共價有機框架材料在毛細(xì)管電色譜中的應(yīng)用進展

王國秀, 陳永雷, 呂文娟, 陳宏麗, 陳興國*

(1. 蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 2. 北京市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院, 北京 101300)

毛細(xì)管電色譜是一種以負(fù)載固定相(通過填充、涂覆、鍵合或交聯(lián)法制備)的毛細(xì)管為分離通道,利用電滲流驅(qū)動流動相,在高電場強度下進行分離分析的技術(shù)[1]。毛細(xì)管電色譜結(jié)合了毛細(xì)管電泳及高效液相色譜的優(yōu)勢,具有分離效率高、選擇性好、分析時間短、樣品和流動相消耗低等特點,受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。迄今為止,毛細(xì)管電色譜已被廣泛應(yīng)用于藥物分析[2-4]、環(huán)境分析[5]及食品安全[6]等領(lǐng)域。近年來,隨著材料科學(xué)的迅猛發(fā)展及實際工作的需要,多種新型材料如金屬有機框架(MOFs)[7-9]、共價有機框架(COFs)[10]、多孔有機聚合物(POPs)[11]及納米顆粒[12,13]等,在毛細(xì)管電色譜領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

COFs是由有機分子構(gòu)建基元通過共價鍵連接而成的晶體有機多孔材料,具有化學(xué)及熱穩(wěn)定性高、孔徑可調(diào)、易于功能化等獨特性質(zhì)[14-17],這些優(yōu)良的物理化學(xué)特性賦予了COFs在毛細(xì)管電色譜領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力,已經(jīng)成為一種理想的新型固定相材料[18-20]。本文簡要綜述了2016-2023年間COFs在毛細(xì)管電色譜中的研究進展并對該領(lǐng)域今后的發(fā)展進行了展望。

1 COFs毛細(xì)管電色譜柱的制備

COFs毛細(xì)管電色譜柱的制備是COFs作為固定相用于毛細(xì)管電色譜分離的基礎(chǔ)。目前,COFs毛細(xì)管電色譜柱分為開管毛細(xì)管柱及整體毛細(xì)管柱,其制備方法主要分為后修飾法及原位合成法。

1.1 開管毛細(xì)管電色譜柱的制備

1.1.1后修飾制備法

后修飾制備法是指將COFs懸濁液引入預(yù)修飾的毛細(xì)管,通過COFs上的殘留基團與硅烷偶聯(lián)劑末端基團之間的化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵或通過物理吸附作用,將COFs固定于毛細(xì)管內(nèi)壁[21,22]。另外,也可以使用硅烷偶聯(lián)劑首先對COFs進行修飾,然后利用硅烷偶聯(lián)劑中的硅烷基與毛細(xì)管內(nèi)壁的硅羥基之間的反應(yīng)將COFs固定于毛細(xì)管內(nèi)壁[23,24]。一般所使用的硅烷偶聯(lián)劑末端基團為氨基及環(huán)氧基。此種方法的優(yōu)點在于可以方便地制備高結(jié)晶度的COFs固定相。需指出的是,由于COFs的溶解性一般較差[25-27],將其懸濁液通入毛細(xì)管時容易引起毛細(xì)管堵塞,因此需要對COFs懸濁液進行超聲處理,使其盡可能地分散于溶液中。

