金屬有機骨架材料在色譜固定相構(gòu)建及應(yīng)用中的研究進展

閆美婷, 龍文雯, 陶雪平, 王 丹, 夏之寧, 付琦峰*

(1. 西南醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院, 四川 瀘州 646000; 2. 重慶大學(xué)藥學(xué)院, 重慶 401331)

色譜技術(shù)以其能夠?qū)Ω黝悩悠愤M行高效分離分析而被廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。然而,隨著各類新型復(fù)雜樣品體系的不斷涌現(xiàn),高效色譜分離分析的新需求日益迫切,因此色譜技術(shù)的分離效能亟需進一步提升。作為色譜分離技術(shù)的重要組成部分,固定相的性能對于實現(xiàn)高效色譜分離分析至關(guān)重要[1]。

表1 MOFs固定相在HPLC中的典型應(yīng)用

This review also summarizes the different analytical targets (e. g., chiral small molecules, biomacromolecules, and nonchiral molecules) and corresponding separation effects achieved using various MOFs-based chromatographic stationary phases. Finally, future studies focusing on the development of MOFs as chromatographic separation media are discussed. Overall, this review provides a valuable reference for the rational construction and practical applications of advanced MOFs-based chromatographic stationary phases.

金屬有機骨架(metal-organic frameworks, MOFs)是一類由金屬離子或金屬簇與有機配體有序組裝而成的新型多孔晶體材料。MOFs具有制備方法簡便且溫和、比表面積大、孔隙率高、熱穩(wěn)定性好、孔徑及活性位點靈活可調(diào)等優(yōu)異特性,在色譜分離領(lǐng)域受到了研究者們的廣泛關(guān)注[2,3]。由于其獨特的結(jié)構(gòu)和特性,MOFs已成為一類高性能色譜分離固定相,在復(fù)雜樣品分離分析領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用潛力。本文主要聚焦于近年來在高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)和毛細管電色譜(CEC)等領(lǐng)域的MOFs色譜固定相構(gòu)建方法,并對不同制備方法的特點進行了探討。此外,還綜述了MOFs固定相在色譜分離中的最新應(yīng)用情況。

1 MOFs色譜固定相的構(gòu)建方法

1.1 MOFs高效液相色譜固定相的制備

MOFs材料作為新興的先進分離介質(zhì),在色譜固定相領(lǐng)域已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。按照構(gòu)建方式的不同,MOFs液相色譜固定相主要可分為填充柱和整體柱兩種類型。填充型HPLC固定相的制備方法主要有MOFs材料直接裝填法和MOFs基復(fù)合材料裝填法。Maes等[4]采用干填充法,直接將MIL-47作為填料填充至不銹鋼柱中,在色譜分離實驗中成功實現(xiàn)了乙苯和苯乙烯的基線分離。研究結(jié)果還表明,MIL-47固定相在分離過程中表現(xiàn)出分子篩效應(yīng)和呼吸效應(yīng)。嚴秀平課題組[5]采用勻漿法填充MIL-53(Al)柱,并借助二元流動相HPLC方法,成功實現(xiàn)了對二甲苯、二氯苯、氯甲苯和硝基苯酚異構(gòu)體的基線分離,同時展現(xiàn)了高柱效的優(yōu)勢。然而,直接將MOFs顆粒作為固定相時,常常面臨背壓過大、填充不均勻和各向異性等問題,從而限制了MOFs晶體作為HPLC固定相的應(yīng)用。

2010年,均勻球形MOFs基復(fù)合材料作為HPLC固定相的策略被提出,一定程度上解決了MOFs直接作為固定相填料所帶來的高背壓、低柱效等問題,已被廣泛用于HPLC分離[6]。Ehrling等[7]采用逐層法制備了多種微孔MOFs@SiO2核-殼復(fù)合微球并將其作為HPLC固定相,在正相模式下成功實現(xiàn)了C8異構(gòu)體、二氯苯異構(gòu)體、苯乙烯和乙苯的高效分離。此外,液相外延(LPE)技術(shù)可用于在功能化硅球表面生長出具有高結(jié)晶質(zhì)量、可控取向和厚度的均勻MOF膜,已成為合成均勻MOFs復(fù)合填料的重要方法之一[8]。然而,LPE和逐層法(LBL)工藝步驟較為繁瑣,實用性受限。丁明玉課題組[9]提出了一種簡單易行的一鍋合成法,通過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)即可合成具有不同負載量的SiO2@UiO-66核-殼復(fù)合微球,成功應(yīng)用于HPLC分離二甲苯異構(gòu)體和乙苯等有機小分子化合物(圖1)。盡管SiO2是目前最常用的MOFs負載球形顆粒,但MOFs@SiO2核-殼復(fù)合微球仍面臨不均勻團聚以及材料兼容性差等問題。因此,需進一步探索和開發(fā)新型MOFs復(fù)合填料,更好地控制MOFs顆粒生長的均勻性和厚度,進而拓展MOFs作為高性能HPLC固定相的應(yīng)用價值。

