氧化石墨烯毛細管氣相色譜固定相的研究進展

陳莉莉，劉　偉，劉為中,何廣衛

(1.安徽中醫藥大學，安徽 合肥　230012；2.合肥醫工醫藥有限公司，安徽 合肥　230088)

?

◇綜述◇

氧化石墨烯毛細管氣相色譜固定相的研究進展

陳莉莉1，劉偉2，劉為中2,何廣衛2

(1.安徽中醫藥大學，安徽 合肥230012；2.合肥醫工醫藥有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：氧化石墨烯作為一種新型的納米材料，本身含有大量功能性含氧基團，具有獨特的分離分析及高選擇性，在毛細管氣相色譜領域顯示出良好的應用前景。該文通過對氧化石墨烯作為毛細管氣相色譜固定相在國內外研究的進展進行歸納總結，較為系統的對氧化石墨烯及其制備工藝、用于毛細管柱固定相的特點、質量評價進行介紹。

關鍵詞：氣相色譜固定相；氧化石墨烯；制備工藝；質量評價

氣相色譜技術以其靈敏度高、分離能力強、分析速度快、柱效高等特點在藥物分析領域中發揮著至關重要的作用[1]。高分離效能的固定相是氣相色譜分離技術的核心部分，氣相色譜技術創新主要集中在色譜固定相材料的研究中。目前所知的氣相固定相種類繁多，常用的固定相材料有聚乙二醇類[2]、烴類、聚硅氧烷類及用于手性固定相的金屬配合物[3]、環糊精類[4]等。盡管這些用做色譜固定相的材料大多數已經被商品化，但制得的色譜柱依舊存在很多的不足，對沸點相近或結構相似的化合物分離效果不佳，并且在選擇性及耐溫性等方面仍然有待提高。

為了開發出選擇性更強、穩定性更好、具有更好色譜性能的新型固定相，越來越多的研究工作者將目光集中在新型碳納米材料的研究中[5]。氧化石墨烯作為石墨烯的一種氧化形式，與其它的碳納米材料相比，其良好的化學穩定性、較大的比表面積、較強的電子共軛作用及特殊的分子結構受到了越來越多研究者的重視[6]。將氧化石墨烯用做氣相毛細管柱固定相中，制得的色譜柱具有優良的色譜性能及特殊的分離選擇性，在對復雜混合物的分離中表現出良好的應用前景。本文對氧化石墨烯及其制備工藝和用做氣相色譜固定相的特點，氧化石墨烯色譜柱的質量評價等方面進行綜述如下。

1氧化石墨烯

氧化石墨烯(graphene oxide，GO)屬于納米級材料，是由碳原子以sp2雜化方式形成的一種單層片狀結構，其層狀結構之間及片層表面隨機分布著大量的羧基、羥基及環氧基團[7]。這些含氧官能團的引入，使其表現出卓越的物理化學性能，如較強的電子共軛作用、優良的電導率[8]、優越的分散性[9]等，在能源及電化學領域應用廣泛。此外，氧化石墨烯良好的生物相容性[10]及修飾改進后在高鹽溶液及生理條件下能夠保持穩定的生物學效應，使其在生物醫學工程領域得到了廣泛的關注。申玉坤等[11]利用氧化石墨烯表面的羧基與葡聚糖上氨基之間的縮合反應，對氧化石墨烯進行功能化修飾，得到了穩定性高，生物相容性好的功能性氧化石墨烯。再利用自組裝技術，將此功能性氧化石墨烯與β-環糊精進行連接，最終得到一個的GO-DEX-β-CD 藥物載體，拓展了氧化石墨烯在生物工程領域中的應用范圍。

近幾年氧化石墨烯在分析化學領域的應用研究也發展迅速，其表面大量的含氧極性基團、較強的離子交換能力及特殊的分子間作用擴大了氧化石墨烯在色譜分離材料中的應用范圍[12]，而其較高的比表面積及π-π靜電堆積和氫鍵作用使得氧化石墨烯被認為是一種較好的吸附材料，在藥物分析領域的樣品前處理中被認為是固相微萃取技術中優良的吸附劑[13]。王恒玲等[14]利用氧化石墨烯的吸附特性，將氧化石墨烯表面的羧基通過共價偶聯與二氧化硅微球中的氨基結合，制備出GO-SiO2復合物，用于黃曲霉毒素樣品的初步提取。Zhai等[15]建立了分子印跡—氧化石墨烯毛細管色譜柱對咖啡豆中桃紅B的提取測定方法。

