基于共價有機(jī)框架的色譜固定相制備及其應(yīng)用研究進(jìn)展

劉 錦, 吳 帆, 甘 霖, 金樂怡, 林子俺

(食品安全與生物分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗室, 福建省食品安全分析與檢測重點(diǎn)實(shí)驗室, 福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350108)

生命科學(xué)、環(huán)境分析和食品安全等新興領(lǐng)域的發(fā)展促使復(fù)雜體系的高分辨、高精確度和高通量分離分析不斷進(jìn)步。色譜是分離分析領(lǐng)域最重要的分離技術(shù)之一,已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測[1]、藥物分析[2]和食品安全檢測[3]等領(lǐng)域。色譜分離的原理是根據(jù)待測混合物中各組分在固定相和流動相之間的分配比例不同,導(dǎo)致流動相洗脫過程中呈現(xiàn)出不同的保留時間,從而實(shí)現(xiàn)各組分間的分離[4]。色譜固定相作為色譜技術(shù)的核心,對色譜的分離性能起著極其重要的作用。常用的色譜固定相包括硅膠、氧化鋁、聚合物和蛋白質(zhì)等材料。硅膠和氧化鋁通常被用作無機(jī)固定相,具有良好的理化性質(zhì)、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、較高的機(jī)械強(qiáng)度,可以與多種化合物進(jìn)行相互作用[5]。聚合物則常用作有機(jī)固定相,具有較寬的pH適用范圍,可以通過調(diào)節(jié)聚合度和交聯(lián)度來調(diào)節(jié)其疏水性和親水性[6]。蛋白質(zhì)固定相則可用于生物分析和制備,可以實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)和其他生物大分子的高效分離[7]。然而以上常用固定相通常也存在一些缺點(diǎn),如硅膠材料的制備工藝復(fù)雜、滲透性差、傳質(zhì)阻力大、pH適用范圍窄,聚合物材料的機(jī)械穩(wěn)定性較差且易在有機(jī)溶劑中溶脹[8]。以上缺點(diǎn)在一定程度上阻礙了傳統(tǒng)固定相的進(jìn)一步發(fā)展。因此,開發(fā)兼具傳統(tǒng)固定相優(yōu)點(diǎn)的新型固定相以滿足不同情況下的分離要求,已成為分析科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

目前,多種基于新型多孔材料的固定相已被用于色譜分離,如金屬有機(jī)框架(metal organic frameworks, MOFs)[9]、多孔有機(jī)籠(porous organic cages, POCs)[10]和共價有機(jī)框架(covalent organic frameworks, COFs)[11]等。MOFs作為一種網(wǎng)狀結(jié)晶多孔材料,具有比表面積大、結(jié)構(gòu)可調(diào)和易于功能化等優(yōu)點(diǎn)[12],目前已被廣泛報道作為色譜固定相應(yīng)用于反相色譜[13]、親水模式色譜[14]和混合模式色譜[15]等多種分離模式中。然而MOFs的孔徑尺寸較小(<2 nm)且多數(shù)MOFs在酸性或堿性條件下化學(xué)穩(wěn)定性較差,這極大地限制了其在色譜領(lǐng)域中的應(yīng)用。共價有機(jī)框架是一類由輕質(zhì)元素(H、O、C、N、B、Si)通過共價鍵連接而成的多孔晶體聚合物材料,具有密度低、比表面積大、性質(zhì)穩(wěn)定、孔道規(guī)整、孔徑可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[16,17]。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),COFs被廣泛應(yīng)用于催化[18]、富集[19,20]、氣體捕獲[21]、樣品前處理[22,23]和傳感[24]等多個領(lǐng)域,并被認(rèn)為是新型色譜固定相的理想材料。

