氧化石墨烯毛细管气相色谱固定相的研究进展

陈莉莉，刘　伟，刘为中,何广卫

(1.安徽中医药大学，安徽 合肥　230012；2.合肥医工医药有限公司，安徽 合肥　230088)



◇综述◇

氧化石墨烯毛细管气相色谱固定相的研究进展

陈莉莉1，刘伟2，刘为中2,何广卫2

(1.安徽中医药大学，安徽 合肥230012；2.合肥医工医药有限公司，安徽 合肥230088)

摘要：氧化石墨烯作为一种新型的纳米材料，本身含有大量功能性含氧基团，具有独特的分离分析及高选择性，在毛细管气相色谱领域显示出良好的应用前景。该文通过对氧化石墨烯作为毛细管气相色谱固定相在国内外研究的进展进行归纳总结，较为系统的对氧化石墨烯及其制备工艺、用于毛细管柱固定相的特点、质量评价进行介绍。

关键词：气相色谱固定相；氧化石墨烯；制备工艺；质量评价

气相色谱技术以其灵敏度高、分离能力强、分析速度快、柱效高等特点在药物分析领域中发挥着至关重要的作用[1]。高分离效能的固定相是气相色谱分离技术的核心部分，气相色谱技术创新主要集中在色谱固定相材料的研究中。目前所知的气相固定相种类繁多，常用的固定相材料有聚乙二醇类[2]、烃类、聚硅氧烷类及用于手性固定相的金属配合物[3]、环糊精类[4]等。尽管这些用做色谱固定相的材料大多数已经被商品化，但制得的色谱柱依旧存在很多的不足，对沸点相近或结构相似的化合物分离效果不佳，并且在选择性及耐温性等方面仍然有待提高。

为了开发出选择性更强、稳定性更好、具有更好色谱性能的新型固定相，越来越多的研究工作者将目光集中在新型碳纳米材料的研究中[5]。氧化石墨烯作为石墨烯的一种氧化形式，与其它的碳纳米材料相比，其良好的化学稳定性、较大的比表面积、较强的电子共轭作用及特殊的分子结构受到了越来越多研究者的重视[6]。将氧化石墨烯用做气相毛细管柱固定相中，制得的色谱柱具有优良的色谱性能及特殊的分离选择性，在对复杂混合物的分离中表现出良好的应用前景。本文对氧化石墨烯及其制备工艺和用做气相色谱固定相的特点，氧化石墨烯色谱柱的质量评价等方面进行综述如下。

1氧化石墨烯

氧化石墨烯(graphene oxide，GO)属于纳米级材料，是由碳原子以sp2杂化方式形成的一种单层片状结构，其层状结构之间及片层表面随机分布着大量的羧基、羟基及环氧基团[7]。这些含氧官能团的引入，使其表现出卓越的物理化学性能，如较强的电子共轭作用、优良的电导率[8]、优越的分散性[9]等，在能源及电化学领域应用广泛。此外，氧化石墨烯良好的生物相容性[10]及修饰改进后在高盐溶液及生理条件下能够保持稳定的生物学效应，使其在生物医学工程领域得到了广泛的关注。申玉坤等[11]利用氧化石墨烯表面的羧基与葡聚糖上氨基之间的缩合反应，对氧化石墨烯进行功能化修饰，得到了稳定性高，生物相容性好的功能性氧化石墨烯。再利用自组装技术，将此功能性氧化石墨烯与β-环糊精进行连接，最终得到一个的GO-DEX-β-CD 药物载体，拓展了氧化石墨烯在生物工程领域中的应用范围。

近几年氧化石墨烯在分析化学领域的应用研究也发展迅速，其表面大量的含氧极性基团、较强的离子交换能力及特殊的分子间作用扩大了氧化石墨烯在色谱分离材料中的应用范围[12]，而其较高的比表面积及π-π静电堆积和氢键作用使得氧化石墨烯被认为是一种较好的吸附材料，在药物分析领域的样品前处理中被认为是固相微萃取技术中优良的吸附剂[13]。王恒玲等[14]利用氧化石墨烯的吸附特性，将氧化石墨烯表面的羧基通过共价偶联与二氧化硅微球中的氨基结合，制备出GO-SiO2复合物，用于黄曲霉毒素样品的初步提取。Zhai等[15]建立了分子印迹—氧化石墨烯毛细管色谱柱对咖啡豆中桃红B的提取测定方法。

随着色谱技术的不断发展，氧化石墨烯已经逐渐被用于色谱柱固定相方向中[16]。Xu等[17]将氧化石墨烯涂布在毛细管电泳中的毛细管内壁中，制得稳定性高、对于有机化合物具有较好分离效率的毛细管。在气相色谱固定相领域中，氧化石墨烯色谱柱对易拖尾的胺类及醇类有着较好的选择分离能力。而其独特的分子结构及与含苯环化合物的π-π堆积作用，使得氧化石墨烯成为一种非常理想的气相色谱固定相，尤其对芳香性物质有着特殊的选择性，其在气相色谱固定相中有很大的应用潜力。

