用于色譜應用的復合材料的制作方法
【專利摘要】本申請涉及用于色譜應用的復合材料和用于制備所述復合材料的方法。
【專利說明】用于色譜應用的復合材料
[0001 ] 本申請涉及用于色譜應用的復合材料以及用于制備所述復合材料的方法。
[0002]在傳統(tǒng)上，用于有機分子和生物分子的色譜介質(zhì)根據(jù)以下與樣品的可能相互作用方式中的一種或更多種來分類:
[0003]-疏水相互作用(反相)
[0004]-親水相互作用(正相)
[0005]-陽離子交換
[0006]-陰離子交換
[0007]-尺寸排阻
[0008]-金屬離子螯合作用。
[0009]上述色譜類別傳統(tǒng)地逐步應用于給定分離問題反映出產(chǎn)物純度的逐步穩(wěn)定提高，但也反映出在每一個階段產(chǎn)物的損失，這些損失在最后嚴重累積，更不用說操作時間和用品(good)的成本。在早期階段向下游生產(chǎn)過程中引入親和色譜法可能是該需要的一個答案，因為很多次可由此將一系列連續(xù)的順序色譜步驟減少為只有一步。
[0010]有時，認為親和色譜法自成一類。此外，從化學觀點來看，其基于與如上所描述的相同的相互作用方式。親和色譜法的主要特征是其對預定分析物的高特異性，該高特異性通?；谝阎姆肿幼R別對。
[0011]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的大多數(shù)色譜吸附劑由表面覆蓋有交聯(lián)聚合物薄膜的固體支承材料組成。在過去已經(jīng)使用聚合物例如交聯(lián)聚丁二烯、聚苯乙烯、聚硅氧烷、聚(甲基)丙烯酸酯以及聚酰胺。首先，施用它們是旨在用于產(chǎn)生防止周圍介質(zhì)與固體支承材料的基礎部分(載體)發(fā)生不期望的相互作用的致密表面。這樣的相互作用可以導致分子與吸附劑的非特異性或者甚至是不可逆的結(jié)合，而在另一方面，固體支承材料的組成或其與配體的化學連接可被樣品或洗脫劑的侵蝕性組分破壞。
[0012]聚合物涂覆的吸附劑主要由于在如上所列舉的所有色譜類別中的應用而眾所周知，但特別是用于疏水相互作用和尺寸排阻。
[0013]還已知并非在內(nèi)部交聯(lián)而是作為直鏈或支鏈與載體材料接枝的聚合物涂料，例如所謂的觸角樹脂(tentacle resin) 0在另一方面，親和色譜法主要用大量凝膠相樹脂來實施。
[0014]優(yōu)異的凝膠形成材料是介質(zhì)交聯(lián)的多糖、聚丙烯酰胺以及聚環(huán)氧乙烷。但是，這些介質(zhì)的機械阻力與無機支承材料相比弱得多，因為這些介質(zhì)在所施加的壓力下可壓縮，并且不耐受由攪拌、柱填充或高液體流量導致的剪切應力。因此，與簡單HPLC工藝條件完全相容的親和吸附劑是罕見的。
[0015]就在不久前，意識到了固定相的機械阻力是吸附劑支承物的本體特性，其中只有固定相與移動相之間的界面處的薄層負責物質(zhì)交換以及負責與分析物的相互作用。因此，提出了將在機械上非常具有剛性并且三維穩(wěn)定的多孔3維芯的功能與含有用于結(jié)合分析物的活性配體的凝膠樣界面層相組合的想法，并且已在技術(shù)上解決了相關(guān)的合成問題。這樣的雜化材料采用在任意種無機氧化物基底上或者具有低極性的致密交聯(lián)聚合物上具有高極性的松散交聯(lián)聚合物。
[0016]方法學上，它們可以通過以下來制備:將具有高極性的聚合物施加到芯材上或者在芯材和交聯(lián)劑的存在下直接聚合極性單體、其前體或預聚物。根據(jù)后一方法制備的大多數(shù)材料在文獻中描述為具有非孔滲透形態(tài)或孔填充形態(tài)。但是，非滲透膜具有可用于與分析物相互作用的受限的表面積，因此具有只取決于聚合物膜厚度的低結(jié)合能力，孔填充膜的優(yōu)點是與分析物的相互作用的芯材的全內(nèi)孔體積，這通常導致良好的結(jié)合能力，但導致孔內(nèi)側(cè)的低擴散傳質(zhì)速率以及與移動相的交換動力學。
[0017]因此，仍然需要提供用于配體與分析物相互作用的高表面積的吸附劑材料，其示出分析物與配體的良好結(jié)合能力，并且具有孔內(nèi)側(cè)的擴散傳質(zhì)速率以及與移動相的交換動力學。此外，該系統(tǒng)應在移動相和分析物的影響下穩(wěn)定，所述移動相和分析物的影響通常導致固定相的破壞或損失。
[0018]因此，本發(fā)明提供包含多孔支承物和在多孔支承物的表面上的交聯(lián)聚合物的復合材料，其中多孔支承物的孔徑[nm]與交聯(lián)聚合物的交聯(lián)度[% ]的比[PSCL比]為0.25至20[nm / % ],其中按交聯(lián)聚合物中可交聯(lián)基團的總數(shù)計,交聯(lián)度為5%至20%。