本文針對基于COFs的色譜固定相制備及其應(yīng)用的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了全面總結(jié)。表1列出了近5年來開發(fā)的典型固定相,包括合成方法、目標(biāo)分析物、分離模式或方法[11,25-45]。本文首先介紹了基于COFs的色譜固定相的制備(SiO2@COFs色譜固定相、純COFs色譜固定相和COFs涂層色譜固定相),然后詳細(xì)介紹了基于COFs的固定相在有機(jī)化合物分離、異構(gòu)體分離和手性化合物分離中的最新應(yīng)用。最后討論了基于COFs的色譜固定相的未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn),為進(jìn)一步設(shè)計和開發(fā)基于COFs的新型色譜固定相提供了新的思路。

表1 近5年開發(fā)的典型固定相、合成方法、目標(biāo)分析物和分離模式/方法

1 共價有機(jī)框架色譜固定相的制備

1.1 SiO2@COFs色譜固定相

COFs孔道規(guī)整、比表面積大和性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)異性能使其在色譜分離領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。然而,目前報道的大部分COFs存在形貌不規(guī)則,粒徑分布寬和具有納米尺寸等特點(diǎn),使得將其直接作為色譜固定相成為挑戰(zhàn)。為解決這一關(guān)鍵問題,研究者們通過將COFs與形貌規(guī)則的基質(zhì)相結(jié)合來作為色譜固定相。

將COFs與球形SiO2基質(zhì)結(jié)合制備核-殼結(jié)構(gòu)固定相是開發(fā)新型高效液相色譜(HPLC)固定相的常見方法之一。Zheng等[25]以均苯四甲酸二酐和1,3,5-三-(4-氨基苯基)三嗪為單體,通過“一鍋法”合成了條形COF,并通過溶劑熱法將其鍵合到SiO2表面,用于HPLC分離。通過觀察流動相對保留時間的影響,研究了SiO2@COF的保留機(jī)理。結(jié)果表明,所制備的固定相具有疏水、親水、氫鍵和π-π相互作用等多種相互作用模式,可以實(shí)現(xiàn)極性和非極性分析物的高效分離。Liu等[46]以三醛基間苯三酚(Tp)與2-硝基-1,4-苯二胺(Pa-NO2)為單體合成了TpPa-NO2,并對其進(jìn)行還原,再通過后修飾策略將D-葡萄糖修飾到還原后的TpPa-NH2上,制備得到TpPa-NH2-Glu。隨后將其固載到球形硅膠表面,用于HPLC分離。所制備的固定相具有良好的分離效果,在反相(RP)/正相(NP)模式下,成功實(shí)現(xiàn)了外消旋體化合物和苯系位置異構(gòu)體的拆分。Yuan等[26]合成了兩個具有手性冠醚基團(tuán)的烯烴連接COFs,并采用“網(wǎng)包法”將其固載到SiO2上(圖1)。所獲得的兩種手性固定相具有較高的穩(wěn)定性,可同時應(yīng)用于GC和HPLC的分離中。手性冠醚在COFs通道內(nèi)呈現(xiàn)周期性排列,允許通過分子間相互作用對客體分子進(jìn)行對映選擇性識別,從而實(shí)現(xiàn)多種外消旋化合物的分離。此外,Xie等[27]以無孔二氧化硅球(NPS)為載體,COFs TPB-DMTP(TPB: 1,3,5-三(4-氨基苯基)苯; DMTP: 2,5-二甲氧基-1,4-苯二醛)為多孔功能殼,通過在NPS表面進(jìn)行原位聚合,制備得到NPS@TPB-DMTP固定相用于HPLC分離,成功實(shí)現(xiàn)了一系列小分子化合物的快速基線分離。在這一固定相中,該填料的分離僅發(fā)生在表面多孔層,NPS芯僅作為支撐載體,從而消除了硅膠孔隙的影響,保證了COFs功能層在分離過程中的獨(dú)立性。這為利用COFs優(yōu)異的分子水平可設(shè)計性優(yōu)勢,在介觀尺度調(diào)控固定相的結(jié)構(gòu)和功能提供了可能。

圖1 “網(wǎng)包法”制備COFs手性固定相的示意圖[26]