2氧化石墨烯气相色谱固定相的特点

2.1比表面积大气相色谱柱根据柱内径的大小和长度有填充柱和毛细管柱两种，与填充柱相比，毛细管柱主要是将固定相涂布在管柱内壁，其柱效高、分离效果好，但柱容量比较低，固定相只能分布于毛细管内壁中。因此需要选用比表面积较大的固定相来增大毛细管柱中固定相的比例，提高柱容量。氧化石墨烯的一个重要的特点是比表面积大，它的比表面积可以达到700 m2·g-1[18]。并且氧化石墨烯固定相性质稳定，在分析过程中不易流失，非常符合气相色谱固定相的条件。González-álvarez等[19]利用氧化石墨烯比表面积大的特点，将氧化石墨烯键合到色谱柱管壁内部，制备得到分离效果更高、峰对称性更好的气相毛细管色谱柱。

2.2特殊选择性实际分析工作中，被检测的样品大多含有多种组分，包括大量极性、非极性或异构体等。目前常用的商用固定相如聚乙二醇类[20]，多用于极性较大的酸类、酚类、醛类等物质的分离分析，而对非极性物质的保留作用较弱，分离效果不佳且不宜对称色谱峰的形成。因此，为了得到色谱性能较高的气相色谱毛细管柱，要求选用的固定相材料应具备一些特殊的分离选择性，以适用于复杂体系的分离分析。氧化石墨烯自身的大π共轭结构及片层间大量的含氧极性基团既能与醇类、酚类等物质形成较强的氢键作用又可与含苯环物质形成π-π堆积作用，提高了对被分析有机化合物的选择性，从而实现对混合样品的分离分析，并且其纳米级结构减小了传质阻力，便于对称色谱峰的形成。

2.3分散性好在毛细管柱制备中，为了得到柱效较高的色谱柱，需要将固定液均匀的涂布在毛细管内壁中，这就要求选用的固定相材料具有良好的涂渍性，能均匀分布在柱子的内壁。氧化石墨烯片层结构之间含有丰富的含氧活性基团，这些功能性基团增强了氧化石墨烯的水溶性使其在使用条件下可以稳定分散在水溶液中[21]，便于在毛细管涂渍过程中管柱内壁形成均匀的固定相薄膜。

2.4易于修饰改造在实际分析工作中，为了获得更高分离性能的毛细管气相色谱柱，就要求所选用的固定相材料在满足基本分离要求的基础上，具有较大的设计和改造空间，通过不断地对其修饰改造，开发出稳定性更好、分离性能更高的色谱柱。氧化石墨烯作为一种新型的色谱分离材料，其表面具有大量的含氧活性基团，如-OH 、-COOH和环氧基，利用这些基团可以很容易的对氧化石墨烯进行化学修饰和性能改善[22]，并且这些活性基团分子还可以与其它分子发生交联反应，形成聚合物，提高自身的稳定性。

3氧化石墨烯制备工艺

氧化石墨烯是通过对鳞片石墨进行强氧化处理，后期对其超声剥离而得到的一种新型的单碳基材料。将氧化石墨烯应用到毛细管气相色谱柱中的首要环节是制备纯度高的氧化石墨材料。目前制备氧化石墨的方法主要有Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法等。

3.1Brodie法Brodie法是指将石墨粉先通过浓硝酸进行处理，再使用高氯酸钾对其进行进一步的氧化制得氧化石墨。该方法是最早用于氧化石墨制备的方法，但其反应时间较长，制备的过程中会产生易爆的ClO2气体，危害性较大。并且最终得到的氧化石墨氧化程度不高。目前，该方法在氧化石墨烯的合成制备中已逐渐被淘汰。

3.2Staudenmaier法 Staudenmaier法是在Brodie法基础上进行改进，在反应体系中将氧化剂改进为浓硫酸与浓硝酸的混合酸，采用分步加入氧化剂的方式对石墨进行处理，得到了氧化程度较高的氧化石墨，并且相对缩短了反应时间。

3.3Hummers法 Hummers法在这几种方法中最为安全和稳定，是目前制备氧化石墨优先选用的方法。Hummers在氧化石墨制备过程中，使用高锰酸钾和亚硝酸钠代替氯酸钾作为强氧化剂，采用交替氧化的方法，合成制得氧化程度较高的氧化石墨。方法操作简单，安全性高。蒋雷等[23]在制备壳聚糖—氧化石墨烯空微胶囊时，对中空微胶囊中的电解质氧化石墨烯采用Hummers法进行制备，通过一系列的氧化反应制得氧化石墨，进而采用细胞粉碎机对得到的淤泥状氧化石墨超声分散，通过冷冻干燥最终得到氧化石墨烯。