[0019]多孔支承物的孔徑[nm]與交聯(lián)聚合物的交聯(lián)度[% ]的比更優(yōu)選為0.5至15，最優(yōu)選為I至10。
[0020]根據(jù)另一個實施方案，多孔支承物的孔徑[nm]與交聯(lián)聚合物的交聯(lián)度[% ]的比[PSCL比]為2至20，更優(yōu)選為2至10。在該范圍可獲得最佳結(jié)果。
[0021]出乎意料地，發(fā)現(xiàn)固體支承材料的孔徑與粘附聚合物的交聯(lián)度的所述比是有利的，因為所述材料示出了在移動相和分析物的影響下的高穩(wěn)定性以及示出了孔內(nèi)側(cè)的高擴散傳質(zhì)速率以及與移動相的交換動力學。發(fā)現(xiàn)PSCL比為25以上的復合材料示出了多孔支承物表面上聚合物材料的損失，因此導致純化效率降低。在另一方面，PSCL比為0.25以下導致因聚合物膜的溶脹受限而純化效率降低。另外，認為高交聯(lián)導致剛性聚合物膜，其可能破裂并因而從多孔支承物解吸。
[0022]多孔支承物的孔徑優(yōu)選為至少6nm,更優(yōu)選為IOnm至200nm,最優(yōu)選為15nm至IOOnm0
[0023]根據(jù)復合材料的一個實施方案，多孔支承物的比表面積為lm2/g至1000m2/g，更優(yōu)選為 30m2/g 至 800m2 / g,最優(yōu)選為 20m2/g 至 400m2/g。
[0024]優(yōu)選地，多孔支承物的孔隙率為30體積％至80體積％，更優(yōu)選為40體積％至70體積％，最優(yōu)選為50體積％至60體積％?？梢酝ㄟ^根據(jù)DIN66133的壓萊法來確定孔隙率。還可以用根據(jù)DIN66133的壓汞法通過孔填充來確定多孔支承物的孔徑?？梢杂酶鶕?jù)DIN66132的BET法通過氮吸附來確定比表面積。
[0025]根據(jù)一個實施方案，多孔支承物是聚合物材料。優(yōu)選地，聚合物材料基本上是非溶脹性的(按非溶脹性材料計，優(yōu)選至多約5體積％至7體積％ )。出于該原因，最優(yōu)選聚合物材料具有高交聯(lián)度。
[0026]按聚合物材料中可交聯(lián)基團的總數(shù)計，聚合物材料的交聯(lián)度優(yōu)選為至少10%，更優(yōu)選為至少20%，最優(yōu)選為至少30%。優(yōu)選地，聚合物材料的交聯(lián)度至多為100%，更優(yōu)選其不超過80%至90%。
[0027]優(yōu)選地，用于多孔支承物的聚合物材料選自:一般的或表面改性的聚苯乙烯(例如，聚(苯乙烯-共聚-二乙烯基苯))、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酸酯類、聚甲基丙烯酸酯類、聚丙烯酰胺類、聚乙烯醇、多糖(例如淀粉、纖維素、纖維素酯類、直鏈淀粉、瓊脂糖、瓊脂糖凝膠、甘露聚糖、黃原膠和葡聚糖)及其混合物。
[0028]根據(jù)另一個實施方案，多孔支承物是無機材料。優(yōu)選地，無機材料是一些種類的無機礦物氧化物，優(yōu)選地選自:二氧化娃、氧化招、氧化鎂、氧化鈦、氧化錯、fluorosiIe、磁鐵礦、沸石、硅酸鹽(cellite，kieSelguhr)、云母、羥基磷灰石、氟磷灰石、金屬-有機骨架、陶瓷和玻璃例如可控孔度玻璃(例如，trisoperl)、金屬例如鋁、硅、鐵、鈦、銅、銀、金以及石墨或無定形碳。
[0029]不依賴于多孔支承物是聚合物材料還是無機材料，多孔支承物都提供具有最小剛性和硬度的固相基底，其用作不可溶性支承物，并且為擴大固定相與移動相之間的作為與分析物的相互作用位置的界面提供基礎，這是相之間的分配過程的分子基礎，其是提高的機械強度和磨損性的分子基礎，尤其是在流動和/或加壓條件下。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的多孔支承物材料可以是均勻組合物或非均勻組合物，因此還并入為一種或更多種上述材料的組合物的材料，特別是多層復合物。
[0031 ] 多孔支承物可以是顆粒狀材料，其粒徑優(yōu)選為5 μ m至500 μ m。多孔支承物還可以是片樣或纖維樣材料，例如膜。因此，多孔支承物的外表面可以是平的(板、片、箔、盤、載玻片、過濾器、膜、織造或非織造織物、紙)或彎曲的(凹的或凸的:球體、珠、顆粒、(中空)纖維、管、毛細管、小瓶、樣品盤中的孔)。
