基于多孔金屬-有機框架功能材料的液相色譜應用研究進展

馮 婷,楊 濤

（廣西中醫(yī)藥大學 藥學院，廣西 南寧 530200）

液相色譜填充柱主要由固定相和柱管等材料組成，是液相色譜儀的核心部件．固定相填充基質及色譜柱的制備主要決定柱效與分離效果，常見填料基質有硅膠、氧化鋁（包含酸性、中性和堿性）、聚合物基質［1-2］，以及氧化鋯、氮化物和無機-有機球雜交基球等基質［3］．

隨著分離需求多樣化及材料研究的發(fā)展，色譜柱基質迎來新的拓展選擇點．金屬-有機框架材料（Metal-Organic Frameworks，以下簡稱MOFs）是一類具有多孔結構的新型功能化晶態(tài)材料，該材料具有比表面積和孔隙率大、孔尺寸可調節(jié)性強、空間結構多樣、孔道結構規(guī)整的特點，在氣體吸附與儲存［4-5］、分離［6-10］、催化［11］和傳感［12］等方面均有應用．相比于上述填料基質，MOFs具有三維周期性均一孔道，作為液相色譜柱填料基質可利用孔道、窗口大小、形狀及金屬離子、有機配體官能團，與待分離物通過配位及氫鍵、π―π堆積、靜電等弱作用，對待分離物質表現出大小、形狀等選擇性．Yan及合作者［13］從MOFs材料制備到色譜分離，綜述了MOFs在分析化學中的應用．袁自遵及合作者［14］從氣相、液相色譜柱種類的角度，綜述MOFs色譜柱在分離分析方面的應用．Peluso及合作者［15］綜述了基于手性MOFs材料用作色譜柱固定相在對映體分離中的應用．陳莎等人［16］從被分離物質種類的角度，綜述MOFs材料作為固定相的分離效果及機理．廖春陽及合作者［6］綜述了MOFs材料用作色譜柱固定相，在液相色譜、毛細管電色譜、納米液相色譜、氣相色譜中及其在固相微萃取技術中的應用．秦偉偉等人［9］著重進行MOFs材料與傳統(tǒng)色譜材料作為氣、液相色譜柱固定相對比綜述．方承東等人［17］從手性MOFs在對映體選擇性吸附分離和高效液相色譜手性分離兩個方面，綜述了其在手性拆分中的應用．劉家瑋等人［18］從分離手性分子的角度，綜述了MOFs作為固定相在氣相、液相色譜中的研究進展．劉明?。?9］簡述了MOFs及其復合材料在色譜分離領域中應用．肖淑娟等人［10］側重于MOFs材料復合膜制備進行了綜述．

基于近些年MOFs作為固定相在液相色譜分離中的研究，考慮到MOFs色譜柱柱管、填料材料及方式的選擇對分離物質及效果有較大影響，以填充材料、方式及柱管選擇為切入點，綜述不同類型MOFs及其復合材料用作色譜柱固定相在分離分析方面的應用，并對其應用局限性進行分析，提出應用展望．

1 MOFs色譜柱填充方法

色譜柱填裝要求填料緊密、穩(wěn)定、均一，填充效果對色譜柱分離性能和選擇性能起著決定性影響．MOFs色譜柱填料填充主要采用高壓勻漿法、干法，其色譜柱的信息及分離物質列于表1．高壓勻漿法是將填料加入勻漿液中通過超聲處理使之形成懸濁液，然后通過高壓泵加壓將MOFs或其復合材料壓進色譜柱中［20］．高壓勻漿法裝填流程首先是確定柱型以便選擇勻漿罐體積，其次選擇勻漿液種類，然后依據具體情況選擇填料與勻漿液重量比．干法填充可通過少量多次的方式，向柱內加入填料以增加柱效．

表1 MOFs色譜柱的信息及分離物質Table 1 The information and separated substances of MOFs chromatographic column