隨著色譜技術的不斷發展，氧化石墨烯已經逐漸被用于色譜柱固定相方向中[16]。Xu等[17]將氧化石墨烯涂布在毛細管電泳中的毛細管內壁中，制得穩定性高、對于有機化合物具有較好分離效率的毛細管。在氣相色譜固定相領域中，氧化石墨烯色譜柱對易拖尾的胺類及醇類有著較好的選擇分離能力。而其獨特的分子結構及與含苯環化合物的π-π堆積作用，使得氧化石墨烯成為一種非常理想的氣相色譜固定相，尤其對芳香性物質有著特殊的選擇性，其在氣相色譜固定相中有很大的應用潛力。

2氧化石墨烯氣相色譜固定相的特點

2.1比表面積大氣相色譜柱根據柱內徑的大小和長度有填充柱和毛細管柱兩種，與填充柱相比，毛細管柱主要是將固定相涂布在管柱內壁，其柱效高、分離效果好，但柱容量比較低，固定相只能分布于毛細管內壁中。因此需要選用比表面積較大的固定相來增大毛細管柱中固定相的比例，提高柱容量。氧化石墨烯的一個重要的特點是比表面積大，它的比表面積可以達到700 m2·g-1[18]。并且氧化石墨烯固定相性質穩定，在分析過程中不易流失，非常符合氣相色譜固定相的條件。González-álvarez等[19]利用氧化石墨烯比表面積大的特點，將氧化石墨烯鍵合到色譜柱管壁內部，制備得到分離效果更高、峰對稱性更好的氣相毛細管色譜柱。

2.2特殊選擇性實際分析工作中，被檢測的樣品大多含有多種組分，包括大量極性、非極性或異構體等。目前常用的商用固定相如聚乙二醇類[20]，多用于極性較大的酸類、酚類、醛類等物質的分離分析，而對非極性物質的保留作用較弱，分離效果不佳且不宜對稱色譜峰的形成。因此，為了得到色譜性能較高的氣相色譜毛細管柱，要求選用的固定相材料應具備一些特殊的分離選擇性，以適用于復雜體系的分離分析。氧化石墨烯自身的大π共軛結構及片層間大量的含氧極性基團既能與醇類、酚類等物質形成較強的氫鍵作用又可與含苯環物質形成π-π堆積作用，提高了對被分析有機化合物的選擇性，從而實現對混合樣品的分離分析，并且其納米級結構減小了傳質阻力，便于對稱色譜峰的形成。

2.3分散性好在毛細管柱制備中，為了得到柱效較高的色譜柱，需要將固定液均勻的涂布在毛細管內壁中，這就要求選用的固定相材料具有良好的涂漬性，能均勻分布在柱子的內壁。氧化石墨烯片層結構之間含有豐富的含氧活性基團，這些功能性基團增強了氧化石墨烯的水溶性使其在使用條件下可以穩定分散在水溶液中[21]，便于在毛細管涂漬過程中管柱內壁形成均勻的固定相薄膜。

2.4易于修飾改造在實際分析工作中，為了獲得更高分離性能的毛細管氣相色譜柱，就要求所選用的固定相材料在滿足基本分離要求的基礎上，具有較大的設計和改造空間，通過不斷地對其修飾改造，開發出穩定性更好、分離性能更高的色譜柱。氧化石墨烯作為一種新型的色譜分離材料，其表面具有大量的含氧活性基團，如-OH 、-COOH和環氧基，利用這些基團可以很容易的對氧化石墨烯進行化學修飾和性能改善[22]，并且這些活性基團分子還可以與其它分子發生交聯反應，形成聚合物，提高自身的穩定性。

3氧化石墨烯制備工藝

氧化石墨烯是通過對鱗片石墨進行強氧化處理，后期對其超聲剝離而得到的一種新型的單碳基材料。將氧化石墨烯應用到毛細管氣相色譜柱中的首要環節是制備純度高的氧化石墨材料。目前制備氧化石墨的方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法等。

3.1Brodie法Brodie法是指將石墨粉先通過濃硝酸進行處理，再使用高氯酸鉀對其進行進一步的氧化制得氧化石墨。該方法是最早用于氧化石墨制備的方法，但其反應時間較長，制備的過程中會產生易爆的ClO2氣體，危害性較大。并且最終得到的氧化石墨氧化程度不高。目前，該方法在氧化石墨烯的合成制備中已逐漸被淘汰。

