用于多模式色谱的亚甲基调控型磺酸功能化二氧化硅固定相

《Talanta》：Methylene-tuned sulfonic acid-functionalized silica stationary phases for multi-mode chromatography

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  Sil-SMSa和Sil-SSa是通过硫醇-烯烃点击化学制备的。
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  Sil-SMSa和Sil-SSa提供RPLC/HILIC/IEC模式，用于分离复杂分析物。
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  亚甲基间隔基增强了Sil-SMSa相对于Sil-SSa的分离选择性。
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  Sil-SMSa和Sil-SSa在选择性和溶剂用量上优于对照色谱柱。
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  Sil-SMSa与Sil-SSa的对比揭示了间隔基对多模态性能的影响。

引言

在高效液相色谱（HPLC）中，传统的单模态固定相通常仅依赖单一保留机制，难以同时分离含有疏水性、亲水性和可离子化化合物的复杂样品[1], [2], [3], [4], [5]。因此，分析人员往往需要在多根色谱柱之间切换，这不仅降低了分析效率，还增加了方法开发的复杂性。混合模式色谱固定相能够在单根色谱柱上提供两种或更多的保留机制，显著拓宽了复杂样品的极性覆盖范围，减少了对色谱柱切换的需求，提高了分析效率，并有效降低了溶剂消耗量[6], [7], [8], [9], [10]。根据所涉及的保留机制数量，混合模式固定相可被归类为双模式（如RPLC/HILIC [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], RPLC/IEC [23], [24], [25], [26], [27], HILIC/IEC [28], [29], [30]）或多模式（如RPLC/HILIC/IEC [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], RPLC/HILIC/IEC/NPLC [38]）。其中，集成三种或更多保留机制的多模式固定相，能够实现多种相互作用的协同控制，并进一步拓展分离应用范围，近年来受到越来越多的关注。

在多模式固定相的设计中，硅胶表面上功能基团的空间排布及其相对位置已被证实会显著影响分离选择性[39], [40]。Wang等人[41]通过光引发硫醇-烯烃点击化学制备了两种经离子液体和羧酸基团共修饰的固定相（Sil-C4Im-C9Co和Sil-C9Im-C4Co），并系统研究了离子液体与羧酸硅烷试剂的相对链长对色谱性能的影响，发现当长烷基链位于外侧时（Sil-C9Im-C4Co），咪唑环的可及性增强，导致阴离子交换容量显著增强。相反，当短链位于外侧时（Sil-C4Im-C9Co），尽管羧基的阳离子交换能力得到增强，但咪唑环的π–π相互作用和氢键结合能力受到抑制。Luo等人[42]制备了三种区域异构的咪唑鎓离子液体固定相，发现咪唑鎓离子在嵌入内层、中层或外层区域的烷基链中的位置，会大幅改变π–π相互作用、氢键和离子交换能力的相对贡献，表明功能基团的空间排布在多模式协同效应中起着决定性作用。

此外，我们之前的工作[37]报道了一种芘三磺酸修饰的硅胶固定相，该固定相利用芘环的强π–π相互作用和疏水效应，结合-SO₃^-的阳离子交换和亲水性，成功实现了HILIC、RPLC和IEC模式下的分离。该固定相能够在低有机溶剂消耗下高效分离核苷酸、核苷苷、人参皂苷、生物碱、多环芳烃（PAHs）以及14种稀土元素（REEs）。值得注意的是，尽管键合密度仅为0.22 μmol/m²，Dy和Y的基线分离仍得以实现，这可归因于芘环刚性平面结构所提供的强π–π相互作用。相比之下，我们的另一项工作[43]以2-(4-氯磺酰基苯基)乙基三氯硅烷为功能试剂，在甲苯中制备了一种芳香磺酸修饰的硅胶固定相，键合密度高达3.37 μmol/m²。该固定相实现了包括 notoriously difficult 的Dy/Y对在内的16种稀土元素的完全分离。这些研究表明，高密度的-SO₃^-是克服稀土元素分离瓶颈的有效策略，同时也证明，即使键合密度有限，芳香环与稀土元素配合物之间的次级相互作用也能增强特定元素对的分离选择性，进一步凸显了多机制协同相互作用的重要性。