1.2 COFs整體色譜固定相

除了將COFs與球形SiO2基質(zhì)結(jié)合制備色譜固定相外,將可滲透多孔單體與COF(COF-單體)結(jié)合作為固定相原位聚合于色譜柱內(nèi),同樣有望解決COFs在HPLC中柱壓力高和效率低等問題。Qian等[36]以D-樟腦酸功能化4,4′,4′-(1,3,5-三嗪-2,4,6-三基)三苯胺(CTz)和1,4-二羥基對苯二甲醛(Da)為配體制備得到手性COF CTzDa,并將其摻入乙烯二甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸酯基質(zhì)的可滲透單體中,形成CTzDa單體。通過系統(tǒng)的實(shí)驗表征、熱動力學(xué)分析和分子對接計算,驗證了CTzDa單體的良好滲透性和機(jī)械穩(wěn)定性,隨后將其用于氨基酸(AAs)的分離。CTzDa和AAs之間存在的立體氫、π-π和范德華相互作用以及手性COFs易于結(jié)合到多孔單體中,促進(jìn)了手性CTzDa對AAs的選擇性分離。2021年,Liu等[30]報道了首個用于HPLC的三維COFs集成整體柱。其3D-IL-COF-1整體柱材料以四(4-甲酰苯基)-甲烷和對苯二胺為原料,采用典型的溶劑熱法制備而成,具有納米多孔5倍互穿介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。隨后將該材料摻入甲基丙烯酸-二甲基丙烯酸乙酯單體中,得到3D-IL-COF-1整體柱。該方法優(yōu)于已報道的離子熱合成方法,得到的3D-IL-COF-1整體柱結(jié)構(gòu)均勻,滲透性好,力學(xué)穩(wěn)定性高。多孔有機(jī)整體基質(zhì)保證了制備的COFs整體柱的滲透性,3D-IL-COF-1的引入為整體柱提供了多種相互作用,促進(jìn)了其對中性、酸性和堿性化合物的高效分離。

1.3 純COFs色譜固定相

2019年,我們課題組在室溫下可控合成了從納米到微米尺度的均勻球形COFs[47]。得到的不同粒徑的球形COFs具有超高的表面積、良好的結(jié)晶度和化學(xué)/熱穩(wěn)定性,這使得選擇純COFs直接作為HPLC固定相成為可能?；谝陨锨蛐蜟OFs的制備基礎(chǔ),我們嘗試將單分散球形COFs直接填入色譜柱作為色譜固定相[11]。實(shí)驗以1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和2,5-二乙烯基對苯二醛為原料,乙酸溶液為催化劑,室溫下可控合成微米級球形COFs(SCOFs)用于HPLC分離(圖2a)。結(jié)果表明,該SCOFs填充柱不僅在疏水性小分子的分離中獲得了高柱效和良好的分離度,還成功應(yīng)用于復(fù)雜生物樣品(牛血清白蛋白酶解液)的分離。2022年,我們組合成了氟功能化球形COFs(SF-COFs),并將其作為色譜固定相用于有機(jī)鹵化物的分離[28]。得益于SF-COFs良好的單分散性、疏水性和高含氟量,SF-COFs填充柱成功實(shí)現(xiàn)了有機(jī)鹵化物的分離。值得注意的是,在相同條件下,不含氟COFs填充柱無法對以上有機(jī)鹵化物進(jìn)行分離,這揭示了氟元素的引入對分離效果產(chǎn)生了重要影響?；谝陨瞎ぷ?我們繼續(xù)探索具有規(guī)則形貌的非球形COFs作為HPLC固定相的分離效果,制備了單晶COFs(COF-300)固定相用于有機(jī)小分子和位置異構(gòu)體的分離(圖2b)[29]。該COF-300固定相具有規(guī)則的形狀、微孔特性以及優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性,不僅可以用于疏水性小分子的分離,還可以實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)性質(zhì)相近的位置異構(gòu)體的分離。同時,與多晶COF-300填充柱和商品化色譜柱進(jìn)行分離性能的對比,進(jìn)一步證實(shí)了單晶COF-300固定相的優(yōu)異分離性能。以上工作不僅驗證了將具有規(guī)整形貌的純COFs直接作為液相色譜固定相的可行性,同時也進(jìn)一步拓寬了COFs在色譜分離中的應(yīng)用。