圖1 一鍋合成法制備SiO2@UiO-66核-殼復(fù)合微球[9]

相比填充柱,MOFs整體柱具有制備過程簡單、穩(wěn)定性良好、孔隙豐富及易功能化等優(yōu)勢,常用于毛細管液相色譜(CLC)中。整體柱的制備方法主要有前驅(qū)體摻雜聚合法和后修飾改性法。Yang等[10]利用逐層自組裝后修飾策略,在羧基官能化聚(甲基丙烯酸-共-二甲基丙烯酸乙二酯)(poly(MAA-co-EDMA))整體柱內(nèi)原位生長HKUST-1,并在反相模式下對二甲苯、苯二酚、乙苯和苯乙烯等小分子化合物實現(xiàn)了高效分離,且分離效能隨著HKUST-1載量的增加而提升。Pérez-Cejuela等[11]基于NH2-MIL-101(Al)制備了MOF改性聚甲基丙烯酸縮水甘油酯-二甲基丙烯酸乙二醇酯(poly(GMA-co-EDMA))整體柱,并實現(xiàn)了多環(huán)芳烴和非甾體抗炎藥的基線分離。作者對比了前驅(qū)體摻雜聚合和后修飾等不同方法制備的HKUST-1整體柱性能,發(fā)現(xiàn)后修飾方法會導(dǎo)致MOF過度堆積從而阻塞孔隙,影響MOFs對色譜柱的均勻修飾。盡管整體柱具備上述優(yōu)點,但由于聚合過程的不可控性以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻等問題,MOFs在整體柱HPLC中的應(yīng)用仍受到限制。因此,有必要開發(fā)聚合路徑簡單可控、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定均勻的MOFs整體柱以提高其性能。

Ding等[12]通過交聯(lián)分子(CLMs)共價組裝方法制備了UiO-66/NH-MA@CLM雜化整體毛細管柱,通過MOFs本身以及MOFs和聚合物之間的交聯(lián)形成可調(diào)的分級孔結(jié)構(gòu),在反相CLC模式下同時分離低相對分子質(zhì)量化合物和聚合物并具有良好的重現(xiàn)性(圖2)。張維冰課題組[13]利用后修飾方法在刷狀聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(pGMA)涂層毛細管(25 μm內(nèi)徑)內(nèi)壁表面偶聯(lián)NH2-UiO-66納米顆粒。所獲得的NH2-UiO-66改性pGMA涂層開管毛細管柱具有較高的NH2-UiO-66負載量及良好的柱滲透性,可成功用于芳香烴、烷基苯、苯酚等小分子化合物的液相色譜分離,分離效率可達108 462板/米。此后,該課題組[14]通過前驅(qū)體摻雜聚合策略成功制備了IRMOF-3@vancomycin-pMSA多孔層開管(PLOT)毛細管柱,在親水作用色譜(HILIC)模式下,對中性、酸性和堿性化合物進行了分離分析,并進一步實現(xiàn)了牛血清白蛋白(BSA)胰酶消化液的梯度洗脫高效分離。與聚合物整體柱相比,PLOT柱的多孔聚合物薄層厚度和孔結(jié)構(gòu)易受到聚合反應(yīng)條件影響,須對聚合速率等進行嚴格控制,才能取得較好的分離重現(xiàn)性。相比常規(guī)HPLC分離模式,CLC使用內(nèi)徑較小的毛細管柱作為分離通道,使色譜分析更趨于微型化和綠色化。MOFs分離介質(zhì)與CLC技術(shù)相結(jié)合,有望獲得更出色的動力學(xué)和分離性能,在色譜領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖2 UiO-66/NH-MA@CLM雜化整體柱的制備與應(yīng)用[12]

1.2 MOFs氣相色譜固定相的制備

MOFs材料作為高效GC分離介質(zhì),已在揮發(fā)性復(fù)雜樣品的分離分析中取得了顯著的研究進展。MOFs材料可直接填充在玻璃管、不銹鋼柱等載體中,用于GC分離分析。然而,不均勻的填料顆粒經(jīng)常導(dǎo)致重現(xiàn)性不佳、峰形展寬、柱效下降等問題,顯著影響GC填充柱的分離效能和實用性[15]。與填充柱相比,MOFs摻雜聚合物整體柱的滲透性更好,制備方法也較為簡便,在GC固定相領(lǐng)域有著一定的應(yīng)用價值。Yusuf等[16]通過前驅(qū)體摻雜策略,制備了ZIF-8摻雜聚甲基丙烯酸(BuMA-co-EDMA)整體柱,成功用于線性烷烴及油漆稀釋劑的GC快速分離分析。