續(xù)表1

2 MOFs色譜柱管材料

色譜柱管材料的選擇是根據待分析物的性質和實驗條件而定，針對不同待分離物應選用適合的柱管材料．柱管材料有玻璃、石英玻璃、不銹鋼和聚四氟乙烯等材質，MOFs色譜柱柱管選擇主要為不銹鋼及玻璃、石英毛細管柱．玻璃制品具有化學惰性好、柱子柱效高、便于觀察填充情況等優(yōu)點，可適用于分離易分解或具有腐蝕性化合物．但玻璃存在易碎的缺點，而不銹鋼柱管材料具有傳熱性好、柱壽命長、結實耐用特點，剛好彌補了這一缺點．柱管材料確定后，色譜柱內徑大小、柱子長短均需要根據分離物質的性質和色譜條件進行具體選擇．

3 固定相填料

MOFs用作色譜柱填料有兩種形式，一種是將單一MOFs材料直接填充到色譜柱中，另一種是將MOFs制備成復合材料后再裝填進色譜柱中．目前研究較多的MOFs復合材料包括MOFs-SiO2復合材料、MOFs-金屬納米顆粒、MOFs-金屬氧化物復合材料和MOFs-納米碳基復合材料等．在液相色譜中運用MOFs-SiO2復合材料是結合利用了MOFs材料的孔道性質可控調節(jié)和SiO2具有更強機械操作性的優(yōu)點，是一種分離性能優(yōu)異的新型材料，在近些年受到了越來越多的關注與青睞．下面就將從不同的MOF系列來講述MOFs材料和MOFs復合材料在液相色譜中的應用．

3.1 MOFs材料

3.1.1 MIL系列

MIL（Matériauxs de l’Instut Lavoisier的 簡 寫）系列是使用較高價態(tài)（Al3+，Cr3+，V3+，V4+，Fe3+，Ga3+，In3+，Ln3+）的金屬鹽與羧酸類配體（兩角羧酸類、三角羧酸類、四角羧酸類）配位組合形成的一種金屬-有機框架材料．該系列孔道框架穩(wěn)定，針對不同化合物分離可選擇特定的MIL多孔材料．例如De Vos等人［21］使用MIL-47（IV）在298 K時分離乙苯、間二甲苯和對二甲苯等C8烷類化合物，結果表明MIL-47能將乙苯、間二甲苯和對二甲苯選擇性分離，對二甲苯和間二甲苯的選擇性分離比為3.1∶1，對二甲苯和間二甲苯的選擇分離比為9.7∶1．Lin等人［22］采用高壓勻 漿 法 制 備MIL-53（Al，Fe，Cr）色譜柱，實驗結果表明MIL-53（Fe）用于反相-液相色譜具有較好的選擇性與重現性，可用于同時選擇性分離萘、苊、苯并（k）熒蒽、蒽、芴、菲六種物質．De Vos等人［23］采用MIL-53（Al）對甲基乙苯異構體、甲基異丙基苯異構體進行分離，結果發(fā)現分離效果比MIL-47好，MIL-53對鄰甲基乙苯與對甲基乙苯的選擇分離比為7.1∶1，而MIL-47的只有1.1∶1．Yan等人［24］在MIL-53（Al）柱上實現乙苯、二甲苯、二氯苯、氯甲苯和硝基苯酚異構體的高效分離．Yan等人［25］繼續(xù)拓展了MIL-53（Al）作為高效液相色譜柱固定相的應用范圍，可用于乙苯和甲苯的分離，芘、萘、菲和蒽等多環(huán)芳烴物的分離，硫脲、苯酚、苯胺、苯甲醛、溴苯和萘的分離，鄰、間、對苯二醇的分離，苯胺、N，N-二甲基苯胺和間硝基苯胺的分離，黃嘌呤、茶堿和咖啡因的分離．從非極性到極性、從酸性到堿性，MIL-53（Al）對各種分析物都具有高分辨率及良好的選擇性、穩(wěn)定性和再現性．Chen等人［26］將MIL-53（Al）填充柱首次應用在工業(yè)生產上，用于分離鄰苯二甲酸酯類化合物，研究結果表明MIL-53（Al）對此類化合物具有較高的分離效果及可靠的重復性，然而該柱具有柱效低、高背壓的缺點．Millange等人［27］使用MIL-53（Al）用于分離苯系物混合物，研究結果表明分離二甲苯異構體的過程是一個涉及熱力學及動力學的復雜平衡過程．Yan等人［28］將MIL-100（Fe）用作正相和反相色譜柱固定相，結果表明，用作正相色譜柱固定相時MIL-100（Fe）對分離氯苯胺異構體、甲苯胺異構體具有良好的選擇性和重復性．Tasaki-Handa等人［29］制備了MIL-100（Fe）色譜柱，通過對流動相的改變，可以讓該柱顯現出反/正相混合型液相色譜柱的性質，僅通過改變乙腈（xA）的含量即可做到．當xA含量≤0.7時，顯現出MIL-100（Fe）骨架中芳香環(huán)的疏水作用，從而體現反相柱模式；當xA含量≥0.7時，不僅顯現出MIL-100（Fe）中芳香環(huán)的疏水作用，還顯現出Fe（III）的親水作用，從而體現反/正相混合柱模式．Yan等人［30］將MIL-101（Cr）色譜柱用于乙苯與二甲苯異構體、二氯苯與氯甲苯異構體和乙苯與苯乙烯的分離．研究結果表明，MIL-101（Cr）對分離乙苯與苯乙烯有高柱效和良好精度，并且MIL-101（Cr）可以快速選擇性分離出鄰位異構體．Yan等人［31］接著利用CH3OH調節(jié)孔道極性，即孔道內部的開放的金屬位點，然后將改性后的MIL-101（Cr）用作色譜柱固定相，用于分離甲基苯胺異構體，研究結果表明異構體可被高效分離．Yan等人［32］還利用MIL-101（Cr）色譜柱對富勒烯進行分離，研究結果表明該色譜柱可對C60，C70及其它高富勒烯C76，C78，C82，C84，C86和C96進行高效分離．Denayer等人［33］利用MIL-125（Ti）色譜柱分離順/反雙官能化環(huán)己烷分子，研究結果表明該色譜柱可對二甲基環(huán)己烷異構體和4-乙基環(huán)己醇異構體進行高選擇性分離．