圖2 (a)單分散SCOFs固定相[11]和(b)單晶COF-300固定相的制備示意圖[29]

1.4 COFs涂層色譜固定相

COFs涂層作為色譜固定相具有高度可調(diào)性、高選擇性和高靈敏性等特點(diǎn)。Fu等[41]采用1,3,5-三-(4-甲酰苯基)苯(TFPB)和聯(lián)苯胺(BD)作為有機(jī)單體,合成了COF (TFPB-BD),并將其引入到醛基修飾的毛細(xì)管中,室溫下原位合成COF(TFPB-BD)涂層固定相。所制備的固定相具有較高的比表面積、足夠的有效相互作用位點(diǎn)和良好的傳質(zhì)性能,成功實(shí)現(xiàn)了有機(jī)化合物的毛細(xì)管電色譜(CEC)分離(圖3a)。Zong等[42]首次采用超聲輔助法合成了三維COFs TpTAM。隨后,將其鍵合到毛細(xì)管柱中,并應(yīng)用于氟喹諾酮類藥物的分離(圖3b)。結(jié)果表明,所制備的TpTAM涂層毛細(xì)管柱具有良好的穩(wěn)定性,重復(fù)使用100次后分離效率仍未有明顯變化。隨后對可能存在的分離機(jī)理進(jìn)行探討,發(fā)現(xiàn)π-π堆積效應(yīng)、疏水相互作用和氫鍵作用是影響分離的主要因素。

圖3 (a)TFPB-BD@毛細(xì)管柱[41]和(b)TpTAM涂層毛細(xì)管柱的制備示意圖[42]

β-環(huán)糊精(β-CD)及其衍生物是一類具有手性中心的有機(jī)化合物,被廣泛應(yīng)用于分子的特異性識別。Wang等[43]通過光聚合法,將4,4′-聯(lián)苯二甲醛和七(6-氨基-6-脫氧)-β-環(huán)糊精(Am7CD)縮合而成的手性COF(β-CD COFBPDA)引入到毛細(xì)管色譜柱中。β-CD COFBPDA具有較大的孔徑和比表面積,此外β-CD COFBPDA的包被使手性固定相具有優(yōu)越的三維取向,從而對十幾種外消旋藥物表現(xiàn)出了滿意的分離效果。2021年,Tang等[37]以Am7CD和對苯二甲醛為原料制備得到β-CD-COF,并將其涂覆于毛細(xì)管內(nèi)表面制備得到手性β-CD-COF包覆的毛細(xì)管色譜柱。得益于β-CD手性單元的整合,該固定相不僅存在永久的手性空間,同時還具備較高的熱穩(wěn)定性和較大的表面積。同年,Guo等[38]選擇具有C=C鍵反應(yīng)位點(diǎn)的2,5-二乙烯基-1,4-苯甲醛為單體,與2,4,6-三(4-氨基苯基)-1,3,5-三嗪縮合,合成乙烯基功能化COFs。隨后,又合成了手性硫衍生物(R)/(S)-n-(2-巰基乙基)-2-苯基丙酰胺,并通過“巰基”點(diǎn)擊反應(yīng)將其與TzDva結(jié)合,制備得到具有較高熱穩(wěn)定性和良好孔隙率的手性COF CtzDva。隨后將CtzDva作為氣相色譜固定相,實(shí)現(xiàn)了外消旋化合物的高效分離。以上研究不僅為COFs的合成提供了新的前景,同時也擴(kuò)展了COFs在分離領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