相比于MOFs摻雜整體柱,MOFs涂層開管(OT)模式的GC分離柱效較高,且制備方法更加簡便高效,因此近年來受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。MOFs涂層GC固定相可通過原位生長法和后修飾法進行制備[17,18]。原位生長法是一種將MOFs晶體直接生長在毛細管內(nèi)壁上的方法。Münch等[19]采用循環(huán)層沉積方法在毛細管內(nèi)壁原位生長了HKUST-1涂層GC固定相。該方法與傳統(tǒng)層層自組裝涂層方法的主要區(qū)別是通過氬氣氣流直接吹掉單層反應(yīng)后殘留的前驅(qū)體溶液,有助于前驅(qū)體液膜的保留及MOFs涂層的高效生長。所制得的HKUST-1涂層柱不僅具有較高的涂層質(zhì)量,而且展現(xiàn)出良好的GC分離性能。Wu等[20]通過Zn(II)與羧基的配位反應(yīng),成功將ZIF-90晶體原位生長于毛細管內(nèi)壁上,所制得的ZIF-90改性毛細管GC柱實現(xiàn)了對多種極性化合物(包括酮類、醇類、醛類等)的有效分離(圖3)。

圖3 ZIF-90鍵合毛細管柱的制備示意圖[20]

相比于合成過程耗時較長且可控性較差的柱內(nèi)原位生長策略,靜態(tài)和動態(tài)涂覆等后修飾涂層方法適用于更多種類MOFs改性GC毛細管柱的高效制備,并受到更多研究者的關(guān)注和應(yīng)用。靜態(tài)涂覆MOFs改性毛細管柱通常是將MOFs分散液靜置在毛細管內(nèi),使其自發(fā)涂覆在管壁上,最終形成均勻的MOFs涂層[21]。Patel等[22]將柱外預(yù)先合成的ZIF-8晶體分散在離子液體中,并采用靜態(tài)涂覆法制備ZIF-8改性毛細管柱用于氣相色譜的分離。靜態(tài)涂覆法制備的MOFs涂層GC毛細管柱通常具有良好的分離性能,但由于操作復(fù)雜且制備時間較長,還需進一步研究和改進,以提高實用性和分離效率。

動態(tài)涂覆法是在惰性氣體氣流的作用下,采用固定相溶液持續(xù)沖洗毛細管柱,然后使管內(nèi)溶劑揮發(fā),最后分離介質(zhì)覆蓋在毛細管內(nèi)壁形成一層固定相膜[23]。2010年,嚴秀平課題組[24]首次報道了通過動態(tài)涂覆法制備MOFs(MIL-101)改性GC毛細管柱,僅需1.6 min即可實現(xiàn)對二甲苯的高效基線分離。Meng等[25]采用動態(tài)涂覆法制備了3種具有不同配體的鋯基MOFs(NU-1000、PCN-608和PCN-222)改性毛細管柱,并以烷烴、烷烴異構(gòu)體和取代苯異構(gòu)體為例,研究了MOFs固定相顆粒大小對GC分離性能的影響。Tian等[26]提出了一種新的動態(tài)涂覆GC毛細管柱制備方法,即利用184 silicone作為MAF-5的保護薄膜,顯著提升了MAF-5涂層的穩(wěn)定性和完整性,并將其成功用于直鏈烷烴、多環(huán)芳烴以及有機氯農(nóng)藥等分析物的快速分離分析。盡管動態(tài)涂覆法操作簡便、涂覆速度快,且制備的色譜柱通常具有較高的分離能力,但該方法仍存在一定的局限性,例如液膜不均勻和重復(fù)性較差。Wang等[27]提出一種聚硅氧烷基輔助制備晶體海綿(MOFs類似物)涂層手性GC固定相的新方法,即在聚硅氧烷(polysiloxane, PSO)OV-1701的輔助作用下,將手性晶體海綿(chiral crystalline sponges, CCS-3S)牢固黏附在毛細管內(nèi)壁上。該PSO/CCS-3S涂層柱表現(xiàn)出更高的分離選擇性,并且能夠在更廣泛的對映體分離范圍內(nèi)發(fā)揮優(yōu)異的手性分離能力(圖4)。

圖4 OV-1701輔助制備PSO/CCS-3S涂層毛細管柱的示意圖[27]