[0032]多孔支承物內(nèi)表面的孔結(jié)構(gòu)可以由除了其他以外的規(guī)則的連續(xù)毛細管通道或不規(guī)則(分形)幾何形狀的腔組成。在顯微鏡下，其可以是光滑的或粗糙的，這取決于制造方式?？左w系可以連續(xù)延伸通過整個固體支承材料或在(分支的)腔中結(jié)束。主要通過經(jīng)固體支承材料的孔擴散傳質(zhì)，因而通過其顆粒和孔徑的特征性分布來確定分析物在移動相中溶解與在固定相的表面上滯留之間的界面平衡速率，因而確定連續(xù)流分離體系的效率?？讖娇扇芜x地示出不對稱的、多模式的和/或空間地(例如，截面的)不均勻分布。
[0033]如上所述，多孔支承物在多孔支承物的表面上具有交聯(lián)聚合物。交聯(lián)聚合物可以與多孔支承物共價結(jié)合或者與多孔支承物粘附。優(yōu)選地，交聯(lián)聚合物與多孔支承物粘附。
[0034]就可交聯(lián)聚合物而言優(yōu)選的聚合物包括至少一種含氨基的聚合物。特別優(yōu)選聚乙烯基胺。其他合適的聚胺可包括聚乙烯亞胺、聚烯丙基胺等，以及除含有氨基的那些之外的官能聚合物，例如聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、其前體聚合物例如聚(馬來酸酐)、聚酰胺、或多糖(纖維素、葡聚糖、支鏈淀粉等)。
[0035]如果使用共聚物，則優(yōu)選的共聚單體是簡單烯烴單體或極性、惰性單體例如乙烯基批略燒麗。
[0036]聚合物可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有涂覆方法施加于多孔支承物，所述方法例如:吸附、汽相沉積、從液相、氣相或等離子體相聚合、旋涂、表面冷凝、潤濕、浸泡、浸潰、急流(rushing)、噴涂、回潮(damping)、蒸發(fā)、施加電場或壓力、以及基于分子自組裝的方法例如液晶、Langmuir-blodgett-或逐層膜形成。由此,聚合物可以直接涂覆為單層或多層或在彼此上的逐個順序的各單層。
[0037]根據(jù)復合材料的一個優(yōu)選實施方案，按交聯(lián)聚合物中可交聯(lián)基團的總數(shù)計，交聯(lián)聚合物的交聯(lián)度為至少5%。按交聯(lián)聚合物中可交聯(lián)基團總數(shù)計，更優(yōu)選的交聯(lián)度為5%至30%，更優(yōu)選5%至20%，最優(yōu)選10%至15%。可以容易地通過所用交聯(lián)劑的化學計算量來調(diào)節(jié)交聯(lián)度。假設接近IOOmol%的交聯(lián)劑反應并形成交聯(lián)?？梢酝ㄟ^分析方法來對其進行驗證?？梢酝ㄟ^MAS-NMR光譜學和與聚合物的量相關(guān)的交聯(lián)劑的量的定量確定來確定交聯(lián)度。最優(yōu)選該方法。還可以使用校準曲線通過基于例如C-O-C或OH振動的IR光譜學來確定交聯(lián)度。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，兩種方法都是標準分析方法。
[0038]用于交聯(lián)聚合物的交聯(lián)劑優(yōu)選地選自:二羧酸、二胺、二醇以及雙環(huán)氧化物。在一個實施方案中，至少一種交聯(lián)劑是長度為I至20個原子的直鏈構(gòu)象柔性的分子。
[0039]所用聚合物的優(yōu)選分子量為,但不限于，5000g / mol至50000g / mol,該分子量對于聚乙烯胺而言特別正確。分子量接近上文給出范圍的下限的聚合物已示出通過甚至載體的窄孔，使得具有高表面積并且因此具有良好傳質(zhì)動力學、分離度和結(jié)合能力的固態(tài)材料可用于本發(fā)明的吸附劑中。
[0040]根據(jù)另一個實施方案，交聯(lián)聚合物具有官能團。術(shù)語“官能團”意指任何屬于多孔支承物的表面上的交聯(lián)聚合物或者屬于在多孔支承物的表面上的在制備聚合物膜期間的可交聯(lián)聚合物的簡單、特殊的化學部分。由此，官能團可以作為配體以結(jié)合分析物或者可以作為化學連接點或錨定。官能團優(yōu)選地含有至少一個弱鍵和/或一個雜原子，優(yōu)選作為親核體或親電體的基團。
[0041]優(yōu)選的官能團是伯氨基和仲氨基、羥基以及羧酸或酯基團。根據(jù)周圍介質(zhì)的酸性/堿性，氨基可以作為質(zhì)子化銨離子存在，羧基可以作為去質(zhì)子化羧酸根離子存在。
[0042]根據(jù)又一個優(yōu)選的實施方案，交聯(lián)聚合物的官能團被至少一種類型的配體至少部分地取代/衍生化。配體用于通過與樣品相互作用結(jié)合分析物，其中所述相互作用選自:疏水相互作用、親水相互作用、陽離子交換、陰離子交換、尺寸排阻和/或金屬離子螯合作用。