2016年,本課題組[22]將COF-LZU1甲苯溶液引入經(jīng)3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(GLYMO)修飾的毛細(xì)管中,利用COF-LZU1中殘留的氨基與偶聯(lián)劑末端環(huán)氧基之間的化學(xué)反應(yīng)制備了COF-LZU1開管毛細(xì)管柱,其制備過程如圖1所示。2018年,Ye課題組[23]用對苯二甲醛和三聚氰胺通過溶劑熱法制備了COF SNW-1(Schiff base network-1),并利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)對其進行改性后引入預(yù)處理的毛細(xì)管中,制備了SNW-1開管毛細(xì)管柱。2021年,Ye課題組[28]利用三醛基間苯三酚(Tp)和四(氨基苯基)甲烷(TAM)借助超聲輔助法合成了COF TpTAM并通過硅烷偶聯(lián)劑APTES對其改性,然后引入預(yù)處理的毛細(xì)管中制備了COF TpTAM開管毛細(xì)管柱。Yan課題組[29]利用β-環(huán)糊精COF(β-CD COF)上的氨基與涂敷在毛細(xì)管內(nèi)壁上的聚多巴胺表面基團之間的Michael加成反應(yīng),將β-CD COF涂敷于毛細(xì)管內(nèi)壁,制備了β-CD COF毛細(xì)管。2022年,本課題組[30]利用2,5-二甲氧基苯-1,4-二甲醛(DA)和(S)-1,3,5-三(4-氨基苯基)-2-(2甲基丁氧基)苯(TD)的縮合反應(yīng)制備了一種新型手性DA-TD COF并將其引入到硅烷偶聯(lián)劑GLYMO預(yù)修飾的毛細(xì)管中,制得了手性DA-TD COF開管毛細(xì)管柱。2022年,Ji課題組[21]分別利用1,4-丁磺酸內(nèi)酯及(+)-二乙?；?L-酒石酸酐對合成的β-CD COFBPDA進行修飾,然后將其引入經(jīng)3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷修飾的毛細(xì)管中制得了兩種功能化β-CD COFBPDA開管毛細(xì)管柱。

圖1 COF-LZU1涂層毛細(xì)管柱制備示意圖[22]

1.1.2原位制備法

原位制備法是指將有機分子構(gòu)建基元溶液引入到預(yù)處理后的毛細(xì)管內(nèi),在一定條件下直接在毛細(xì)管內(nèi)合成COFs,并通過其有機分子構(gòu)建基元與預(yù)修飾于毛細(xì)管內(nèi)壁上的硅烷偶聯(lián)劑之間的化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵或通過物理吸附作用,將COFs固定于毛細(xì)管內(nèi)壁的制備開管毛細(xì)管柱的方法[31-35]。與后修飾制備法相同,所使用位于毛細(xì)管內(nèi)壁上的硅烷偶聯(lián)劑末端基團一般為氨基及環(huán)氧基。相比于后修飾制備法,原位制備法引入有機分子構(gòu)建基元溶液既可以避免毛細(xì)管堵塞,又可以使COFs均勻固定于毛細(xì)管內(nèi)壁;但此方法僅適用于合成條件相對溫和的COFs涂層毛細(xì)管的制備。

2016年,Chen課題組[31]利用向毛細(xì)管內(nèi)逐步引入多巴胺溶液及有機分子構(gòu)建基元2,3,6,7,10,11-六羥基三苯(HHTP)和對苯二硼酸(BDBA)的混合溶液,通過在聚多巴胺層上逐層原位生長含硼的COF-5涂層的方式,原位制備了多層COF-5開管毛細(xì)管柱。2020年,本課題組[32]將含有有機分子構(gòu)建基元四(4-氨基苯基)甲烷及對苯二甲醛的1,4-二氧六環(huán)溶液引入至3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)改性后的毛細(xì)管中,在毛細(xì)管內(nèi)壁原位制備了三維COF-300涂層,其制備過程如圖2所示。2021年,Chen課題組[33]利用原位生長法通過1,3,5-三(4-氨苯基)苯(TAPB)和2,5-二乙烯基-1,4-苯二甲醛(DVA)制備了COF-V開管毛細(xì)管柱。2022年,Zhang課題組[34]將有機分子構(gòu)建基元三醛基間苯三酚、4,4′-二氨基聯(lián)苯(BD)及離子液1-氨丙基-3-甲基咪唑溴鹽(APMim+Br-)同時引入到APTES氨基功能化毛細(xì)管中,利用原位制備法制備了ILs@COFs開管毛細(xì)管柱。同年,本課題組[35]用四(4-甲?；?甲烷(TFPM)和對苯二胺(PDA)通過溶劑熱法實現(xiàn)了球形三維COFs 3D-IL-COFs的合成,在此基礎(chǔ)上利用原位生長法制備了涂層均勻、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性高的三維3D-IL-COFs開管毛細(xì)管。

圖2 COF-300涂層毛細(xì)管柱的制備示意圖[32]