1.3 MOFs電色譜固定相的制備

依據(jù)固定相的形式,CEC可分為填充柱(PC-CEC)、整體柱(MC-CEC)和開管柱(OT-CEC)三大類。PC-CEC通常是將各類分離介質(zhì)填充于毛細管內(nèi),再經(jīng)過兩端柱塞燒結(jié)來制備的。Fei等[28]采用加壓填充法將手性MOF [In3O(obb)3(HCO2)(H2O)]晶體直接裝填于毛細管內(nèi),在CEC模式下,實現(xiàn)了克侖特羅、氫化安息香等手性對映體以及硝基酚同分異構(gòu)體的快速有效分離。但PC-CEC的分離性能易受填料粒徑分布、形貌差異等因素的影響,且制備過程較為復(fù)雜,目前已逐漸被MC-CEC和OT-CEC所取代。Ding等[29]采用層層自組裝原理在聚合物整體柱內(nèi)原位生長ZIF-8晶體涂層,再利用戊二醛交聯(lián)原理在ZIF-8晶體表面鍵合胃蛋白酶分子,所制得的pepsin-ZIF-8-poly(GMA-co-EDMA)整體柱對羥氯喹、氯喹、羥嗪等手性藥物的CEC拆分效果顯著。Miao等[30]采用相似的策略成功制備了pepsin@MOF-5@poly(GMA-co-EDMA)整體毛細管柱,并利用其成功實現(xiàn)了奈福泮、克侖特羅及氯苯那敏等6種堿性手性藥物的CEC手性拆分。Zhang等[31]將鑭系金屬MOF(NKU-1)分散至預(yù)聚合混合物中,并將該混合溶液通入毛細管內(nèi),采用前驅(qū)體摻雜MOFs原位聚合策略成功制備了NKU-1-poly (BMA-co-EDMA)整體柱,實現(xiàn)了對烷基苯、多環(huán)芳烴等多類化合物的高效CEC分離。MOFs改性MC-CEC的固定相載量較大,易于獲得較高的分離選擇性,但該模式普遍存在柱壓較高、重現(xiàn)性較差、毛細管易堵塞等問題,一定程度上限制了MC-CEC的應(yīng)用。

相比于填充柱和整體柱,OT-CEC的固定相制備方法更加靈活多樣,且與新型色譜分離介質(zhì)更加兼容,已逐漸發(fā)展成為一類主流的CEC固定相制備方式。然而,開管模式的固定相負載量有限,導(dǎo)致OT-CEC柱的容量較小且分離選擇性受限。因此,迫切需要開發(fā)具有高負載量和更大柱容量的新型OT-CEC固定相。MOFs具備改善固定相傳質(zhì)性能和增加作用位點數(shù)量的雙重優(yōu)勢,在OT-CEC領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。迄今為止,MOFs用于構(gòu)建OT-CEC固定相的制備方法主要包括物理涂覆法、化學(xué)鍵合法和原位生長法等。

物理涂覆法是一種后修飾固定方法,依靠范德華力、氫鍵或靜電作用等非共價鍵相互作用力將MOFs涂層覆蓋在毛細管內(nèi)壁上。該類方法制備過程簡便,易于實現(xiàn),適用于多數(shù)MOFs材料。Wang等[32]利用靜電吸附將BSA與ZIF-8結(jié)合修飾于毛細管內(nèi)壁,在CEC模式下成功分離了多種同系物和異構(gòu)體。Zhang等[33]采用相似的方法制備了組氨酸修飾的ZIF-8涂層毛細管柱,成功分離了3種外消旋堿性藥物的對映體。研究發(fā)現(xiàn),該手性MOFs能夠與β-環(huán)糊精(β-CD)起到協(xié)同作用,與不含His-ZIF-8的CM-β-CD毛細管柱相比,His-ZIF-8柱的分離選擇性顯著提升。硅酸鈉作為一種良好的無機黏附劑,可顯著增強MOFs晶體與毛細管內(nèi)壁的結(jié)合能力。Fei等[34]利用硅酸鈉的黏附作用將手性MOFs材料[Zn2(D-Cam)2(4,4′-bpy)]n均勻、致密地固定于毛細管內(nèi)表面,并利用該手性涂層柱實現(xiàn)了黃酮和吡喹酮的CEC基線分離。此外,陳子林課題組[35]利用聚多巴胺(PDA)的多活性基團和強黏附特性,將預(yù)先合成的γ-CD-MOF(Cu-SD)涂覆在PDA改性毛細管內(nèi),得到的Cu-SD改性柱對丹?；被釋τ丑w具有良好的手性分離效果。然而,物理涂覆方法所得MOFs改性O(shè)T-CEC柱的涂層結(jié)合力不強,易脫落且化學(xué)穩(wěn)定性欠佳。

