文中簡稱為gooh)亦能采用靜電自組裝法制備，這是由于還原氧化石墨烯(rgo)還原得不徹底，在其表面還殘留有含氧官能團，故此會帶負電性。

然而，現有技術中偶聯劑法不僅不能制備還原氧化石墨烯(rgo)，而且制備石墨烯(g)由于需要先制備氧化石墨烯(go)再還原為石墨烯，故存在步驟繁瑣，耗費時間的不足。而自組裝法由于采用靜電吸引，故要求材料具有足夠的電荷，這一點對于制備氧化石墨烯(go)較為容易滿足，而石墨烯原則上無法實現靜電自組裝；另外，還原氧化石墨烯的荷電量相對于氧化石墨烯大幅減少，導致制備難度增大，薄膜附著力減小，制成的固定相在使用時難以耐受色譜分離時流動相的多次沖刷。綜上所述，現有制備石墨烯類固定相的方法不能完全適用于石墨烯、氧化石墨烯和還原石墨烯這三種石墨烯材料，進而導致石墨烯類納米材料在本領域的應用受到了限制，因此，亟待發展一種新型的制備石墨烯類固定相的方法。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種采用氧化鋅粗糙薄膜作為過渡層和石墨烯類薄膜形成固定相的色譜柱及其固定相的制備方法，本發明普適于石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯材料在色譜柱內壁形成固定相，本發明在解決石墨烯類納米片狀材料在色譜柱內壁難以涂覆、穩定性差的問題的同時克服了現有工藝所存在的不足。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一方面，本發明提供一種基于石墨烯類與氧化鋅雙層膜固定相的色譜柱，其特征在于，色譜柱內壁直接附著有氧化鋅薄膜，所述氧化鋅薄膜上覆有納米石墨烯類薄膜，氧化鋅薄膜作為過渡層同石墨烯類薄膜共同形成固定相。

進一步地，本技術方案中石墨烯類薄膜包括：石墨烯(g)、氧化石墨烯(go)和還原氧化石墨烯(rgo)中任一種。

進一步地，色譜柱包括但不限于：石英毛細管色譜柱、金屬細管色譜柱以及mems微型色譜柱。

另一方面，本發明提供一種色譜柱固定相的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟a：制備氧化鋅薄膜；將氧化鋅和有機溶劑所形成的溶膠前驅液采用靜態涂覆法灌注至色譜柱的流道內，待有機溶劑揮發后，在流道內壁形成凝膠薄膜，經高溫煅燒處理，形成表面粗糙的氧化鋅薄膜；

步驟b：制備石墨烯類薄膜；采用靜態涂覆法將石墨烯類材料的分散液灌注至步驟a制得的色譜柱流道內，經老化處理后，在氧化鋅薄膜表面得到石墨烯類薄膜，最終制得氧化鋅薄膜作為過渡層同石墨烯類薄膜共同形成的固定相。

進一步地，本技術方案中高溫煅燒處理具體為：將流道內形成氧化鋅凝膠薄膜的色譜柱置于氮氣環境中，在溫度為350～450℃的條件下處理2～5小時；優選地，處理溫度為400℃，處理時間為3小時。

進一步地，本技術方案中石墨烯類材料包括：石墨烯、氧化石墨烯(go)和還原氧化石墨烯(rgo)中任一種。

進一步地，本技術方案中石墨烯類材料的分散液可以是石墨烯類材料的水分散液，也可以是石墨烯類材料的有機溶劑分散液。

根據本領域普通知識可知：上述兩個技術方案可以應用于氣相色譜，也可以應用于液相色譜。

相比現有技術，本發明具有如下有益效果：

1、本發明提供了一種普適于石墨烯、氧化石墨烯和還原氧化石墨烯材料在色譜柱內壁形成固定相的方法，克服了傳統自組裝方法所存在普適性欠缺的不足；同時，相比傳統方法采用石墨烯類材料制成固定相，還具有制備步驟簡單，成本低廉、制得產品分散均勻且附著牢固的優勢，有利于大規模工業化生產。

2、本發明提供了一種基于氧化鋅薄膜和石墨烯類薄膜形成固定相的色譜柱，通過將氧化鋅薄膜制成粗糙過渡層，進而作為色譜柱內壁與石墨烯類材料之間的過渡層，通過化學鍵合與機械錨合作用提高了石墨烯類納米材料在色譜柱內壁的附著力，提高了固定相的穩定性和均勻性。