3.1.2 UiO系列

UiO（University of Oslo的簡寫）由更高價態(tài)的金屬離子（Zr4+，Hf4+）與羧酸類配體配位組合形成的一種多孔金屬-有機框架材料．其中UiO-66結構由含鋯的正八面體［Zr6O4（OH）4］的12個連接點與苯二甲酸有機配體相連，形成包含八面體中心孔籠和八個四面體角籠的三維微孔結構．UiO-66可用于正相和反相液相色譜中．Rodrigues等人［34］利用不同形狀（粉末狀、凝聚狀、片狀）UiO-66材料作為固定相填充色譜柱，并利用該柱對二甲苯異構體進行分離．研究結果表明，凝聚狀UiO-66色譜柱對鄰二甲苯表現出強選擇性分離，即使在313 K高溫時對鄰二甲苯與間二甲苯的選擇性分離比為1.8∶1，對鄰二甲苯與間二甲苯的選擇性分離比可達2.4∶1．Zhou等人［35］通過研究發(fā)現苯、二甲苯和苯乙烯等取代苯在反相UiO-66-NH2色譜柱能夠很好地分離，但在UiO-67正相色譜柱上卻不能，而芘、萘、菲和蒽等多環(huán)芳烴在UiO-67正相色譜柱能較好的分離．

3.1.3 MOF-n系列

MOF-n系列是利用苯環(huán)上羧酸取代的線型配體或三角羧酸類配體與金屬離子（主要是二價的過渡金屬）配位結合而成的一種金屬-有機框架材料．Matzger等人［36］采用MOF-5柱可較好的分離1，3，5-三（4-溴苯基）苯、萘和芘．MOF-n系列用作液相色譜柱固定相的報道較少，可能原因在于MOF-n系列材料在造粒填充階段穩(wěn)定性較差兼之生產成本較高．