化學(xué)鍵合法主要通過使用硅烷偶聯(lián)劑等連接劑,基于共價作用將MOFs固定在毛細管內(nèi)壁。相較于物理涂覆法,化學(xué)鍵合法具有更高的固定強度,可以在一定程度上改善MOFs涂層的穩(wěn)定性。Ye課題組[36]利用氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)所攜帶氨基與MOFs晶體表面不飽和配位羧基基團間的酰胺縮合反應(yīng),首先制備得到APTES改性Mn(cam)(bpy),再利用硅烷偶聯(lián)原理將該APTES改性MOFs晶體共價鍵合于毛細管內(nèi)壁,進而將該Mn(cam)(bpy)涂層柱成功用于多種磺胺類化合物的CEC分離分析(圖5)。此外,Ma等[37]通過甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物與組氨酸改性ZIF-67在毛細管內(nèi)表面的化學(xué)鍵合,在常溫條件下制備了組氨酸改性ZIF-67毛細管電色譜固定相。Sun等[38]采用共價交聯(lián)策略制備了一種脂肪酶與MIL-100(Fe)相結(jié)合的復(fù)合材料,再使用3-三甲氧基丙基甲基丙烯酸酯(γ-MAPS)作為交聯(lián)劑將該復(fù)合材料固定在毛細管內(nèi)壁,通過CEC模式實現(xiàn)了多類對映體化合物的有效分離。化學(xué)鍵合法雖然可有效提高毛細管柱內(nèi)壁涂層的穩(wěn)定性,但由于其制備過程復(fù)雜且需要特定反應(yīng)活性的官能團,仍存在一定的局限性。

圖5 Mn(cam)(bpy)涂層柱的制備及應(yīng)用示意圖[36]

由于流動相對管壁的剪切力較強,相比于開管MOFs涂層GC柱,OT-CEC模式對MOFs固定相的涂層牢固性有著更高要求。與前述后修飾方法不同,原位生長法直接在毛細管內(nèi)壁表面進行MOFs成核生長,有助于顯著提升MOFs涂層與管壁的結(jié)合能力。Sun等[39]采用原位生長策略成功制備了L-組氨酸(L-His)改性MIL-53涂層柱。該方法首先將APTES、戊二醛以及高錳酸鉀溶液依次通入毛細管中,得到羧基改性柱,然后通入MOFs前驅(qū)體溶液,在一定條件下于管壁界面原位生長NH2-MIL-53晶體,再利用酰胺縮合反應(yīng)對所得MOFs涂層進行L-His改性,所得L-His-NH-MIL-53改性CEC柱對部分外消旋藥物展現(xiàn)出較強的手性拆分能力。Zheng等[40]基于相似的制備策略,首先在毛細管壁原位生長NH2-MIL-53,再對其進行環(huán)糊精后修飾,所制得的Cyclodextrin-NH-MIL-53涂層柱對手性氨基酸呈現(xiàn)較好的手性拆分能力。本研究組受半胱氨酸(Cys)可有效誘導(dǎo)加速MOFs晶體成核的啟發(fā),發(fā)展了一種高效、通用的MOFs涂層固定相制備方法,即固定化半胱氨酸誘導(dǎo)原位生長(ICISG)[41],可用于多種MOFs涂層毛細管固定相的高效制備(圖6)。以4種由不同金屬離子(Zn2+、Cu2+、Fe3+、Zr4+)組成的MOFs為例,采用ICISG策略,ZIF-8等MOFs晶體可快速生長于Cys改性毛細管內(nèi)壁上,中性、酸性和堿性化合物在4種MOFs涂層柱上均實現(xiàn)了高效CEC基線分離?；谠揑CISG策略,我們進一步制備了具有均一介孔結(jié)構(gòu)的mesoMOF-1涂層柱[42],并用于高效CEC分離分析。相較于HKUST-1涂層柱,mesoMOF-1涂層柱能更加有效地平衡各類分析物自身的動力學(xué)擴散及與介孔孔道間的熱力學(xué)相互作用,成功實現(xiàn)了7種不同分子尺寸化合物的高效分離分析,理論塔板數(shù)高達1.4×105板/米。此外,Li等[43]基于前驅(qū)體摻雜聚合原理,將CAU-1摻入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)前驅(qū)體溶液中,在管壁表面原位聚合成功制得CAU-1@PMMA涂層PLOT柱,進而對芳香酸類化合物實現(xiàn)了更高柱效的CEC分離分析。盡管原位生長方法在MOFs涂層OT-CEC固定相開發(fā)中已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值,但該策略在涂層方法學(xué)適用性和重現(xiàn)性等方面仍存在較大缺陷。進一步探索和發(fā)展簡便、普適性強、結(jié)晶性優(yōu)異且具有良好重現(xiàn)性的MOFs涂層OT-CEC固定相構(gòu)建新方法具有重要意義。

