具有可调烷基链的工程化聚（离子液体）水凝胶，用于多模式固定相

《Analytica Chimica Acta》：Engineered Poly (Ionic Liquid) Hydrogel with Tunable Alkyl Chains for Multi-Mode Stationary Phases

烷基链工程调控聚离子液体水凝胶实现多模式色谱分离。通过合成不同烷基链长离子液体单体共聚的Sil@TPA/TPrA-PIL水凝胶，发现长链（C5）与短链（C3）复合修饰可精准调节亲油/亲水平衡，显著提升反相色谱保留能力，同时保持亲水色谱和离子交换色谱的分离性能，实现复杂样品的多模式高效分离。

　　

李顺宁|梁晓静|郭勇|王帅|王立成

中国科学院兰州化学物理研究所，中国兰州730000

摘要

背景

使用高效液相色谱（HPLC）分析复杂样品需要具备亲水性、疏水性和离子相互作用的多模式固定相。聚离子液体（PIL）水凝胶为此提供了一个可设计的平台，但如何平衡其固有的亲水性并实现足够的反相保留仍然具有挑战性。我们提出了一种“烷基链工程”策略，以精确调节PIL水凝胶的疏水性，旨在实现多模式色谱的最佳平衡。

结果

通过将三戊基胺（TPA，C5长链）和三丙基胺（TPrA，C3短链）衍生的离子液体与硅胶共聚，合成了一系列PIL水凝胶固定相。通过烷基链工程精细调节疏水性后，所得的Sil@TPA/TPrA-PIL水凝胶在峰形和分离范围上均优于单链对应物（Sil@TPA-PIL水凝胶和Sil@TPrA-PIL水凝胶）。它成功实现了包括亲水色谱（HILIC）、反相色谱（RPLC）和离子交换色谱（IEC）在内的多模式分离。

意义

这项工作为复杂样品分析提供了一种高性能的多模式固定相。更重要的是，它确立了“烷基链工程”作为一种合理有效的分子设计策略，用于制备具有可调节疏水性的下一代固定相，为功能性分离材料的发展提供了明确的蓝图。

引言

高效液相色谱（HPLC）是现代分离和分析中的关键技术，在复杂系统的分析中发挥着不可或缺的作用[1]、[2]、[3]。然而，实际样品通常同时含有极性和非极性成分，且结构差异显著。这种复杂性使得单一分离模式（如亲水色谱（HILIC）、反相色谱（RPLC）或离子交换色谱（IEC）难以在单个柱子中实现全面分离[4]、[5]。因此，开发多模式色谱固定相对于提高复杂系统的分离效率和分析通量具有重要意义。最近的进展展示了多种构建多模式固定相的成功策略，包括具有HILIC/RPLC/IEC功能的离子液体固定相，这些固定相通过多种相互作用机制对多种分析物表现出增强的分离选择性[6]、[7]。尽管取得了这些进展，但合理设计兼具多模式和可调选择性的固定相仍然是一个挑战。

水凝胶是一类结构可控的三维网络聚合物，可以通过单体设计和表面修饰制成色谱固定相的功能基团。它们的高亲水性有助于提高HILIC的分离能力[8]、[9]。然而，传统水凝胶往往亲水性过强[10]、[11]且缺乏疏水性[12]、[13]，导致非极性化合物的保留能力较弱。此外，它们的机械稳定性和耐溶剂性通常不足，难以有效实现RPLC分离[14]、[15]。因此，将水凝胶发展为多模式色谱固定相的关键在于：在保持其固有亲水性的同时，通过分子设计有意引入可调的疏水相互作用，以实现亲水-疏水性能的平衡[16]、[17]。

为了解决传统水凝胶的核心限制，精确调节材料表面的亲水-疏水平衡对于开发多模式固定相至关重要。传统的合成水凝胶（如聚丙烯酰胺[18]、聚丙烯酸[19]和聚乙二醇基[20]水凝胶）确实具有简单且不灵活的化学结构，加之功能基团难以精确定制[21]、[22]，阻碍了必要的疏水基团的整合，从而无法有效应对色谱应用中的强亲水性[23]、[24]。相比之下，聚离子液体（PIL）水凝胶提供了一个理想的分子平台来应对这些挑战。其结构可调性使得“烷基链工程”成为可能——这一策略广泛应用于环境和能源领域，如直接空气捕获和海水淡化[25]、[26]。在这里，我们将这一策略应用于色谱固定相的合理设计，证明了在PIL水凝胶中精确控制烷基链长度是实现可调疏水性的关键。同时，PIL内部的离子位点提供了离子交换相互作用[27]、[28]，从而为构建集成多模式色谱固定相奠定了分子基础[29]、[30]。

在本研究中，通过将4-氯甲基苯乙烯与三戊基胺（TPA，C5长链）和三丙基胺（TPrA，C3短链）反应，合成了具有不同烷基链长度的离子液体单体。这些单体随后被共聚到硅胶表面，制备了Sil@TPA/TPrA-PIL水凝胶，该水凝胶在HILIC、RPLC和IEC模式下均表现出多模式色谱分离能力。与单链长度材料（Sil@TPA-PIL水凝胶和Sil@TPrA-PIL水凝胶）的比较分析表明，烷基链长度同时调节了固定相的亲水性和疏水性。这些发现的分子级解释阐明了“烷基链工程”在材料性质中的调控机制[31]、[32]，为设计高性能、可定制的“智能”分离和分析系统提供了新策略。

材料与设备

硅胶（UniSil 5-100，5 μm，10 nm）购自中国苏州纳米微技术有限公司。本研究中使用的化学品，包括醋酸铵、甲醇和乙腈（ACN），均从Por Mee购买。4-氯甲基苯乙烯（CMS）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和2,2'-偶氮二（2-甲基丙腈）（AIBN）购自Innochem。三戊基胺（TPA）和三丙基胺（TPrA）购自Tci。本研究中使用的所有测试样品均为分析试剂级。

在HILIC下的分离性能

为了系统评估Sil@TPA/TPrA-PIL水凝胶的分离性能，首先研究了其在HILIC下的保留机制和分离能力。使用经典的HILIC方程[33]（公式1）（R² = 0.9986–0.9999；图2a；表S3）对五种核苷/碱的保留行为进行了拟合，结果表明保留因子（k）与流动相中的水体积分数（φ）有很强的相关性，证实了典型的HILIC保留特性。

结论

本研究开发并系统评估了一种基于PIL水凝胶的多模式色谱固定相Sil@TPA/TPrA-PIL水凝胶。与单链长度材料（Sil@TPA-PIL水凝胶和Sil@TPrA-PIL水凝胶）相比，通过“烷基链工程”实现的亲水/疏水平衡显著提高了柱效率并扩展了分离范围。这项工作证实了“烷基链工程”策略在调节固定相方面的有效性。

作者贡献声明

梁晓静：撰写 – 审稿与编辑、可视化、资金获取。郭勇：可视化、资源准备。王帅：验证。王立成：验证。李顺宁：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源准备、数据分析、概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢甘肃省基础研究创新群体基金（23JRRA570）、国家科技重大专项（2025ZD1407103）和甘肃省科技计划（24ZD13GA001）的支持。