3.2Staudenmaier法 Staudenmaier法是在Brodie法基礎上進行改進，在反應體系中將氧化劑改進為濃硫酸與濃硝酸的混合酸，采用分步加入氧化劑的方式對石墨進行處理，得到了氧化程度較高的氧化石墨，并且相對縮短了反應時間。

3.3Hummers法 Hummers法在這幾種方法中最為安全和穩定，是目前制備氧化石墨優先選用的方法。Hummers在氧化石墨制備過程中，使用高錳酸鉀和亞硝酸鈉代替氯酸鉀作為強氧化劑，采用交替氧化的方法，合成制得氧化程度較高的氧化石墨。方法操作簡單，安全性高。蔣雷等[23]在制備殼聚糖—氧化石墨烯空微膠囊時，對中空微膠囊中的電解質氧化石墨烯采用Hummers法進行制備，通過一系列的氧化反應制得氧化石墨，進而采用細胞粉碎機對得到的淤泥狀氧化石墨超聲分散，通過冷凍干燥最終得到氧化石墨烯。

目前，制備氧化石墨烯的方法大多是在傳統Hummers法基礎上進行調整[24]，以減少NO2、N2O4或ClO2等有毒氣體的產生，便于操作。王露[25]在傳統Hummers法基礎上通過將濃 H2SO4與 H3PO4的體積比改成9∶1，同時又加大高錳酸鉀的用量，制備了層間距更大，更便于后期超聲剝離的氧化石墨。所改進后的方法便于操作，制得的氧化石墨烯表面含有大量的羥基和羧基，并且含有一定數量的環氧基團，制備工藝簡單。

4氧化石墨烯氣相色譜柱的性能評價

將氧化石墨烯應用于色譜分析領域，需要對制得的毛細管柱進行性能評價。對色譜柱綜合性能的評價可以通過柱效、熱穩定性和分離性能這三項主要指標予以考察。其中毛細管柱的柱效通常用理論塔板數的大小來衡量，而對毛細管柱分離性能的評價是判斷色譜柱優良的重要標志之一。

González-álvarez 等[26]將氧化石墨烯摻入毛細管柱二氧化硅表面再用離子液體溶液進行填充制備了毛細管氣相色譜柱。通過對比農藥混合物在離子液體毛細管色譜柱及摻入氧化石墨烯制備的離子液體毛細管柱上的色譜分離圖，發現氧化石墨烯比表面積大的性質，提高了離子液體毛細管柱的柱效。同時氧化石墨烯的加入促使離子液體可以在色譜柱上形成更均勻的聚合物膜，降低了硅醇基團間的非特異性作用，但并未改變混合物的洗脫順序，所制備的毛細管色譜柱的柱效更高、分離效果更好。

Feng等[27]采用一步混合法將氧化石墨烯涂漬在毛細管內壁，制得具有較高理論塔板數及高選擇性的色譜柱，制備中選用3-氨丙基二乙氧基甲基硅烷作為偶聯劑，將氧化石墨烯與偶聯劑混合均勻，一步法制得氧化石墨烯柱。制備工藝克服了氧化石墨烯在弱極性有機溶劑中容易團聚的現象。除此之外，通過對制得的氧化石墨烯毛細管柱的麥氏常數、色譜分離效能、熱力學參數等方面的分析，對其進行了綜合性能的評價。結果表明，制備出的毛細管柱是中等極性柱，重復性良好。制得的色譜柱可以對極性相對較高的醇類混合物及其異構體實現良好的分離，且得到的色譜峰峰形較好。在對苯胺類和胺類物質分析分離時，與HP-INNOWAX毛細管柱相比，氧化石墨烯柱顯示出卓越的優越性。混合樣品在氧化石墨烯柱上可以實現完全分離，其分離效能高，對容易產生拖尾的醇和胺類有較好的選擇分離性能。

