以工业硅油DC710为原料制备高纯度色谱固定相
摘要：固定相是色谱分离的核心技术。作为气相色谱固定相的聚硅氧烷需要有较高的分子量和较窄的分子量分布。如果固定相中低分子量的杂质较多，将导致固定相的热稳定性差、高温流失严重。本文以工业硅油为原料，提出以四氢呋喃为良溶剂、水为不良溶剂的沉淀分级方法，成功的将工业硅油中的低分子量杂质分离除去，获得了分子量高、分布窄的气相色谱固定相。将该固定相制备成填充柱进行评价，结果表明其热稳定性优于进口的色谱固定相OV-17，而分离选择性相似。
1 引言
固定相是色谱分离的核心技术。聚硅氧烷是气相色谱法使用最广泛的固定相材料。常见的聚硅氧烷有甲基聚硅氧烷（俗称甲基硅油）、苯基甲基聚硅氧烷（俗称苯甲基硅油）、氰丙基苯基-甲基聚硅氧烷、三氟丙基-甲基聚硅氧烷等。
国内外生产聚硅氧烷产品的厂家很多，产品型号和规格也各有特色。但是能够用作色谱固定相的产品却不多，性能优异的种类则更少。作为气相色谱固定相，除了要有分离能力外，还要求有好的稳定性，一方面是化学稳定性，即不会与待测物发生任何不可逆的化学反应；另一方面是热稳定性，即高温下不挥发、不分解。普通的工业级硅油往往因为稳定性不够而无法用作气相色谱固定相，这主要是因为工业硅油中一般含有小分子杂质和大量的低聚物。高温下这些杂质和低聚物逐渐挥发和分解，从而形成了基线漂移和噪音，使检测结果变差。虽然通过长时间的高温老化可以使低沸点组分流失的问题减轻，但是老化的代价是固定相总量的大量损失。经过这样的长时间高温老化处理后，实际使用时的固定相负载量（对于毛细管柱是液膜厚度）会显著低于制备色谱柱时的标称值。而专为色谱分析制备的聚硅氧烷一般都采用了独有的生产工艺，低聚物和小分子杂质很少，从而具有很好的高温稳定性，其代表产品主要有美国OV公司（Ohio ValleySpecialty Chemical Co.）的OV系列、美国色谱科公司（SupelcoInc.）的SP系列、美国通用电气公司（General Electric Co.）的SE系列等。上述进口聚硅氧烷固定相的热稳定都很好，例如甲基聚硅氧烷SE-30的最高使用温度达到300℃以上，苯基甲基聚硅氧烷OV-17的最高使用温度可达280~300℃。
国内的上海试剂厂也曾生产过聚硅氧烷类的色谱固定相，商品名为硅油I、硅油II等，目前仍在由国药集团销售。但由于生产技术不足，这些国产固定相的热稳定性普遍不太理想，最高使用温度只有200℃左右。正是由于国内技术的落后和国外大公司的技术垄断，导致色谱固定相价格昂贵。例如西格玛奥德里奇公司（Sigma-Aldrich）销售的OV-17固定相每25g售价高达8000余元。
苯甲基硅油是常见的工业产品，广泛用作导热油和扩散泵油，最具代表性的产品有美国道康宁公司（Dow Corning Co.）的DC710等，国内也有厂家生产同类产品。该类型的工业硅油具有与OV-17色谱固定相类似的分子结构和分离选择性，因此也有被用作色谱固定相的尝试。但是由于DC710的分子量较小且杂质较多，其耐热性不理想。即使是专供色谱使用DC710试剂，最高使用温度一般也只有220~250℃左右。
硅油的生产工艺较为复杂，想精确控制分子量不太容易。但是由于聚合物的分子量存在一个较宽的分布，既有高分子量的组分、又有低分子量的组分，因此我们可以通过高分子化学中特有的沉淀分级方法将工业硅油中低分子量组分和其他小分子杂质除去，从而实现纯化、获得分子量较高且分布较窄的高性能产品。
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2 实验
2.1 原料
美国道康宁产DC710苯甲基硅油，上海国药产分析纯四氢呋喃，去离子水。
2.2 实验方法
称取DC710苯甲基硅油5.00g放入400mL高型烧杯中，加200mL四氢呋喃，磁力搅拌溶解。保持室温在25℃左右，向上述溶液中缓慢滴加纯水80mL，同时不断搅拌，得到乳浊液。加盖，继续搅拌30min，然后将乳浊液转入带塞的离心管中，以4000r/min的速度离心5min使两相分离。弃去上层液体，收集下层高分子相合并，加入10倍体积的四氢呋喃-水溶液（体积比2/1），加塞后充分振荡。再次离心分离，弃去上层液体，收集下层高分子相，再加入10倍体积的纯水洗涤一次。弃去水相，收集下层硅油，真空干燥得到产物3.55g，得率71%。