圖6 ICISG策略用于制備MOFs涂層柱[41]

2 MOFs色譜固定相的應(yīng)用

MOFs作為一類新型色譜分離介質(zhì),已在HPLC、CEC、GC等色譜分離技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。由于GC分離過程所采用的溫度較高,因此要求MOFs氣相色譜固定相具有良好的熱穩(wěn)定性。HPLC和CEC分離則涉及大量流動相洗脫過程,因此要求MOFs液相色譜和電色譜固定相具有優(yōu)良的溶劑穩(wěn)定性。目前,已有許多種類的高穩(wěn)定性MOFs分離介質(zhì)被成功用于各類復(fù)雜樣品的HPLC、CEC、GC分離分析。

2.1 MOFs液相色譜固定相的分析物類型

2.1.1手性化合物

眾所周知,手性分離在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要意義。MOFs以其豐富的手性拓撲結(jié)構(gòu)、可調(diào)節(jié)的孔道尺寸、多樣化手性識別位點等諸多獨特優(yōu)勢,在手性分離分析領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。Padmanaban等[44]制備了手性修飾的UMCM-1(Chir-UMCM-1),首次利用手性MOFs作為固定相進行HPLC手性分離。Tanaka等[45]通過手性有機連接體和金屬離子配位合成了新型均一手性(R)-CuMOF-35。對12種外消旋體的拆分效果表明,此類均一手性MOFs固定相可用于高效手性識別與分離。Yu等[46]利用一鍋合成方法制備了一種手性D-His-ZIF-8@SiO2核-殼微球復(fù)合材料,用于醇、酚、胺、酮和有機酸等18種外消旋化合物的HPLC手性分離,展現(xiàn)出良好的手性拆分能力。

2.1.2非手性化合物

除了手性化合物之外,MOFs固定相在非手性化合物的HPLC分離分析領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用。Ding等[12]利用交聯(lián)分子共價組裝方法制備了具有分級孔結(jié)構(gòu)的UiO-66/NH-MA@CLM雜化毛細管整體柱,其能夠通過尺寸篩分及靜電作用等多重機制同時分離小分子化合物和多肽、蛋白質(zhì)等大分子,并表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性。Qu等[47]通過將MOFs薄層生長在SiO2大孔表面,成功制備了具有樹枝狀孔道結(jié)構(gòu)的SiO2@dSiO2-ZIF-8核-殼復(fù)合微球色譜柱,并應(yīng)用于堿性(苯胺衍生物)和酸性(苯酚衍生物)分析物的分離分析。Si等[48]制備了新型MOF-808@SiO2核-殼結(jié)構(gòu)填料,并將其用作HILIC固定相,對磺酰胺、生物堿、核苷、核堿、抗生素和氨基酸等親水性分析物展現(xiàn)出更好的分離選擇性和穩(wěn)定性。此外,MOFs也常用作CLC固定相,用于多肽、蛋白質(zhì)和核苷酸等生物大分子的分離分析。張維冰課題組[14]制備的IRMOF-3@vancomycin-pMSA多孔層開管毛細管柱,成功實現(xiàn)了BSA胰酶消化液的梯度洗脫CLC高效分離。表1總結(jié)了MOFs液相色譜固定相的主要類型及分析對象。