2 共價有機(jī)框架色譜固定相的應(yīng)用

2.1 有機(jī)化合物的分離

色譜技術(shù)是分離分析的重要工具之一,具有高效、精確、可靠的優(yōu)點(diǎn)。目前,基于COFs的色譜固定相已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物的廣譜分離。Liu等[30]采用溶劑熱法制備得到三維COFs固定相3D-IL-COF-1,并將其納入整體柱中。結(jié)果表明,該整體柱不僅可用于中性化合物烷基苯(苯、甲苯、乙苯、丙烯和丁基苯)和多環(huán)芳烴(苯、萘、蒽、芘和苯并芘)的基線分離,同時也對酸性苯酚類化合物(間硝基苯酚、2,6-二甲基苯酚和2,6-二氯苯酚)和堿性苯胺類化合物(苯胺、間硝基苯胺和N,N-二甲基苯胺)具有良好的分離效果(圖4)。采用乙腈-水(70/30, v/v)為流動相,在流速為0.2～2 mL/min的范圍內(nèi),3D-IL-COF-1整體柱上甲苯的最高理論塔板數(shù)為20 700 plates/m,顯著高于空白整體柱(9 541 plates/m)。He等[44]采用室溫原位生長法制備了COF TAPB-BPTA(1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(TAPB), 2,5-雙(2-丙炔-1-基氧基)-1,4-苯二甲醛(BPTA))改性毛細(xì)管柱。所制備的色譜柱不僅對烷基苯、酚類和氯苯類化合物表現(xiàn)出優(yōu)異的分離性能,還在非甾體抗炎藥和對羥基苯甲酸酯的基線分離中具有良好的效率和分辨率,同時,在日內(nèi)(n=5)、日間(n=3)和平行柱(n=3)中均具有較好的精密度,所測烷基苯保留時間的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2.58%。以上結(jié)果表明,基于COFs的新型固定相在有機(jī)化合物的分離領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖4 中性、酸性和堿性化合物在3D-IL-COF-1整體柱上的高效液相色譜圖[30]

2.2 異構(gòu)體的分離

異構(gòu)體在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用,由于具有相似的物理化學(xué)性質(zhì),異構(gòu)體的分離一直是分離領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。雖然蒸餾技術(shù)已被用于異構(gòu)體的分離,但這種熱驅(qū)動過程不僅耗時且效率較低[48]。近年來,基于COFs的色譜固定相逐漸被開發(fā)出來用于異構(gòu)體的分離。Ma等[39]采用后修飾策略制備得到了[(1-苯乙基)氨基]乙酸(PEAA)功能化的COFs(COF TzDHNDA-PEAA),隨即將其涂覆于毛細(xì)管柱中作為GC固定相。該柱不僅可以對正十二烷進(jìn)行高效分離(12 417 plates/m, 120 ℃),同時對氟苯胺(Rm-/o-=3.2,Rp-/m-=2.4)、氯苯胺(Rm-/o-=5.7,Rp-/m-=1.8)、硝基甲苯(Rp-/o-=2.2,Rm-/p-=1.7)、紫羅酮(Rβ-/α-=4.8)、蒎烯(Rβ-/α-=2.4)和1,3-二氯丙烯(RE-/Z-=2.0)等多種異構(gòu)體也表現(xiàn)出了較高的分辨率(Rs)。PEAA的引入豐富了涂層中苯環(huán)、仲胺和羰基的含量,增強(qiáng)了氫鍵和π-π相互作用,從而實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)體的高分辨率分離。Qian等[40]采用構(gòu)建塊交換策略合成了具有豐富孔道和籠孔的氨基三維共價有機(jī)框架(JNU-5)固定相,并用于異構(gòu)體的分離。在JNU-5-毛細(xì)管柱上,二甲苯、二氯苯和丙基苯3種異構(gòu)體在3.5 min恒溫條件下均獲得了良好的基線分離(Rs=1.85～2.89)和高柱效率(間二氯苯為11 429 plates/m)。與商用毛細(xì)管色譜柱(DB-5毛細(xì)管柱和HP-FFAP毛細(xì)管柱)和已報道的新型材料基毛細(xì)管色譜柱(微孔有機(jī)聚合物、石墨烯量子點(diǎn)、2D COF BtaMth、MOF-CJ3、沸石金屬偶氮酸鹽框架MAF-6和MOF UiO-66)相比,JUN-5-毛細(xì)管色譜柱在分離芳香異構(gòu)體,特別是二甲苯異構(gòu)體時表現(xiàn)出更好的分辨率。我們組采用室溫法制備了單晶COF-300固定相,用于位置異構(gòu)體的分離[29]。如圖5所示,該COF-300填充柱實(shí)現(xiàn)了硝基苯胺、二氯苯、二溴苯、二碘苯、二乙苯、氯硝基苯、溴硝基苯和碘硝基苯8種位置異構(gòu)體的高分辨率分離。m-/p-二碘苯和o-/m-二碘苯的分辨值分別為4.45和2.53。此外,將COF-300填充柱與商業(yè)高碳柱和C18柱進(jìn)行了分離性能的對比,可以看出單晶COF-300固定相對于位置異構(gòu)體的分離具有顯著優(yōu)勢。