1.2 整體毛細(xì)管電色譜柱的制備

整體毛細(xì)管電色譜柱因具有柱效高、柱容量大的優(yōu)點在色譜分離領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[36,37]。相對于開管毛細(xì)管柱,COFs在整體柱領(lǐng)域的應(yīng)用仍相對較少。與此對應(yīng),COFs整體柱的制備方法相對單一,其制備過程如下:首先在毛細(xì)管外制備COFs,之后將其與引發(fā)劑偶氮二異丁腈(AIBN)、自由基聚合單體甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)及交聯(lián)劑乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)引入預(yù)處理過的毛細(xì)管中,在一定條件下通過熱聚合反應(yīng)將COFs直接引入到有機聚合物中得到COFs整體毛細(xì)管電色譜柱。

2019年,Ji課題組[38]以三聚氰胺及對苯二甲醛為有機分子構(gòu)建基元利用溶劑熱法制備了COF SNW-1,將其與AIBN、GMA及EDMA同時引入毛細(xì)管,通過聚合反應(yīng)將SNW-1嵌入整體柱,再使用纖維素酶對其進一步官能化制備了cellulase@poly(GMA-EDMA-SNW-1)整體毛細(xì)管柱。2020年,Yang課題組[39]以全-6-氨基-6-脫氧-β-環(huán)糊精和對苯二甲醛為有機分子構(gòu)建基元在常溫下制備了β-CD-COF,將其與AIBN、GMA及EDMA同時引入毛細(xì)管制備了含有β-CD COF的整體柱。2023年,Huang課題組[40]利用二-O-乙?；?L-酒石酸酐修飾的Tp與對苯二胺(Pa-1)制備了手性COF CTpPa-1,然后通過AIBN、GMA及EDMA的聚合反應(yīng)制備了CTpPa-1整體柱。

2 COFs毛細(xì)管電色譜的應(yīng)用

2.1 環(huán)境內(nèi)分泌干擾物

環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(environmental endocrine disruptors, EEDs)是一類可以通過影響天然激素的產(chǎn)生、分泌、分布、代謝、排泄和結(jié)合從而干擾人類及動物內(nèi)分泌系統(tǒng),并因此引起生殖、內(nèi)分泌、免疫和神經(jīng)發(fā)育發(fā)生病變的外源性化學(xué)物質(zhì)[41,42]。目前越來越多的物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)具有內(nèi)分泌干擾性質(zhì)且廣泛用于人們的日常生活,如鄰苯二甲酸酯[43]、硝基苯酚[44]、雙酚A[45]及對羥基苯甲酸酯[46]等。

2018年,Hu課題組[23]以所制備的SNW-1開管毛細(xì)管柱為分離通道對對羥基苯甲酸酯類內(nèi)分泌干擾物進行了分離,結(jié)果顯示,SNW-1開管毛細(xì)管柱對對羥基苯甲酸甲酯、對羥基苯甲酸乙酯、對羥基苯甲酸丙酯及對羥基苯甲酸丁酯在內(nèi)的4種對羥基苯甲酸酯具有良好的分離能力。2020年,本課題組[47]利用以1,3,5-三(4-甲?；交?苯及水合肼所制備的N0-COF為固定相的開管毛細(xì)管柱為分離通道對雙酚A類環(huán)境內(nèi)分泌干擾物進行了分離。結(jié)果表明,在最佳條件下,N0-COF開管毛細(xì)管柱可以實現(xiàn)兩組共9種雙酚A類化合物的基線分離。該開管毛細(xì)管柱已應(yīng)用于飲料樣品中雙酚A及其類似物的分離測定,回收率為91.0%～112%,表明其可以應(yīng)用于實際樣品中雙酚A及其類似物的檢測。此外,本課題組[48]以1,3,5-均苯三甲醛及水合肼為有機分子構(gòu)建基元利用相同的制備方法制備了吖嗪類ACOF-1開管毛細(xì)管柱,實現(xiàn)了2-硝基苯酚、4-硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚和2,4,6-三硝基苯酚4種硝基苯酚類環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的基線分離。Chen課題組[49]利用1,3,5-三(4-甲?；交?苯(TFPB)及BD為有機分子構(gòu)建基元,采用室溫原位生長法制備了TAPB-BD COF開管毛細(xì)管柱并將其應(yīng)用于對羥基苯甲酸酯類物質(zhì)的分離,結(jié)果表明,所制得的毛細(xì)管柱對所選目標(biāo)分析物具有良好的分離性能。