3.1.4 ZIF-n系列

ZIF（zeolite imidazolate framework的簡稱）系列是模仿分子篩中O―Si―O鍵的鍵角（145°），利用咪唑類配體與二價過渡金屬離子自組裝，構筑得到ZIF-n系列金屬-有機框架．Hatton等人［37］通過實驗發(fā)現，ZIF-8色譜柱可較好的分離含N―H鍵的小分子化合物，這可能是ZIF-8對此類化合物的吸附作用較大．Du等人［38］采用乳糖酸修飾ZIF-90材料，得到手性毛細管色譜柱，用其對普萘洛爾、美托洛爾、阿替洛爾、比索洛爾和索他洛爾進行對映體分離，分離效果顯著．

3.1.5 HKUST-1

HKUST-1由Williams等人［39］利用苯三甲酸和硝酸銅反應首次合成得到，其分子式為Cu3（BTC）2，依據其結構開發(fā)出來的商品名為Basolite C 300．Matzger等人［36］利用HKUST-1色譜柱研究其對苯乙烯、萘、芘、1，3，5-三苯基苯和1，3，5-三（4-溴苯基）苯的分離效果．研究結果表明，其對以上化合物具有形狀和尺寸選擇性．Chen等人［40］將HKUST-1晶體長在毛細管柱中，并利用此柱研究甲苯、乙苯、苯乙烯、氯苯、溴苯、鄰二氯苯、苯系物、酚酸和苯甲酸衍生物等取代苯的分離，研究結果表明該柱對甲苯柱效率高達1.5×105N/m．由于金屬-有機框架材料的外觀形狀不規(guī)則，填充進入色譜柱時顆粒與顆粒之間的空隙比較大，使得到的色譜柱柱效較低，而在色譜柱內部原位生長晶體材料，不失為一種提高柱效的好方法．

3.1.6 手性MOFs

手性MOFs利用手性配體與金屬離子合成得到，孔道中具有規(guī)律分布的單一手性源，可對外消旋化合物具有手性識別能力與分離．Vidal-Ferran等人［41］利用對水穩(wěn)定的TAMOF-1手性柱，分離布洛芬消旋體．研究結果表明：TAMOF-1手性柱對6.9 mg的S及R構型的布洛芬消旋體的分離產率分別達到99%和92%，ee＞99%；手性MOFs材料的合成達到千克級，可用于工業(yè)規(guī)?；a．饒高雄等 人［42］采 用［Cd（LTP）2］n，［（C48H80O40）（KOH）2（H2O）2］n和［Zn2（bdc）（L-lac）（dmf）］·DMF三種不同結構的手性MOFs色譜柱對五種消旋體樣品進行分離并對比研究發(fā)現：［Cd（LTP）2］n僅手性識別出1，2-二苯乙醇酮，而［（C48H80O40）（KOH）2（H2O）2］n可 部 分 分 離 扁 桃 酸 外 消 旋 體；［Zn2（bdc）（L-lac）（dmf）］·DMF對苯基甲基亞砜和3，5-二硝基-N-（1-苯乙基）苯甲酰胺起到分離作用，而對1-（9-蒽基）-2，2，2-三氟乙醇只表現出了手性識別作用．Yuan等人［43］研究［In3O（obb）3（HCO2）（H2O）］作為固定相在氣相色譜（GC）、高效液相色譜（HPLC）和毛細管電色譜（CEC）中的實驗比較．結果發(fā)現，在呋喃、3，5-二硝基-N-（1-苯乙基）苯甲酰胺、奧美拉唑和布洛芬等對映體分離過程中，手性MOFs對GC，HPLC和CEC三種色譜柱表現出不同的手性識別能力，說明同一MOFs可在不同種類色譜柱中體現出不一樣的識別與分離能力．Yuan等人［44］通過實驗證明［Cd2（d-CAM）3］·2Hdma·4dma色譜柱對某些芳醇對映體具有良好的手性識別能力，特別是可對（±）-1-（1-萘基）乙醇有較好的分離效果．

除了MOFs材料外，還有一些新合成得到的材料應用到液相色譜柱中．例如，Chen等人［45］在DUT-67（Zr）色譜柱上實現了對二甲苯異構體和鄰苯二甲酸酯的基線分離，與UiO-66，MIL-53和MIL-101材料不同，DUT-67（Zr）在高溫下及低保留時間下依然對二甲苯異構體和鄰苯二甲酸酯類化合物具有高選擇性．Xu等人［46］利用Cd（L）（bpy）·4.5H2O·3DMF色譜柱，可依據大小選擇分離羅丹明6G和亮藍R-250染料．Wu等人［47］合成得到一種具有雙重互穿的3，5，6-連接三維框架材料｛Cu3L2（4，4’-BPD）［NH（CH3）2］·7DMA·12H2O｝n（YCZ-1），其可用于離硝基苯、二硝基苯混合物及二甲苯、二硝基苯混合物．