[0043]配體的性質(zhì)可變并且取決于待純化的分析物。配體可以是直鏈、支鏈或環(huán)狀脂肪族基團、芳族或雜芳族基團，其可以是取代的或未被取代的。優(yōu)選地，配體具有雜原子，例如N、O、P、S原子等，其能夠與分析物分子相互作用。
[0044]與配體相反，官能團起初并未設計為與分析物相互作用，但事實上，其不能被嚴格排除它們?nèi)匀幌嗷プ饔靡杂兄诜蛛x過程。
[0045]根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，本發(fā)明還提供包含固體支承材料的復合材料，其表面包含以下通式⑴的殘基:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種復合材料，包含多孔支承物和在所述多孔支承物的表面上的交聯(lián)聚合物，其中所述多孔支承物的孔徑[nm]與所述交聯(lián)聚合物的交聯(lián)度[% ]之間的比為0.25至20[nm / % ]，其中基于所述交聯(lián)聚合物中可交聯(lián)基團的總數(shù)，所述交聯(lián)度為5%至20%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復合材料，其中所述多孔支承物的比表面積為lm2/g至IOOOm2 / go
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復合材料，其中所述多孔支承物的孔隙率為30體積％至80體積％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的復合材料，其中所述多孔支承物的孔徑為至少6nm0
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的復合材料，其中所述多孔支承物是聚合物材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的復合材料，其中所述多孔支承物是無機材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的復合材料，其中所述交聯(lián)聚合物與所述多孔支承物共價結(jié)合或粘附。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的復合材料，其中所述交聯(lián)聚合物具有作為化學連接點或錨定的官能團。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中任一項所述的復合材料，其中所述交聯(lián)聚合物的官能團至少部分地被至少一種類型的配體取代，所述配體能夠通過選自以下的相互作用與分析物結(jié)合:疏水相互作用、親水相互作用、陽離子交換、陰離子交換、尺寸排阻和/或金屬離子螯合作用。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的復合材料在色譜法中作為固定相的用途。
11.一種用于制備根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的復合材料的方法，包括以下步驟: a)提供具有作為化學連接點或錨定的官能團的可交聯(lián)聚合物； b)使所述聚合物吸附到多孔支承物的表面上； c)使所吸附可交聯(lián)聚合物的可交聯(lián)基團總數(shù)的5%至20%與至少一種交聯(lián)劑交聯(lián)，使得所述多孔支承物的孔徑[nm]與所述交聯(lián)聚合物的交聯(lián)度[% ]之間的比為0.25至20[nm / % ]。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括:在吸附所述聚合物之前或之后，或者在交聯(lián)所述聚合物之前或之后，用至少一種類型的能夠通過選自以下的相互作用與分析物結(jié)合的配體取代所述官能團:疏水相互作用、親水相互作用、陽離子交換、陰離子交換、尺寸排阻和/或金屬離子螯合作用。
【文檔編號】B01J20/283GK103842073SQ201280034141
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月13日
【發(fā)明者】托馬斯·施瓦茨, 馬丁·韋爾特, 馬庫斯·阿倫特, 比約恩·德格爾 申請人:因斯特艾克申有限公司