将上述产物按上述相同方法进行二次沉淀提纯，得产物2.46g，总得率49%。
2.3 产物表征
产物分子量和分子量分布用凝胶渗透色谱（GPC）测定，仪器为安捷伦1100色谱系统，色谱柱为安捷伦PLgel mixed-C（4.6mm*250mm），流动相为色谱纯四氢呋喃，流速0.350mL/min。分子量标样为单分散聚苯乙烯。
产物热稳定性用热重分析法表征，仪器为美国TA公司SDT Q-600综合热分析仪，高纯氮气保护下进行测定，升温速率为5℃/min。
2.4 产物的色谱分析性能评价
将产物制备成填充柱进行性能评价。将纯化产物用甲苯溶解涂覆到80~100目上试102（硅烷化）担体，负载量5%。均匀干燥后用真空抽吸法装填成1.5m*2mm（i.d.）的不锈钢柱。色谱柱通载气缓慢升温至260℃老化12小时后使用。
作为对比样的未纯化DC710和OV-17（英国CS公司产，上试厂分装）按同样方式制成色谱柱进行对照实验，其中DC710柱的老化温度为230℃。
所用色谱仪为山东瑞虹产SP7820，载气为高纯氢气，流速20mL/min。检测器为FID，灵敏度109，氢气流速20mL/min，补充气为氮气，30mL/min，检测器温度为280℃。
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3 结果与讨论
3.1 纯化前后的分子量和分子量分布对比
聚合物的溶解性依赖于其分子量，在一定条件下通常是高分子量的溶解度小、而低分子量的溶解度大。选择一个良溶剂将试样溶解，然后逐渐加入不良溶剂，则分子量大的物质优先沉淀、而分子量小的物质保留在溶液中。本方法用四氢呋喃作为良溶剂溶解苯甲基硅油，让后加入纯水作为不良溶剂进行沉淀，高分子量的聚合物优先沉淀，低聚物和小分子杂质留在溶液中，从而达到分离纯化的目的。分别将一次纯化和二次纯化的产物进行GPC测定，结果见图1，对比样DC710和OV-17的GPC结果也见图1，根据聚苯乙烯标样计算出各样品的评价分子量和分子量分布见表1。从测定可以看出，DC710的分子量较小且分布较宽，在低分子量一侧有明显的肩峰，说明含有较多的小分子杂质。经过一次沉淀提纯后，产物的分子量分布明显变窄、杂质的肩峰显著减小，说明沉淀纯化有很好的效果。与OV-17的GPC结构对比表明，一次沉淀提纯产物已经具有与色谱级OV-17接近的平均分子量和分子量分布。经过二次沉淀纯化之后，产物的分子量已经显著高于OV-17，分子量分布也显著更窄，杂质的肩峰也已经完全除去。上述结果都表明，本沉淀分离方法可以有效的获得分子量高且分布窄的硅氧烷聚合物。
图1 纯化产物与对比样品的GPC分析
| 表1 纯化产物和对比样的平均分子量和分子量分布系数 |
| | 数均分子量 Mn/103 | 重均分子量 Mw/103 | 分子量分布系数 Mw/Mn |
| 一次纯化产物 | 2.94 | 1.98 | 1.49 |
| 二次纯化产物 | 3.35 | 2.47 | 1.35 |
| DC710 | 2.45 | 1.54 | 1.59 |
| OV-17 | 2.85 | 1.92 | 1.48 |
3.2 纯化产物的热重分析
将二次纯化的产物与两个对比样在同样条件下进行了热重分析，结果见图2。三者的热失重温度和失重率有显著差异，这显著表明了分子量分布改变后耐热性能的差异。DC710的分子量分布最宽、低分子量杂质最多，因此在较低温度下就表现出明显的失重。色谱级的
OV-17由于有更高的分子量和更窄的分子量分布，因此失重温度更高、失重量更少。若以失重2%作为固定相流失的指标，则OV-17达到280℃左右，比DC710高30℃以上。而二次纯化的产物由于分子量比OV-17更高、分布也更窄，相应的也具有更高失重温度。同样以失重2%作为指标，二次纯化产物的温度达到约295℃，比OV-17的热稳定性更好。
图2纯化产物与对比样品的热重分析
3.3 固定相的热稳定性