3.2 MOFs復合材料

MOFs復合材料填充柱結合了MOFs材料高效的分離性及基體材料良好的裝填性．

3.2.1 MIL系列復合材料

Yusuf等 人［48］制 備 了 一 種負 載 有MIL-53（Al）的甲基丙烯酸己酯-二甲基丙烯酸共聚乙烯酯整體毛細管柱．與整體柱相比，負載了MIL-53（Al）材料的色譜柱具有更多的微孔結構，提高了甲苯、乙苯和丙苯等小型芳香族化合物的分離效率．Herrero-Martínez等 人［49］先 合 成 了NH2-MIL-101（Al，Cr，Fe），同時探索制備整體柱的途徑．第一種途徑，將NH2-MIL-101（Al，Cr，Fe）分散在N，N-二甲基甲酰胺中，將得到的懸濁液通入填裝有聚合物的色譜柱，使NH2-MIL-101吸附在聚合物孔表面，該操作簡單方便，但NH2-MIL-101覆蓋在聚合物表面的量非常少；第二種途徑，將NH2-MIL-101（Al，Cr，Fe）與聚合原料單體混合，再通過紫外光照射引發(fā)聚合，NH2-MIL-101材料被包裹在聚合材料中后再進行裝柱，利用該柱對尿嘧啶、萘、芴、蒽、芘等多環(huán)芳烴進行分離，其可將尿嘧啶與其它物質分開．

3.2.2 UiO系列復合材料

Zhang等人［50］將NH2-UiO-66分散在乙醇中得到懸濁液，然后將此懸濁液注射到含有聚合物p GMA（poly glycidyl methacrylate）的毛細管中，制得一種開管毛細管液相色譜柱．該色譜柱可分離苯酚、1，4-苯二醇、1，3-苯二醇、1，2-苯二醇、1，2，4-苯三醇，并成功從甘草分離黃酮類化合物．Arrua等人［51］采用微波輔助溶劑熱合成法制備UiO-66@SiO2核殼微米級球型顆粒材料，研究發(fā)現UiO-66@SiO2色譜柱可對二甲苯異構體、取代苯和多環(huán)芳烴進行高效分離．Yang等人［52］使用UiO-66/NH-MA@CLM復合物填裝液相色譜柱，其可對硫脲、苯、甲苯、乙苯、丙苯、丁苯、戊基苯高效分離，對苯胺、苯酚、苯甲酸進行分離，對間苯二甲酸、對苯二酚、間苯二酚、兒茶酚進行分離，對肽標準混合物（血管緊張素II、含腦炎、亮氨酸腦炎、纈氨酸-酪氨酸-纈氨酸、甘氨酸-酪氨酸）進行分離，對完整蛋白質（核糖核酸酶A、細胞色素C、溶菌酶、乙酰胺、肌紅蛋白）、色氨酸和苯丙氨酸進行分離，說明該柱可同時分離具有不同理化性質的小分子和大分子物質．Qiao等人［53］制備UiO-67@SiO2核殼材料填充到液相色譜柱中，用于苯胺、烷基苯和多環(huán)芳烴等疏水性化合物和硫脲親水性化合物的分離，結果發(fā)現該柱對它們均具有選擇性，同時還嘗試將該柱檢測湖水樣品中的污染物．