Qu等[28]將氧化石墨烯納米片共價鍵合到石英毛細管內壁表面，制備出了分離效能高的毛細管氣相色譜柱。在對制備的毛細管柱進行分離性能測試中發現，所制備的氧化石墨烯毛細管柱可以對沸點78～218℃的混合物實現分離。其麥氏常數分析測定中得到，制備出的色譜柱是非極性柱，極性比DB-1毛細管柱稍大。在相同的色譜條件下，通過對比苯、正丁醇、正戊醇、氯苯和苯甲醚這五種組分的混合物在DB-1毛細管柱及氧化石墨烯柱上的色譜分離圖，對制備的氧化石墨烯柱進行性能評價。結果表明，苯和正丁醇在DB-1毛細管柱中并沒有得到較好的分離，而在氧化石墨烯色譜柱中五種混合組分可以完全實現分離，制備的氧化石墨烯柱分離效能高，選擇性好。

5展望

近年來，氧化石墨烯以其獨特的結構及較大的比表面積、較強的電子共軛作用、良好的水溶性等特性在色譜柱固定相的研究中存在很大的應用空間。特別是作為毛細管氣相色譜柱領域的應用前景廣闊。

然而，目前氧化石墨烯在作為氣相色譜固定相的研究中仍存在一些急需探索解決的問題，如氧化石墨烯的熱穩定性低于石墨烯，在較高的反應溫度下氧化石墨烯的極性含氧基團會因承受不了太高的溫度發生脫落，影響色譜柱的分離分析性能。為了提高固定相的使用溫度、選擇性和色譜柱效，獲得良好熱穩定性的色譜柱，需要對氧化石墨烯進行不斷的修飾改造及在色譜柱制備過程中對制備方法進行多次改善。另外，由于氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，與石墨烯結構相似，都是單層片狀的納米結構，制備時其片層數、含氧基團數目及氧化程度都不容易控制，故而日后，要將氧化石墨烯毛細管色譜柱商品化仍有很多工作去做。

參考文獻：

[1]王發,王莉,王嫦鶴,等.頂空毛細管氣相色譜法測定尼美舒利原料藥的溶劑殘留量[J].安徽醫藥,2014,18(12):2260-2262.

[2]李詠華,黃程程,林秀仙.頂空-氣相色譜法測定硫酸長春地辛中殘留溶劑的含量[J].中國當代醫藥,2015,22(23):7-10.

[3]謝生明,張澤俊,袁黎明.手性金屬-有機骨架材料[Mn3(HCOO)4(D-Cam)]n用于氣相色譜的分離性能[J].高等學校化學學報,2014,35(8):1652-1657.

[4]申剛義,張愛芹,楊新玲,等.四種α-取代丙酸酯在環糊精氣相色譜固定相上的手性拆分機理[J].分析試驗室,2013,32(3):1-4.

[5]姚偉宣,應劍波,張素玲,等.Fe3O4納米粒子修飾多壁碳納米管的制備及在水和蜂蜜樣品中痕量菊酯類農藥分析中的應用[J].分析試驗室,2015,33(4):342-347.

[6]張競,王洪亮,葉瑞.水熱法氧化石墨烯改性環氧樹脂的制備與性能[J].高分子材料科學與工程,2015,31(6):167-171.

[7]賴奇,羅學萍.氧化石墨烯的制備和定性定量分析[J].材料研究學報,2015,29(2):155-160.

[8]汪建德,彭同江,孫紅娟,等.三維還原氧化石墨烯的制備及超級電容性能[J].人工晶體學報,2015,44(1):78-84.

[9]張飛龍,王莉,俞樹榮,等.氧化石墨烯及其導熱納米流體的制備與性能[J].功能材料,2015,46(16): 16138-16141.

[10] Song E,Han W,Li C,et al.Hyaluronic Acid-Decorated Graphene Oxide Nanohybrids as Nanocarriers for Targeted and pH-Responsive Anticancer Drug Delivery[J].Acs Applied Materials & Interfaces,2014,6(15):11882-11890.

[11] 申玉坤,申玉璞,張龍嬌,等.功能性氧化石墨烯-β-環糊精/利多卡因包合物的制備及其質量評價[J].藥物分析雜志,2014,34(10):1812-1816.

[12] Sun M,Feng J,Bu Y,et al.Development of a solid-phase microextraction fiber by the chemical binding of graphene oxide on a silver-coated stainless-steel wire with an ionic liquid as the crosslinking agent[J].Journal of Separation Science,2014,37(24):3691-3698.

[13] Hou X,Yu H,Guo Y,et al.Polyethylene glycol/graphene oxide coated solid-phase microextraction fiber for analysis of phenols and phthalate esters coupled with gas chromatography[J].Journal of Separation Science,2015,38(15):2700-2707.