2.2 MOFs氣相色譜固定相的分析物類型

2.2.1手性化合物

2.2.2非手性化合物

烷烴是石油和化學(xué)工業(yè)中的重要原材料,目前已有大量基于GC技術(shù)對烷烴進行分離分析的相關(guān)報道。Read等[62]首次將HKUST-1和ZIF-8等MOFs用作一維和二維微芯片氣相色譜(μGC和μGC×μGC)固定相,并成功實現(xiàn)了高揮發(fā)性輕質(zhì)烷烴的快速分離。Wang等[63]成功合成了一系列以四異位羧酸酯連接劑構(gòu)建的高度穩(wěn)定的MOFs,并利用GC模式實現(xiàn)了C5～C6烷烴異構(gòu)體的高效分離,展現(xiàn)出卓越的分離性能。這些研究結(jié)果表明,不同結(jié)構(gòu)類型的MOF氣相色譜柱在不同烴類分離過程中具有各自的優(yōu)勢。此外,通過改變MOFs的堆積方式也可以實現(xiàn)化合物的高效GC分離。Tao等[64]制備了扭曲和非扭曲堆積的超薄二維Zr-BTB-FA納米片,并將其作為固定相應(yīng)用于取代苯異構(gòu)體的GC分離。結(jié)果顯示,相比于扭曲堆積MOFs涂層柱,非扭曲Zr-BTB-FA納米片涂層柱的選擇性和分離效能得到顯著提升。Tang等[65]通過不同主客體相互作用的誘導(dǎo)機制,合成了不同堆積模式的Zr基苯骨架納米片。非扭曲有序納米孔結(jié)構(gòu)固定相對苯衍生物異構(gòu)體展現(xiàn)出優(yōu)異的GC分離效果,顯著優(yōu)于扭曲雜亂堆疊納米片固定相,揭示出MOF材料堆積方式的重要性。綜上所述,MOFs在揮發(fā)性復(fù)雜樣品的GC分離分析中顯示出令人矚目的應(yīng)用潛力。表2總結(jié)了MOFs氣相色譜固定相的主要類型及分析對象。

表2 MOFs固定相在GC中的典型應(yīng)用

2.3 MOFs電色譜固定相的分析物類型

2.3.1手性小分子化合物

與HPLC、GC相比,CEC具有更高的分離效率、更低的固定相用量和成本等優(yōu)勢,因此在新型手性MOFs分離介質(zhì)的研究中得到了廣泛應(yīng)用。Sun等[77]利用原位生長原理成功制備了HKUST-1涂層柱,協(xié)同緩沖液中添加的羧甲基β-環(huán)糊精(CM-β-CD)手性選擇劑,成功實現(xiàn)了多種手性藥物的CEC手性拆分。與未修飾毛細管柱相比,HKUST-1涂層柱可顯著增強CM-β-CD的手性選擇性。Wang等[78]基于硅烷偶聯(lián)原理,將鐵基γ-CD構(gòu)建的手性MOFs晶體共價鍵合到毛細管內(nèi)壁,并成功將其應(yīng)用于14種手性藥物和1種手性醛的CEC手性分離。Gao等[79]基于巰基-烯點擊反應(yīng)原理將L-Cys-PCN-224手性MOFs晶體鍵合在烯基改性毛細管內(nèi)壁上,所合成的L-Cys-PCN-224涂層柱成功用于17種對映體化合物的CEC手性拆分。Ding等[80]基于原位生長原理制備了ZIF-90涂層毛細管柱,并結(jié)合流動相中的乳酸手性選擇劑,實現(xiàn)了普萘洛爾、美托洛爾、阿替洛爾、比索洛爾、索他洛爾等手性藥物的CEC手性拆分。這些研究結(jié)果表明,手性MOFs分離介質(zhì)與CEC的聯(lián)用具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3.2生物大分子

生物大分子作為生物體的重要組成成分,在很多重要的細胞活動中發(fā)揮著關(guān)鍵功能。高純度的生物大分子在藥物研發(fā)、臨床診斷和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的價值。因此,生物大分子的分離分析已經(jīng)成為新興的研究熱點之一。Geng等[81]利用靜電相互作用將ZIF-8物理涂覆在毛細管內(nèi)壁,用作OT-CEC固定相。在最佳分離條件下,該ZIF-8涂層毛細管柱能夠在10 min內(nèi)實現(xiàn)對溶菌酶、細胞色素C、牛血清白蛋白和核糖核酸酶A的快速基線分離。此外,該新型CEC分離分析方法在手性生物分子和蛋清蛋白的分離方面也表現(xiàn)出良好的效果。本研究組采用硅酸鈉輔助涂層方法成功地將微孔-介孔多級孔結(jié)構(gòu)的NHP-UiO-66晶體固定在毛細管柱內(nèi)壁。除了能高效分離多種小分子化合物外,該NHP-UiO-66涂層CEC固定相還對多肽和堿性蛋白質(zhì)等生物大分子具有出色的分離性能[82]。盡管MOFs材料在生物大分子的CEC分離分析領(lǐng)域已經(jīng)顯示出一定的應(yīng)用潛力,但仍需開展更多深入的研究,以拓展其在蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)以及其他生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的實際應(yīng)用價值。