圖5 在單晶COF-300填充柱(紅色)、商業(yè)高碳柱(綠色)和C18柱(藍(lán)色)上分離位置異構(gòu)體[29]

2.3 手性化合物的分離

手性化合物是一類非對稱分子,其分子鏡像之間不能通過旋轉(zhuǎn)或平移相互重合,這類分子結(jié)構(gòu)的不對稱性使得它們具有非常重要的藥理學(xué)和生物學(xué)意義。因此分離和純化手性化合物是化學(xué)和藥學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一[49]。2018年,Zhang等[31]首次將一系列生物分子(溶菌酶、三肽和L-賴氨酸)錨定于非手性COFs中。所獲得的生物分子COFs保留了生物醇的強(qiáng)手性和特異性,在NP和RP HPLC中均表現(xiàn)出對各種消旋體(藥物和AAs等)的高手性分離效率。同年,Han等[32]報道了由四面體四胺和手性四醛通過亞胺縮合反應(yīng)制備得到的三維手性COFs(CCOF 5),隨后通過對亞胺鍵進(jìn)行氧化,將骨架轉(zhuǎn)化為酰胺鍵COFs(CCOF 6)。所合成的兩種COFs具有4倍互穿的金剛烷類開放框架,管狀通道裝飾有手性二羥基助劑。在最優(yōu)條件下,CCOF 5填料柱在40 min內(nèi)獲得了良好的分離因子(α=1.19)和色譜分辨率(Rs=1.52)。CCOF 6填充柱可以實(shí)現(xiàn)1-苯-2-丙醇、1-苯基-1-戊醇、1-苯-1-丙醇和1-(4-溴苯基)-乙醇等外消旋體的基線分離,α/Rs分別為1.29/1.78、1.21/1.58、1.33/2.47和1.24/1.54。微孔COFs在小分子的分離中具有巨大潛力,但其設(shè)計與合成仍存在困難。Huang等[50]采用乙二胺與四面體四(水楊醛)硅烷/甲烷衍生物的席夫堿反應(yīng)制備了兩對微孔三維salen基和Zn(salen)基COFs。所制備的COFs具有7倍互穿菱形開放框架,并表現(xiàn)出永久孔隙。將非配位salen基團(tuán)功能化的兩種COFs作為HPLC的固定相,成功獲得了對二甲苯(px)、間二甲苯(mx)、鄰二甲苯(ox)和乙苯(EB)的基線分離以及良好的分離因子(αpx/Eb=1.4,αmx/px=1.3,αox/mx=2.0)與分辨率(Rpx/Eb=1.7,Rmx/px=1.5,Rox/mx=5.2)。此外,Guo等[33]以三醛基間苯三酚、(+)-二乙酰-L-酒石酸酐和聯(lián)苯胺為原料,制備得到手性COF CTpBD。隨后采用原位生長法將其固定在氨基功能化二氧化硅表面,制備手性COF核殼微球復(fù)合物CTpBD@SiO2,并應(yīng)用于醇類、堿類、酚類、酮類、有機(jī)酸類和胺類等外消旋體的分離。結(jié)果表明,所制備的CTpBD@SiO2填充柱具有較高的柱效率(阿替洛爾為16 800 plates/m),最高Rs為2.11,α為3.73。Wan等[34]利用室溫溶劑熱法制備均勻球形COF改性二氧化硅(Sil-COF),然后利用硫烯點(diǎn)擊化學(xué)將巰基化β-環(huán)糊精修飾到Sil-COF上。制備得到的Sil-COF-CD固定相不僅成功分離了3種非極性物質(zhì)(烷基苯、多環(huán)芳烴和異構(gòu)體),同時也實(shí)現(xiàn)了手性對映體(2-苯基丙酸和1-苯基-1-丙醇)的基線分離。此外,與商品β-CD色譜柱相比,Sil-COF-CD柱展現(xiàn)出更強(qiáng)的手性識別能力,進(jìn)一步證實(shí)了其在手性化合物分離中的優(yōu)勢(圖6)。以上研究不僅促進(jìn)了COFs在手性分離中的應(yīng)用,同時為設(shè)計高效、耐用的新型手性固定相提供了有價值的指導(dǎo)。