2.2 農(nóng)藥

作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一種重要生產(chǎn)資料,農(nóng)藥被廣泛用于防治病蟲害和提高作物產(chǎn)量,在保障全球糧食安全方面發(fā)揮著越來越重要的作用。然而,農(nóng)藥的大量使用也導(dǎo)致了農(nóng)藥殘留等一系列問題,對人類、動物、水和土壤等產(chǎn)生了各種不可避免的負(fù)面影響[50,51]。因此,在食品安全和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域,開發(fā)更為高效、靈敏和準(zhǔn)確的農(nóng)藥檢測技術(shù)至關(guān)重要。

Zhang課題組[34]將離子液體與COFs相結(jié)合建立了一種測定水果中苯并咪唑類農(nóng)藥的毛細(xì)管電色譜新方法。在最優(yōu)實驗條件下,該方法可以在19 min內(nèi)實現(xiàn)10種苯并咪唑的分離,檢出限為1.0～2.8 μg/kg,在3.5～200 μg/kg范圍內(nèi)具有良好的線性。對葡萄、梨及橙子等實際樣品的加標(biāo)回收率為85.0%～95.9%,表明該方法在水果中痕量苯并咪唑的檢測方面具有良好的應(yīng)用前景。Chen課題組[33]制備的COF-V開管毛細(xì)管柱對撲草津、撲草凈胺及莠去津3種三嗪類除草劑表現(xiàn)出了良好的分離能力。

2.3 芳香族化合物

芳香族化合物(aromatic compounds)是指分子中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的有機化合物,廣泛存在于染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、石化、塑料基橡膠等領(lǐng)域的廢水中。按照所含官能團及結(jié)構(gòu)特征,芳香族化合物分為多氯聯(lián)苯、氯化苯酚、苯系物(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、多環(huán)芳烴、單芳烴和取代芳烴(硝基苯、鹵代苯等)等[52]。由于芳香化合物已經(jīng)成為土壤及水資源中普遍存在的污染物之一,因此發(fā)展新型檢測技術(shù)或方法對其進行分離檢測具有重要意義[53]。

本課題組[22]以制備的COF-LZU1開管毛細(xì)管柱為分離通道,以5種烷基苯、4種多環(huán)芳烴和4種苯胺為目標(biāo)分析物,考察了COFs開管毛細(xì)管柱對芳香化合物的分離性能。結(jié)果表明,COF-LZU1開管毛細(xì)管柱可以分別實現(xiàn)3類芳香化合物的基線分離;所制備的COF-LZU1開管毛細(xì)管柱表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性,連續(xù)運行300次后分離性能沒有明顯的變化。Chen課題組[31]利用聚多巴胺的黏附性采用物理吸附法制備了多層COF-5開管毛細(xì)管柱。此開管毛細(xì)管柱被用于中性、酸性和堿性芳香族化合物的分離。

2.4 氨基酸

氨基酸是人體必不可少的重要組成部分,參與諸多生物過程如蛋白質(zhì)、多肽和神經(jīng)遞質(zhì)的合成等,對健康起著至關(guān)重要的作用[54,55]。目前,氨基酸分離分析已成為醫(yī)學(xué)、制藥及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域不可或缺的一部分[56,57]。

2.4.1氨基酸非對映體

Hu課題組[23]于2018年通過共價結(jié)合的方式將COF SNW-1引入到毛細(xì)管內(nèi)壁,并將其應(yīng)用于毛細(xì)管電色譜氨基酸分離。結(jié)果顯示,所制備的SNW-1開管毛細(xì)管柱對包括氨基酸在內(nèi)的多種物質(zhì)具有良好的分離效果,可以實現(xiàn)D-苯丙氨酸、D-酪氨酸及D-色氨酸3種氨基酸的基線分離。2019年,Ye課題組[58]利用Tp及Pa-1作為有機分子構(gòu)建基元,在室溫下制備的TpPa-1開管毛細(xì)管柱同樣實現(xiàn)了D-苯丙氨酸、D-酪氨酸及D-色氨酸3種氨基酸的基線分離。2022年,本課題組[59]利用2,5-二羥基對苯二甲酰肼(DHzOH)及均苯三甲醛(Tf)為有機分子構(gòu)建基元合成的COF Tf-DHzOH作為固定相材料,通過后修飾法制備了不同厚度的Tf-DHzOH開管毛細(xì)管柱,以此開管毛細(xì)管柱為分離通道實現(xiàn)了包括苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、對羥基苯甘氨酸及3,4-二羥基苯丙氨酸在內(nèi)的5種氨基酸的基線分離。