[14] 王恒玲,喻理,李培武,等.二氧化硅-氧化石墨烯復合物固相萃取-高效液相色譜法檢測植物油中黃曲霉毒素B1、B2[J].分析化學,2014,42(9):1338-1342.

[15] Zhai H,Su Z,Chen Z,et al.Molecularly imprinted coated graphene oxide solid-phase extraction monolithic capillary column for selective extraction and sensitive determination of phloxine B in coffee bean[J].Analytica Chimica Acta,2015,865：16-21.

[16] Qu Q,Gu C,Gu Z,et al.Layer-by-layer assembly of polyelectrolyte andgraphene oxide for open-tubular capillary electrochromatography[J].Journal of Chromatography A,2013,1282:95-101.

[17] Xu Y,Niu X,Dong Y,et al.Preparation and characterization of open-tubular capillary column modified with graphene oxide nanosheets for the separation of small organic molecules[J].Journal of Chromatography A,2013,1284:180-187.

[18] Dreyer DR,Todd AD,Bielawski CW.Harnessing the chemistry of graphene oxide[J].Chemical Society Reviews,2014,43(38): 5288-5301.

[19] González-álvarez J,Abrodo PA,Puerto M,et al.Polymerized phosphonium-based ionic liquids as stationary phases in gas chromatography: performance improvements by addition of graphene oxide[J].New Journal of Chemistry,2015,39(11):8560-8568.

[20] 白娟,劉增輝,周秀紅,等.氣相色譜法測定制痂酊中龍腦、異龍腦的含量[J].安徽醫藥,2015,19(3):461-463.

[21] Dai J,Wang G,Ma L,et al.Study on the surface energies and dispersibility of graphene oxide and its derivatives[J].Journal of Materials Science,2015,50(11):3895-3907.

[22] Liang X,Wang X,Ren X,et al.Gold nanoparticle decorated graphene oxide/silica composite stationary phase for high-performance liquid chromatography[J].Journal of Separation Science,2014,37(12):1371-1379.

[23] 蔣雷,李延報,姚松,等.作為藥物載體的殼聚糖/氧化石墨烯中空微膠囊的制備[J].功能材料,2015,46(16):16119-16124.

[24] Zhang G,Xu Y,Wang L,et al.Rational design of graphene oxide and its hollow CoO composite for superior oxygen reduction reaction[J].Science China Materials,2015,58(7):534-542.

[25] 王露.改進Hummers法制備氧化石墨烯及其表征[J].包裝學報,2015,7(2):28-31.

[26] González-álvarez J,Arias-Abrodo P,Puerto M,et al.Polymerized phosphonium-based ionic liquids as gas chromatography stationary phases[J].Rsc Advances,2013,44(3):21377-21380.

[27] Feng Y,Hu C,Qi M,et al.Separation performance of graphene oxide as stationary phase for capillary gas chromatography[J].Chinese Chemical Letters,2015,26(1):47-49.

[28] Qu Q,Shen Y,Gu C,et al.Capillary column coated with graphene oxide as stationary phase for gas chromatography[J].Analytica Chimica Acta,2012,757(23):83-87.

Research progress of graphene oxide as stationary phase for capillary gas chromatography

CHEN Li-li1，LIU Wei2，LIU Wei-zhong2，et al

(1.AuhuiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Hefei,Anhui230012,China;2.HefeiIndustrialPharmaceuticalInstituteCo.,Ltd.,Hefei,Anhui230088,China)

Abstract:As a new type of nanometer materials,graphene oxide has a large number of functional oxygen containing groups,featuring unique separation and high selectivity,thereby manifesting a good application prospect in the field of capillary gas chromatography. The at home and abroad research progress of graphene oxide as a stationary phase for capillary gas chromatography was summarized in this article,and an overview of graphene oxide capillary column including its preparation procedure,characteristics and quality evaluationwere also introduced.

Key words:gas chromatography;graphene oxide;preparation procedure;quality evaluation

(收稿日期：2016-01-04，修回日期：2016-02-10)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.04.001

作者簡介:陳莉莉,女,碩士研究生通信作者：何廣衛，男，主任藥師，碩士生導師，研究方向：創新藥物研究與開發，E-mail：hgwhipi@hotmail.com

基金項目：十二五國家“重大新藥創制”科技重大專項項目(No 2012ZX09401006)