圖6 手性對映異構(gòu)體(a)2-苯基丙酸和(b)1-苯基-1- 丙醇在Sil-COF柱、Sil-COF-CD柱和商用β-CD柱上的色譜分離圖[34]

3 總結(jié)與展望

綜上所述,我們總結(jié)了基于COFs的色譜固定相的制備及其在色譜分離領(lǐng)域中的應(yīng)用。介紹了SiO2@COFs色譜固定相、COFs整體色譜固定相、純COFs色譜固定相和COFs涂層色譜固定相的制備,并綜述了基于COFs的固定相在有機(jī)化合物的廣譜分離化合物以及異構(gòu)體和手性化合物分離中的應(yīng)用。COFs作為一類新型多孔材料,其固有的優(yōu)勢包括低密度、大的比表面積、良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、可調(diào)的孔徑等使其在色譜分離領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛能。目前,越來越多基于COFs的色譜固定相被相繼開發(fā)出來用于提高對待測物的分析靈敏度和選擇性。然而現(xiàn)有的COFs合成方法仍存在合成條件苛刻、制備時間長、成本高昂等缺點(diǎn),在一定程度上限制了其在色譜分離領(lǐng)域中的應(yīng)用。在手性COFs的制備方面,平衡COFs晶體結(jié)構(gòu)的對稱性和手性結(jié)構(gòu)的不對稱性仍然是研究的難點(diǎn)。這意味著在未來COFs的研究中,需要探索新的手性COFs合成方法如微波輔助法、室溫合成和化學(xué)合成法等,同時可以考慮通過除亞胺鍵外的其他鍵,如烯烴、吩嗪、酰亞胺等化學(xué)鍵來對COFs進(jìn)行連接。此外,為了提高COFs的分離性能,還可以對其進(jìn)行特定的設(shè)計和功能化。未來,也可以通過將計算模擬和實(shí)驗研究相結(jié)合,進(jìn)一步優(yōu)化COFs的結(jié)構(gòu)和性能,實(shí)現(xiàn)對更多化合物的選擇性吸附和分離。最后,色譜固定相分離機(jī)理的研究仍然不夠深入,如手性COFs分離外消旋體的機(jī)理尚不明確,還亟待研究。因此,有必要進(jìn)一步對COFs的分離機(jī)理進(jìn)行探究,從而為設(shè)計具有更好分離效果的COFs提供理論指導(dǎo)。隨著具有優(yōu)良性能的新型COFs不斷涌現(xiàn),相信COFs將在色譜固定相的研究中獲得飛速發(fā)展,并在色譜分離領(lǐng)域中收獲更廣闊的應(yīng)用前景。