2.4.2氨基酸對映體

COFs毛細(xì)管電色譜在氨基酸的對映體分離領(lǐng)域也表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。2020年,Wang課題組[60]以異氰酸酯-β-環(huán)糊精(isocyanate-β-cyclodextrin, MDI-β-CD)為手性選擇劑,亞氨基TpPa-1 COF為基體,采用自下而上的方法合成了一種新型手性MDI-β-CD modified COF,進而通過原位生長法制備了手性COFs開管毛細(xì)管柱。以此開管毛細(xì)管柱作為分離通道實現(xiàn)了4種氨基酸的對映體分離。除了直接利用手性COFs開管毛細(xì)管柱實現(xiàn)對映體分離外,還可以通過在COFs開管毛細(xì)管柱中使用手性流動相的方法實現(xiàn)手性物質(zhì)的對映體分離。2021年,Chu課題組[61]分別考察了以Tp及BD制備的TpBD開管毛細(xì)管柱為分離通道的毛細(xì)管電色譜法、以TpBD開管毛細(xì)管柱為分離通道結(jié)合羥丙基-β-環(huán)糊精(hydroxypropyl-β-cyclodextrin, HP-β-CD)為手性流動相的毛細(xì)管電色譜法及HP-β-CD為手性流動相的毛細(xì)管電泳法對氨基酸的分離能力。結(jié)果表明,第二種方法的分離能力及手性選擇性最好,可以實現(xiàn)15種單氨基酸對映體的基線分離。另外,在最佳條件下,可以同時實現(xiàn)3種混合氨基酸外消旋體(纈氨酸、蛋氨酸、谷氨酸)的對映體分離。

2.5 藥物

在過去的幾十年里,由于藥物濫用及藥物不良反應(yīng)等問題,人們越來越關(guān)注藥物對人體健康及環(huán)境潛在的不利影響?；诖?藥物分離分析已成為制藥工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)及環(huán)境保護等不同領(lǐng)域的重要課題[62,63]。目前使用的藥物分離分析技術(shù)中,高效液相色譜[64]、氣相色譜[65]及其與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。除了上述技術(shù)外,毛細(xì)管電色譜技術(shù)在藥物分離尤其是手性藥物對映體分離方面同樣做出了重要貢獻(xiàn)[66]。目前,COFs毛細(xì)管電色譜在藥物分離領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為非手性藥物分離和手性藥物對映體分離兩個方面。

2.5.1非手性藥物

Hu課題組[23]將所制備的COF SNW-1開管毛細(xì)管柱用于磺胺類藥物、頭孢菌素類藥物等物質(zhì)的分離,并與裸毛細(xì)管柱分離效果進行了對比。結(jié)果表明,SNW-1開管毛細(xì)管柱具有更好的分離能力。Chen課題組[33]所制備的COF-V開管毛細(xì)管柱實現(xiàn)了卡馬西平和奧卡西平2種抗癲癇藥的基線分離。2022年,Ye課題組[24]將所制備的TFA-TAPB開管毛細(xì)管柱用于氟喹諾酮類藥物的分離,結(jié)果表明,TFA-TAPB開管毛細(xì)管柱可以實現(xiàn)7種氟喹諾酮類藥物的基線分離。本課題組[59]制備了具有不同厚度的Tf-DHzOH開管毛細(xì)管柱,并以其為分離通道建立了分別分離9種磺胺類藥物及4種四環(huán)素藥物的開管毛細(xì)管柱電色譜分離新方法。結(jié)果表明,Tf-DHzOH開管毛細(xì)管柱表現(xiàn)出了比裸毛細(xì)管柱更好的分離效果,且Tf-DHzOH涂層厚度對分離結(jié)果具有重要影響。