基于上述发现，本研究设计并制备了两种固定相：苯磺酸修饰硅胶（Sil-SMSa）和苯磺酸修饰硅胶（Sil-SSa），二者的唯一区别在于-SO₃^-与苯环之间是否存在亚甲基间隔基。该设计保留了单苯环体系的低空间位阻特性，以支持相对较高的键合密度，同时间隔基的引入使-SO₃^-与芳香环之间的空间距离和电子相互作用得以调节。通过评价核苷酸和核苷苷、维生素、黄酮类化合物、磺胺类药物、PAHs和稀土元素在RPLC、HILIC和IEC模式下的表现，并结合涉及盐浓度、pH、有机相比例以及线性溶剂化能关系（LSER）的保留机制研究，系统考察了这种细微结构变化对多模式分离性能的影响。此外，通过分离枸杞中的核苷酸和核苷苷，评估了所开发固定相的实际应用潜力。本研究有望为多模式色谱固定相的合理设计提供新的见解和实验证据。

各章节摘要

试剂与材料

多孔硅胶颗粒（1.8 μm，孔径12 nm，比表面积300 m² g^-1）购自纳克色谱科技（苏州）有限公司。（3-巯丙基）三甲氧基硅烷（MPTS，98%）购自上海碧云天生物技术有限公司。2,2'-偶氮双（2-甲基丙脒）二盐酸盐（AIBA，99.5%）、4-乙烯基苯磺酸钠（SSa，90%）、4-(氯甲基)苯乙烯（98%）和2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT，99.7%）均购自Energy Chemical（上海）。

Sil-SMSa和Sil-SSa固定相的表征

通过元素分析、FT-IR分析和XPS分析证实了Sil-SMSa和Sil-SSa固定相的成功制备。

元素分析结果（表S1）显示，Sil-SH、Sil-SSa、Sil-SMSa-1和Sil-SMSa-2的碳含量（C%）分别为1.42%、6.30%、5.96%和10.51%，而硫含量（S%）则分别为0.70%、1.93%、2.15%和2.84%。根据公式(2)、(3)、(4)，Sil-SH、Sil-SSa、Sil-SMSa-1和Sil-SMSa-2的表面覆盖度分别为

结论

综上所述，Sil-SMSa和Sil-SSa通过硫醇-烯烃点击化学成功制备。两种固定相均展现出多模式色谱分离性能，包括RPLC、HILIC和IEC，对核苷酸和核苷苷、维生素、黄酮类化合物、磺胺类药物、PAHs和稀土元素等多种分析物表现出优异的分离性能。然而，由于表面化学结构和覆盖度的差异，其分离选择性和保留行为

CRediT作者贡献声明

Xiuhui Liu：调查研究。Bo Zhang：资源支持、调查研究。Hongdeng Qiu：验证、资源支持、方法学、调查研究。Qian Miao：调查研究。Jia Chen：撰写——审阅与编辑、验证、指导、资源支持、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、概念化设计。Yali Yang：撰写——初稿、可视化、软件、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理。Kaijun Quan：调查研究。Ying Zhang：验证。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何已知的、可能会影响本文所报告工作的竞争性经济利益关系或人际关系。

致谢

本研究得到了中国科学院战略先导科技专项（编号：XDB1220000）、国家自然科学基金（编号：22374159）以及甘肃省杰出青年基金（编号：24JRRA042）的支持。

Yali Yang|Ying Zhang|Kaijun Quan|Hongwei Zhao|Bo Zhang|Xiuhui Liu|Qian Miao|Hongdeng Qiu|Jia Chen