附圖說明

圖1為單層石墨烯類薄膜固定相在色譜柱內壁的結構示意圖；

圖2為本發明所提供氧化鋅/石墨烯類固定相在色譜柱內壁的結構示意圖；

圖3為本發明實施例所提供的氧化鋅薄膜的sem表面形貌圖；

圖4為本發明所提供基于氧化鋅/石墨烯類固定相的微型氣相色譜柱對8種非極性烷烴(碳原子數為5～12)混合物的分離效果圖；

圖5為基于單層還原氧化石墨烯薄膜固定相的微型氣相色譜柱對8種非極性烷烴(碳原子數為5～12)混合物的分離效果圖。

具體實施方式

以下通過實施例并結合說明書附圖詳細闡述本發明的技術方案，同時對本發明的原理和特性做進一步的說明。本實施例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

圖1為單層石墨烯薄膜作為固定相的結構示意圖，圖2為本發明所提供氧化鋅/石墨烯類材料形成雙層膜作為固定相結構示意圖，結合圖3所示氧化鋅薄膜的sem表面形貌圖，通過對比本發明固定相與單層石墨烯薄膜形成固定相，可以看出：氧化鋅薄膜是顆粒膜，作為過渡層能夠使得原先光滑平整的襯底表面大幅度粗糙化，這一技術手段的實施不僅能夠為石墨烯類納米材料的固定提供更多的吸附或/和鍵合的位點，而且基于粗糙表面還產生了機械鎖合機制，有利于進一步提高石墨烯類納米片狀材料的附著力。

實施例1：

本實施例采用硅基mems微型氣相色譜柱制備固定相，具體制備工藝包括如下步驟：

步驟1：mems微型色譜柱的制備；

本實施例的mems微型色譜柱是8個平行流道的多道柱結構，每個流道的深度為300微米，寬度為30微米，深度與寬度之比為10∶1，本實施例具體是采用drie工藝刻蝕單晶硅，然后采用陽極鍵合工藝形成玻璃頂蓋，本實施中流道的平面形狀為蛇形，流道總長度為0.5米。

步驟2：制備氧化鋅薄膜；

根據本領域技術人員普通知識可知：在進行固定相涂覆之前，應采用八甲基硅氧烷對硅基流道進行惰性化處理，然后再進行如下操作：

a).將4.39g的二水合乙酸鋅溶于40ml的無水乙醇中，在60℃水浴條件下磁力攪拌1小時，隨后加入2ml的乙醇胺作為穩定劑再攪拌1小時，利用冰醋酸和氨水調節溶膠的ph值為8；

b).將制得氧化鋅溶膠前驅液在室溫下靜置陳化72小時；

c).連接靜態涂覆管路，將已經凝膠處理的乙酸鋅溶液通過高壓氮氣通入到色譜柱流道內，直到出氣口處出現液滴，觀察色譜槽壁無氣泡，進而保證凝膠完全涂覆在色譜柱流道內；

d).排出流道內剩余的凝膠，在氮氣保護下，將色譜柱置于400℃的烘箱中，保持此溫度下處理3小時，從而在流道內壁生成氧化鋅薄膜過渡層；

步驟3：制備還原氧化石墨烯薄膜；

a).將濃度為0.43wt％的還原氧化石墨烯水溶液采用去離子水稀釋至0.2wt％，然后將稀釋后溶液超聲處理5分鐘，形成均勻的分散體系；

b).連接靜態涂覆管路，將均勻還原氧化石墨烯分散液通過高壓氮氣通入到色譜柱流道內進行涂覆，觀察色譜柱另一個端口液體出現均勻黑色液滴后，封閉首尾兩個端口；

c).將上述步驟制得的色譜柱在室溫下放置24小時，然后推出還原氧化石墨烯分散液，將經過上述步驟制得的微型色譜柱在氮氣保護下采用程序升溫進行老化處理，具體地，老化處理的工藝參數為：柱溫箱的溫度以2℃/min的速率從30℃升至200℃，在200℃下維持4小時形成均勻的還原氧化石墨烯薄膜；在色譜柱內壁的氧化鋅薄膜作為過渡層同還原氧化石墨烯薄膜共同作為固定相。