2.5.2手性藥物

近年來,通過使用手性COFs作為固定相,利用毛細(xì)管電色譜對手性藥物對映體進行分離取得了一定的進展。Ji課題組[38]通過在整體柱中引入SNW-1 COF以增加外消旋體與固定相之間的相互作用,實現(xiàn)了包括β-阻滯劑、抗組胺劑及抗凝血劑在內(nèi)的8對手性藥物的對映體分離。Huang課題組[40]以氨氯地平、撲爾敏、聯(lián)糠醛及布洛芬為目標(biāo)分析物,考察了所制備的手性COF CTpPa-1開管毛細(xì)管柱的對映體分離能力。結(jié)果顯示,所制備的CTpPa-1開管毛細(xì)管柱對上述4種手性藥物的對映體均可實現(xiàn)基線分離,且表現(xiàn)出了良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。Wang課題組[60]利用環(huán)糊精對有機分子構(gòu)建基元進行修飾的方法將環(huán)糊精引入到COFs孔徑中,以此COFs制備的開管毛細(xì)管柱實現(xiàn)了阿替洛爾、拉貝洛爾、索他洛爾及塞利洛爾4種β-阻滯劑的對映體分離。Ji課題組[67]利用框架結(jié)構(gòu)中含有β-環(huán)糊精的β-CD COF作為手性固定相分別實現(xiàn)了6種手性藥物對映體的基線分離,且具有良好的重現(xiàn)性。在此之后,該課題組[21]在β-CD COF的基礎(chǔ)上,通過后修飾制備了2種COFs開管毛細(xì)管柱,并選取手性藥物作為目標(biāo)物對其對映體分離能力進行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)引入官能團可以改變β-CD COF的性質(zhì),并調(diào)節(jié)其手性識別能力,可以更好地實現(xiàn)對映體的分離。

發(fā)展新型手性COFs及COFs開管毛細(xì)管柱制備方法,對滿足對映體分離多樣性的需求及促進COFs在毛細(xì)管電色譜手性分離領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要作用?；诖?本課題組[30]通過自下而上的策略,設(shè)計并合成了一種具有高結(jié)晶度和良好化學(xué)及熱穩(wěn)定性的新型手性DA-TD COF,并采用手性DA-TD COF作為開管毛細(xì)管電色譜的手性固定相進行手性藥物對映體分離。結(jié)果顯示,手性DA-TD COF開管毛細(xì)管柱對8種手性藥物的對映體具有良好分離性能,且連續(xù)運行200次后分離效率無明顯變化。為了優(yōu)化COFs開管毛細(xì)管柱的制備過程,本課題組[68]利用(R)-2-(3-氯-2-羥丙基)-1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(CB)及DA,通過一步原位生長法在室溫下制備了手性CB-DA-COF開管毛細(xì)管柱并將其作為分離通道用于手性藥物的對映體分離。該方法既不需要有機分子構(gòu)建基元對毛細(xì)管進行預(yù)修飾,也不需要苛刻的反應(yīng)條件,顯著縮短了手性COFs涂層的制備時間。結(jié)果表明,該手性開管毛細(xì)管柱對特布他林、普萘洛爾、苯腎上腺素、維拉帕米、去甲腎上腺素和異丙腎上腺素等6種手性藥物的對映體具有良好的分離能力。

3 分離機理

雖然COFs毛細(xì)管電色譜仍處于起步階段,但其已經(jīng)在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的分離能力,具有巨大的應(yīng)用前景。為了促進COFs在毛細(xì)管電色譜領(lǐng)域的應(yīng)用及更好地設(shè)計制備具有高效分離能力的COFs及基于COFs固定相的毛細(xì)管電色譜柱,科研工作者通過實驗設(shè)計及計算模擬等手段對基于COFs固定相的毛細(xì)管電色譜分離機理進行了研究[23,27,68]。目前,普遍認(rèn)為基于COFs固定相的毛細(xì)管電色譜的良好分離能力主要得益于以下兩個方面:(1)COFs孔的尺寸排阻作用。由于有機分子構(gòu)建基元和側(cè)鏈的尺寸不同,形成的COFs將具有不同的孔徑及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在作為固定相進行分離時只允許小于其孔徑的目標(biāo)分析物通過。與之對應(yīng),尺寸較大的目標(biāo)分析物則難以通過COFs孔,只能從COFs固定相材料表面或空隙中通過[30]。(2)目標(biāo)分析物與COFs框架或側(cè)鏈之間的相互作用,如疏水相互作用、氫鍵相互作用、π-π相互作用等。由于COFs往往含有烷烴側(cè)鏈、芳香結(jié)構(gòu)、氧和/或氮等電負(fù)性較大的原子,因此可能與目標(biāo)分析物之間發(fā)生多種相互作用[20,68]。