通过FID基流大小和噪音大小来评价固定相的热稳定性。高温下固定相的流失是导致FID基流增加的直接原因，基流增加的同时也将引起基线噪音的响应增大。将制备的色谱柱在不同柱温下达到平衡，记录基流的大小和基线噪音的大小，结果分别见图3和图4。从图中可以看出，DC710作为固定相的热稳定性是较差的，在220℃已有比较明显的流失，基流和基线噪音都出现明显增大的现象，柱温达到240℃时基流和基线噪音已经增加到无法使用的地步。因此DC710作为固定相的最高使用温度约为220~240℃。经过二次沉淀提纯后的固定相热稳定性显著提高，在柱温达到260℃时才观测到比较明显的流失现象，此柱温下的基流不到20mV、基线噪音不到0.04mV，对测定基本上没有不利影响。柱温进一步提高到280℃后流失现象才表现得比较明显，但基流和基线噪音仍然在可以使用的范围内。因此可以认为二次沉淀提纯后的固定相最高使用温度可达280℃以上。与色谱级OV-17固定相相比，本方法制备的固定相在相同柱温下具有更低的基流和基线噪音，这说明提纯后的固定相的热稳定性已经优于市售的OV-17试剂，高温流失更低、可使用的温度更高。
图3 纯化产物与对比样品的FID基流
图4 纯化产物与对比样品的FID基线噪音
为了进一步考察固定相的热稳定性，对色谱柱进行了高温长时间使用的实验。将色谱柱在260℃的柱温下长时间连续使用，并间隔一段时间以邻苯二甲酸二正辛酯（DnOP）标样测定容量因子。随着高温使用时间的延长，容量因子的变化如图5所示。在初始时间，OV-17柱的容量因子就略低于二次沉淀提纯的固定相，这主要是因为OV-17固定相本身仍然含有较多的低分子杂质，在色谱柱制备初始的老化阶段就有比较明显的流失，实际所得的负载量小于初始配比。而提纯的固定相杂质较少，在色谱柱制备初始的老化阶段流失不多，实际所得的负载量更接近初始配比。随着使用时间的延长，OV-17固定相仍有不断的流失，因此DnOP的容量因子持续减小，使用48h后减小了约4%。而二次沉淀提纯的固定相几乎没有进一步的流失现象，使用48小时后DnOP的容量因子变化不足1%。
图5 容量因子随使用时间的变化
柱温260℃，以邻苯二甲酸二正辛酯（DnOP）测定。
3.4 固定相的分离选择性
沉淀分离提纯只改变了聚合物的分子量分布，对于基团组成没有影响，因此固定相的极性强弱和分离选择性不会发生变化。测定了几种不同结构物质在这几种固定相上的保留指数，结果见表2。二次沉淀提纯的固定相对各种物质的保留指数都与DC710和OV-17两种固定相接近，这表明纯化后的固定相具有与OV-17基本一致的分离选择性，一定程度上可以替代OV-17固定相。
| 表2 几种物质在纯化产物和对比样上的保留指数 |
| | DC710 | OV-17 | 二次纯化产物 |
| 甲基丙烯酸丁酯 | 1035 | 1042 | 1045 |
| 己酸乙酯 | 1045 | 1061 | 1058 |
| 正辛醇 | 1182 | 1176 | 1188 |
| 硝基苯 | 1266 | 1247 | 1259 |
注：柱温140℃ |
尝试用二次沉淀提纯的固定相分离测定三硝基甲苯、邻苯二甲酸酯等高沸点物质，获得了较好的效果，见图6、图7。
图6 三硝基甲苯的色谱图
三硝基甲苯（TNT）浓度0.10g/L，溶剂异丙醇，柱温180℃，进样口220℃，其余条件同2.4。
图7 邻苯二甲酸酯的色谱图
邻苯二甲酸二异丁酯（DiBP）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸丁苄酯（BBP）、邻苯二甲酸二（2-乙基-己基）酯（DEHP）、邻苯二甲酸二正辛酯（DnOP）浓度均为1.00g/L，正己烷溶剂，进样口240℃，其余条件同2.4。
4 结论与展望
本文采用较为简单的沉淀分级方法分离纯化工业硅油，获得了性能优良的气相色谱固定相，其高温稳定性优于进口的OV-17固定相，分离选择性与OV-17类似。
近年来国内的色谱技术有了不小的发展，色谱仪器的国产化率显著提高，但一些核心技术，例如高精度的流量控制阀、高惰性的毛细管柱、耐高温的色谱固定相、耐高温的高分子密封材料等方面，与国外还有很大差距，甚至有些技术完全由国外大公司垄断。本文的尝试为解决上述问题提供了一定的思路和参考。只要敢于尝试和创新，并且有求精务实的精神，打破国外的技术垄断、掌握自己的核心技术并非不可能的。
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