實施例2：

本實施例作為對比實施例，同樣采用硅基mems微型氣相色譜柱制備固定相，具體制備工藝包括如下步驟：

步驟1：mems微型色譜柱的制備；

本實施例的mems微型色譜柱制備過程及規格同實施例1，在此不再贅述；

步驟2：制備還原氧化石墨烯薄膜；

根據本領域技術人員普通知識可知：在涂覆還原氧化石墨烯分散液之前應采用八甲基硅氧烷對硅基流道進行惰性化處理，然后再進行如下操作：

a).將濃度為0.43wt％的還原氧化石墨烯水溶液采用去離子水稀釋至0.2wt％，然后將稀釋后溶液超聲處理5分鐘，形成均勻的分散體系；

b).連接靜態涂覆管路，將均勻還原氧化石墨烯分散液通過高壓氮氣通入到色譜柱流道內進行涂覆，觀察色譜柱另一個端口液體出現均勻黑色液滴后，封閉首尾兩個端口；

c).將上述步驟制得的色譜柱在室溫下放置24小時，然后推出還原氧化石墨烯分散液，將經過上述步驟制得的微型色譜柱在氮氣保護下采用程序升溫進行老化處理，具體地，老化處理的工藝參數為：柱溫箱的溫度以2℃/min的速率從30℃升至200℃，在200℃下維持4小時形成均勻的還原氧化石墨烯薄膜；在色譜柱內壁的單層石墨烯類薄膜作為固定相。

之后采用具有8種烷烴(碳原子數為5～12)的混合體系對實施例1和實施例2制得色譜柱進行分離測試，在分離實驗中，儀器進樣口的恒定壓力設定為14.1kpa，色譜柱溫箱的初始溫度設定為40℃，柱溫箱的溫度以45℃/min的速率增加，直到其達到200℃。然后，得到如圖4和圖5所示的測試結果，對比可以看出本發明所提供氧化鋅薄膜和還原氧化石墨烯薄膜形成雙層膜作為固定相的色譜柱對上述混合體系實現了良好的分離，8種組分的駐留時間按含碳量由低到高依次增加，全部分離的時間僅需130秒；而單層還原氧化石墨烯薄膜在分離過程中，無論如何調整程溫條件，都難以獲得良好的分離效果。上述實驗結果是因為質量百分比為0.43％的還原氧化石墨烯的懸濁液(其中，rgo：96.41％，c：3.59％，o：1～10層)的粘度很低，很難在硅流道的內壁形成均勻而穩定的固定相薄膜。而在涂覆還原氧化石墨烯水溶液之前先制備氧化鋅薄膜過渡層后，氧化鋅薄膜過渡層能夠有效地使流道內壁變粗糙，進而提高了還原氧化石墨烯薄膜(rgo)的附著力，有利于形成穩定還原氧化石墨烯薄膜。氧化鋅薄膜過渡層的存在還有效提高了流道內壁的表面積，保證氣體分子與還原氧化石墨烯充分接觸，進而增大槽道里流動相和固定相吸附-脫附的作用，從而獲得高分離效率。

實施例3：

本實施例采用石英毛細管液相色譜柱制備固定相，具體制備工藝包括如下步驟：

步驟1：制備氧化鋅薄膜；

a).將4.39g的二水合乙酸鋅溶于40ml的無水乙醇中，在60℃水浴條件下磁力攪拌1小時，隨后加入2ml的乙醇胺作為穩定劑再攪拌1小時，利用冰醋酸和氨水調節溶膠的ph值為8；

b).將制得氧化鋅溶膠前驅液在室溫下靜置陳化72小時；

c).連接靜態涂覆管路，將已經凝膠處理的乙酸鋅溶液通過高壓氮氣通入到色譜柱流道內，直到出氣口處出現液滴，觀察色譜槽壁無氣泡，進而保證凝膠完全涂覆在色譜柱流道內；

d).排出流道內剩余的凝膠，在氮氣保護下，將色譜柱置于450℃的烘箱中，保持此溫度下處理4小時，從而在流道內壁生成氧化鋅薄膜過渡層；

步驟2：制備石墨烯薄膜；

a).將石墨烯的乙二醇溶液采用超聲處理5分鐘，形成均勻的分散體系；溶液中石墨烯的濃度為0.5mg/ml；

b).連接靜態涂覆管路，將均勻石墨烯分散液通過高壓氮氣通入到色譜柱流道內進行涂覆，觀察色譜柱另一個端口液體出現均勻黑色液滴后，封閉首尾兩個端口；

c).將上述步驟制得的色譜柱在室溫下放置24小時，然后推出石墨烯分散液，將經過上述步驟制得的色譜柱在氮氣保護下采用程序升溫進行老化處理，具體地，老化處理的工藝參數為：柱溫箱的溫度以2℃/min的速率從30℃升至200℃，在200℃下維持4小時形成均勻的石墨烯薄膜；在色譜柱內壁的氧化鋅薄膜作為過渡層同石墨烯薄膜共同作為固定相。

上述具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，盡管已闡述了本發明的優選實施例，但本領域內的技術人員一旦得知了基本創造性概念，即可對上述實施例作出另外的變更和修改。因此本發明的權利要求的范圍應涵蓋優選實施例以及落入本發明范圍的所有變更和修改。