2022年,本課題組[68]分別制備了高結(jié)晶度的CB-DA COF開管毛細(xì)管柱及無定型CB-DA-COF開管毛細(xì)管柱,并對其手性分離效果進行了對比。結(jié)果表明,高結(jié)晶度的CB-DA COF固定相對手性藥物具有良好的分離能力,而無孔結(jié)構(gòu)的無定型CB-DA-COF固定相并沒有手性分離能力,證明COFs的孔結(jié)構(gòu)對分離效果具有重要貢獻(xiàn)。利用AutoDock軟件通過遺傳算法對手性CB-DA COF與目標(biāo)分析物之間的結(jié)合能進行了計算,結(jié)果表明,對于對映體分離效果較好的藥物,其兩種對映體與手性CB-DA COF孔內(nèi)的結(jié)合能差距較大。Ji課題組[21]利用AutoDock軟件通過分別計算手性COFs與兩種對映體之間的結(jié)合能大小(ΔG)及兩者差值(ΔΔG),研究了改性后的β-CD COF對二氫吡啶和氟喹諾酮類藥物的手性識別機制和分子間相互作用。計算結(jié)果表明,在手性COFs引入的官能團和對映體之間有更多的相互作用,從而提高了β-CD COFs的手性識別能力。2023年,Huang課題組[40]利用分子對接技術(shù)研究了CTpPa-1整體毛細(xì)管柱在進行手性分離時CTpPa-1與手性化合物之間的相互作用。結(jié)果表明,對映體與手性COF CTpPa-1之間的結(jié)合自由能差值與對映體選擇性因素有關(guān),豐富的乙酰氧基、腈基及苯環(huán)是手性COF CTpPa-1整體毛細(xì)管柱對映體分離能力的來源。

4 總結(jié)與展望

綜上所述,COFs已在毛細(xì)管電色譜中得到了一定的應(yīng)用并展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。但是,COFs在毛細(xì)管電色譜領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起始階段,仍存在許多亟待深入研究和解決的問題。首先,大多數(shù)COFs的合成條件較為苛刻(高溫、密封、反應(yīng)時間冗長等),不適用于原位合成,只能通過后修飾的方式制備COFs毛細(xì)管柱,限制了它們在毛細(xì)管電色譜中的應(yīng)用。此外,基于COFs固定相的毛細(xì)管電色譜分離機理研究仍不夠深入,難以確定分子尺寸選擇作用及COFs與目標(biāo)分析物之間的相互作用的貢獻(xiàn)大小,無法通過COFs的結(jié)構(gòu)及孔徑尺寸來判斷其對目標(biāo)分析物的分離能力,限制了開發(fā)分離效率高、分離能力強的毛細(xì)管電色譜方法。鑒于此,我們認(rèn)為今后應(yīng)圍繞以下幾方面開展基于COFs固定相的毛細(xì)管電色譜研究:(1)針對在復(fù)雜體系中分離測定目標(biāo)組分的要求,利用化學(xué)信息學(xué)方法設(shè)計構(gòu)造有可能用于毛細(xì)管電色譜的COFs,減少合成COFs的盲目性,提高制備COFs毛細(xì)管電色譜柱的效率;(2)開發(fā)條件更為溫和的COFs制備方法,以滿足簡便快速制備性能更加優(yōu)異的COFs毛細(xì)管柱的要求;(3)深入開展基于COFs固定相的毛細(xì)管電色譜分離機理的研究,為建立適用于復(fù)雜樣品分離分析的毛細(xì)管電色譜方法提供理論指導(dǎo)。