2.3.3非手性小分子化合物

MOFs材料作為CEC固定相已被廣泛應(yīng)用于非手性小分子化合物的高效分離分析。本課題組[83]利用PDA將BSA固定于DUT-5涂層毛細管柱上,研究了BSA與黃酮類化合物、氟喹諾酮類藥物的相互作用。在最佳CE條件下,成功實現(xiàn)了對3種黃酮類化合物和3種氟喹諾酮類化合物的高效基線分離。Li等[84]采用原位生長法制備了Bio-MOF-1改性CEC柱,對非甾體類抗炎藥、磺胺類藥物和氯苯等小分子化合物表現(xiàn)出良好的分離選擇性,并展示出優(yōu)異的穩(wěn)定性和重復(fù)性。此外,本研究組還研究了MOFs材料用作CEC分離介質(zhì)和固定化酶反應(yīng)器(IMER)載體材料的潛在應(yīng)用。通過靜電相互作用將乙酰膽堿酯酶(AChE)固定在UiO-66-NH2涂層柱上,成功構(gòu)建了新型的在線酶分析方法[85]。與傳統(tǒng)共價鍵合法構(gòu)建的CE-IMER相比,UiO-66-NH2-CEC-IMER不僅具有出色的CEC分離性能,還顯著提高了酶的負載量、穩(wěn)定性和酶分析性能。表3總結(jié)了MOFs電色譜固定相的主要類型及分析對象。

表3 MOFs固定相在CEC中的典型應(yīng)用

3 總結(jié)與展望

綜上所述,MOFs涂層作為高性能色譜分離固定相的應(yīng)用價值備受關(guān)注。然而,迄今為止,MOFs色譜固定相的構(gòu)建方法尚不夠完善,仍需要進一步深入的研究。采用填充法制備MOFs色譜固定相存在諸多缺點,包括填料用量大、成本高、柱效低以及重現(xiàn)性差。通過物理涂覆等方法將MOFs固定于硅球表面或毛細管柱內(nèi)壁,可以有效降低成本且操作較為簡便,但涂層的穩(wěn)定性較差且使用壽命較短。采用共價鍵合、逐層沉積等方法構(gòu)建MOFs色譜固定相可以顯著提高涂層的穩(wěn)定性,但制備過程通常較為繁瑣且耗時,需要對固定相基底進行多步改性。利用原位合成策略構(gòu)建MOFs色譜固定相可以進一步提升涂層的穩(wěn)定性和覆蓋率,但合成的MOFs材料的結(jié)晶性和多孔性易受制備條件的影響,從而導(dǎo)致涂層的重現(xiàn)性較差。

盡管MOFs的種類繁多,但相當數(shù)量的MOFs材料溶劑穩(wěn)定性較差,容易造成其晶體結(jié)構(gòu)在水或其他溶劑中發(fā)生坍塌等問題。受高穩(wěn)定性MOFs類型的限制,在HPLC和CEC固定相的研究中,研究者們往往更傾向于選擇一小部分具有較高水穩(wěn)定性的MOFs材料(如UiO-66和MIL系列)作為固定相。這在一定程度上限制了MOFs在色譜固定相領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此,有必要進一步開發(fā)具有更強溶劑穩(wěn)定性與功能多樣性的新型MOFs色譜固定相。

除此之外,目前MOFs色譜固定相的相關(guān)研究多數(shù)僅聚焦于新型MOFs材料的引入及其分離性能驗證,未針對MOFs固定相的理性構(gòu)建與分離機制兩個方面進行充分探討。因此,為進一步拓展MOFs在色譜分離中的應(yīng)用潛力,未來在以下幾個研究方向還需更多的理論闡釋和實際探究:(1)目前已開發(fā)的MOFs色譜固定相大多局限于微孔結(jié)構(gòu)(孔徑<2 nm),這限制了客體分子在MOFs骨架內(nèi)的傳質(zhì)效率,從而限制了色譜分離性能。為滿足對復(fù)雜樣品高效分離分析的需求,須進一步開發(fā)具有強分離選擇性和傳質(zhì)性能的新型MOFs色譜固定相;(2)色譜分離效能與MOFs固定相的骨架結(jié)構(gòu)和制備方法密切相關(guān)。因此,在保持MOFs高結(jié)晶性和多孔性的基礎(chǔ)上,開發(fā)普適性強且涂覆質(zhì)量良好的新型MOFs固定相制備方法對提升其色譜分離性能具有重要意義;(3)耐水功能化MOFs材料及水穩(wěn)定MOFs固定相制備方法的研究有待拓展,以提高MOFs色譜固定相的壽命,并進一步豐富高實用性MOFs色譜分離介質(zhì)的種類;(4)MOFs固定相的色譜分離機理有待深入探究,以為構(gòu)建分離性能更加優(yōu)異的色譜分離分析方法提供理論指導(dǎo)。綜上所述,盡管MOFs材料在色譜分離中的研究仍面臨一些困難和挑戰(zhàn),但隨著研究者對其結(jié)構(gòu)與功能的持續(xù)探索,MOFs材料作為色譜固定相的應(yīng)用價值有望得到進一步拓展。