目前，制备氧化石墨烯的方法大多是在传统Hummers法基础上进行调整[24]，以减少NO2、N2O4或ClO2等有毒气体的产生，便于操作。王露[25]在传统Hummers法基础上通过将浓 H2SO4与 H3PO4的体积比改成9∶1，同时又加大高锰酸钾的用量，制备了层间距更大，更便于后期超声剥离的氧化石墨。所改进后的方法便于操作，制得的氧化石墨烯表面含有大量的羟基和羧基，并且含有一定数量的环氧基团，制备工艺简单。

4氧化石墨烯气相色谱柱的性能评价

将氧化石墨烯应用于色谱分析领域，需要对制得的毛细管柱进行性能评价。对色谱柱综合性能的评价可以通过柱效、热稳定性和分离性能这三项主要指标予以考察。其中毛细管柱的柱效通常用理论塔板数的大小来衡量，而对毛细管柱分离性能的评价是判断色谱柱优良的重要标志之一。

González-álvarez 等[26]将氧化石墨烯掺入毛细管柱二氧化硅表面再用离子液体溶液进行填充制备了毛细管气相色谱柱。通过对比农药混合物在离子液体毛细管色谱柱及掺入氧化石墨烯制备的离子液体毛细管柱上的色谱分离图，发现氧化石墨烯比表面积大的性质，提高了离子液体毛细管柱的柱效。同时氧化石墨烯的加入促使离子液体可以在色谱柱上形成更均匀的聚合物膜，降低了硅醇基团间的非特异性作用，但并未改变混合物的洗脱顺序，所制备的毛细管色谱柱的柱效更高、分离效果更好。

Feng等[27]采用一步混合法将氧化石墨烯涂渍在毛细管内壁，制得具有较高理论塔板数及高选择性的色谱柱，制备中选用3-氨丙基二乙氧基甲基硅烷作为偶联剂，将氧化石墨烯与偶联剂混合均匀，一步法制得氧化石墨烯柱。制备工艺克服了氧化石墨烯在弱极性有机溶剂中容易团聚的现象。除此之外，通过对制得的氧化石墨烯毛细管柱的麦氏常数、色谱分离效能、热力学参数等方面的分析，对其进行了综合性能的评价。结果表明，制备出的毛细管柱是中等极性柱，重复性良好。制得的色谱柱可以对极性相对较高的醇类混合物及其异构体实现良好的分离，且得到的色谱峰峰形较好。在对苯胺类和胺类物质分析分离时，与HP-INNOWAX毛细管柱相比，氧化石墨烯柱显示出卓越的优越性。混合样品在氧化石墨烯柱上可以实现完全分离，其分离效能高，对容易产生拖尾的醇和胺类有较好的选择分离性能。

Qu等[28]将氧化石墨烯纳米片共价键合到石英毛细管内壁表面，制备出了分离效能高的毛细管气相色谱柱。在对制备的毛细管柱进行分离性能测试中发现，所制备的氧化石墨烯毛细管柱可以对沸点78～218℃的混合物实现分离。其麦氏常数分析测定中得到，制备出的色谱柱是非极性柱，极性比DB-1毛细管柱稍大。在相同的色谱条件下，通过对比苯、正丁醇、正戊醇、氯苯和苯甲醚这五种组分的混合物在DB-1毛细管柱及氧化石墨烯柱上的色谱分离图，对制备的氧化石墨烯柱进行性能评价。结果表明，苯和正丁醇在DB-1毛细管柱中并没有得到较好的分离，而在氧化石墨烯色谱柱中五种混合组分可以完全实现分离，制备的氧化石墨烯柱分离效能高，选择性好。

5展望

近年来，氧化石墨烯以其独特的结构及较大的比表面积、较强的电子共轭作用、良好的水溶性等特性在色谱柱固定相的研究中存在很大的应用空间。特别是作为毛细管气相色谱柱领域的应用前景广阔。

然而，目前氧化石墨烯在作为气相色谱固定相的研究中仍存在一些急需探索解决的问题，如氧化石墨烯的热稳定性低于石墨烯，在较高的反应温度下氧化石墨烯的极性含氧基团会因承受不了太高的温度发生脱落，影响色谱柱的分离分析性能。为了提高固定相的使用温度、选择性和色谱柱效，获得良好热稳定性的色谱柱，需要对氧化石墨烯进行不断的修饰改造及在色谱柱制备过程中对制备方法进行多次改善。另外，由于氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，与石墨烯结构相似，都是单层片状的纳米结构，制备时其片层数、含氧基团数目及氧化程度都不容易控制，故而日后，要将氧化石墨烯毛细管色谱柱商品化仍有很多工作去做。

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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

作者简介:陈莉莉,女,硕士研究生通信作者：何广卫，男，主任药师，硕士生导师，研究方向：创新药物研究与开发，E-mail：hgwhipi@hotmail.com

基金项目：十二五国家“重大新药创制”科技重大专项项目(No 2012ZX09401006)