3.2.3 MOF-n系列復合材料

Wang等人［54］利用具有二維網狀結構的MOFFDM-23與活化好的硅膠一起制備MOF-FDM-23@silica復合材料，該材料填裝進入色譜柱后，對酰胺類、生物堿、抗生素和氨基酸類等極性化合物具有良好的分離效果．Wang等人［55］利用MOF-235和聚乙二醇聚合物（PEG）對二氧化硅微球進行分步修飾后得到MOF-235@PEG@silica復合材料，該材料填充的液相色譜柱可用于磺胺類、生物堿類、核苷類、抗生素類化合物的分離．Liang等人［56］用MOF-235和聚乙烯吡咯烷酮對二氧化硅微球進行分步修飾后得到MOF-235@PVP@silica復合材料，這樣的修飾有助于抑制硅醇活性、增強復合材料的耐受性及提高原始金屬-有機骨架固定相的水穩(wěn)定性，該材料填充的液相色譜柱可用于生物堿、磺胺類、抗生素和多環(huán)芳烴等物質的分離．

3.2.4 ZIF系列

De Conto等人［57］利用ZIF-8（商品名為Basolite Z1200）和PEI（PEI，Poly-ethylenimined的簡寫）與三-3，5-二甲基苯基氨基甲酸酯直鏈淀粉一起制備獲得手性ZIF-8-PEI-CA復合物，該手性柱雖不能分離但可驗證檢測Troger堿外消旋混合物中存在的對映體．Wang等人［58］研究不同硅膠孔徑對ZIF-8吸附作用的影響．研究結果表明，ZIF-8在孔徑為80 nm的硅膠上可高度均勻分散，利用制備好的ZIF-8@SiO2復合材料色譜柱分離對苯二酚和對苯醌的分離比可達到5.47∶1．余云艷［59］制備手性Dhis-ZIF-8@SiO2核殼微球，將其作為色譜柱固定相，D-his-ZIF-8@SiO2手性色譜柱可對18種手性化合物（醇類、酚類、胺類、酮類、有機酸類等）進行快速高效的分離．

3.2.5 HKUST-1復合材料

De Vos等人［60］將HKUST-1負載到多孔二氧化硅中，制備得到MOF@SiO2復合球型材料，該材料色譜柱可對乙苯、苯乙烯較好分離．Nuzhdin等人［61］制備出HKUST-1@SiO2復合材料，該材料的色譜柱能有效分離環(huán)己烷中的環(huán)己烯或苯．

4 總結與展望

綜上所述，金屬-有機框架材料作為液相色譜固定相填充材料，得到不斷深入的研究．從研究方向進展來看，研究人員在不斷的解決應用過程中遇到的問題．研究進展亦得到認可，特別通過核-殼材料的構建解決材料形狀不規(guī)則的問題，使得該材料應用范圍更加廣泛．然而，依然存在一些問題需要科研人員的進一步努力．例如，金屬-有機框架材料色譜柱塔板效率較低的問題，如何能讓金屬-有機框架材料在核-殼材料中的均勻分布的問題，一些金屬-有機框架材料在分離應用中具有較大的潛力但是工業(yè)規(guī)?；铣衫щy、生產成本高的問題，如何更好的將金屬-有機框架材料色譜柱應用到更復雜化合物分離的問題．綜上文獻研究，科研人員都在努力的解決這些問題，每一個問題都有了嘗試性的對策．但是，對如何同時統(tǒng)籌解決以上限制金屬-有機框架材料色譜柱發(fā)展的問題，目前還沒有明確的思路．在柱管材料選擇方面，可以考慮應用具有內襯有玻璃的不銹鋼高效液相色譜柱［62-63］，此類柱管兼容玻璃內襯的可修飾性及不銹鋼的耐高壓特性．

色譜柱的制備是以分離待分離物為目標的．應深入研究MOFs色譜柱對待分離物的作用機理、透析MOFs孔道結構與優(yōu)勢、拓展開發(fā)MOFs材料及其復合材料，而不應僅限于使用已經報道的MOF材料，最終的目標是能根據待分離物定向設計金屬-有機框架材料材料．在分離應用領域方面，有對較復雜性質相近的某一類同系物（如中藥藥效成分，天然藥化成分）進行分離研究需求，這正是有可能可以通過對金屬-有機框架材料合理設計及對色譜柱填充工藝恰當改進而達到．MOFs色譜柱的應用范圍將不斷擴大，如何利用MOFs色譜柱空間結構分離中藥復雜成分，不但有助于拓展MOFs材料在色譜分離中的應用范圍，而且有助于中藥資源的長期發(fā)展．