DOI:10.3969/j.issn.10001565.2025.02.007
摘" 要:異牡荊素是一種天然的碳苷黃酮類活性物質(zhì),具有抗癌、抗炎等多種藥理活性,但是其有效成分的分離純化是開發(fā)的難點和關鍵.因此,制備了MOF材料MOF-801,利用MOF材料上帶有的—COOH基團,對其進行衍生化反應,使其表面帶有C=C終端,然后與共聚單體(甲基丙烯酸月桂酯,LMA)、交聯(lián)劑(乙二醇二甲基丙烯酸酯)、致孔劑(正己醇)和引發(fā)劑(偶氮二異丁腈)混合均勻后制備MOF-801/聚合物整體柱.通過掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜(FT-IR)和氮氣吸附-脫附等方法進行表征,結果顯示,MOF-801和MOF-801/聚合物整體柱均已成功合成.將MOF-801/聚合物整體柱用作固相萃?。⊿PE)吸附劑,通過與高效液相色譜(HPLC)儀聯(lián)用對中藥中的抗癌活性成分異牡荊素進行在線富集純化.結果顯示,所制備的聚合物整體柱對異牡荊素具有較好的富集能力,并能去除中藥中的部分雜質(zhì).
關鍵詞:聚合物整體柱;固相萃取(SPE);異牡荊素;MOF-801
中圖分類號:O658""" 文獻標志碼:A""" 文章編號:10001565(2025)02016511
Preparation of MOF-801/polymer monolithic column and solid phase extraction of isovitexin
LIU Ping, LIU Haiyan
(Key Laboratory of Medicinal Chemistry and Molecular Diagnosis Ministry of Education, Key Laboratory of Public Health Safety of Hebei Province, College of Pharmacy, Hebei University, Baoding 071002, China)
Abstract: Isovitexin is a natural active substance of carboglycoside flavonoids, which has many pharmacological activities such as anti-cancer and anti-inflammation, but its content in medicinal plants is low, and the Chinese herbal medicine extract has some problems such as complex matrix. Therefore, it is necessary to establish a suitable method to enrich and purify isovitexin. In this paper, MOF material MOF-801 was first prepared, and the surface of MOF material was derivatized with —COOH group, so that it had a C=C terminal. Then, it was mixed with comonomer (methyl lauryl acrylate, LMA), cross-linking agent (ethylene glycol dimethacrylate), pore-forming agent (n-hexanol) and initiator (azodiisobutyronitrile) to prepare MOF-801/polymer monolithic column. Then, MOF-801 and MOF-801/ polymer monolithic column were characterized by scanning electron microscope (SEM), FT-IR and nitrogen adsorption-desorption method, which showed that the polymer monolithic column had been successfully synthesized. MOF-801/polymer monolithic column was used as solid-phase extraction (SPE)
收稿日期:20240529;修回日期:20241106
基金項目:
國家自然科學基金資助項目(21974034)
第一作者:柳蘋(1998—),女,河北大學在讀碩士研究生,主要從事分離材料制備方向研究.E-mail:2761787123@qq.com
通信作者:劉海燕(1971—),女,河北大學教授,博士,主要從事分離材料的制備及對天然產(chǎn)物中抗癌活性成分的富集純化研究. E-mail:lhy1610@hbu.edu.cn
中草藥作為中國傳統(tǒng)醫(yī)學的重要組成部分,有著悠久的歷史和豐富的傳承.隨著現(xiàn)代科技的進步和人們對健康需求的提高,越來越多的人開始關注中草藥及其治療效果.異牡荊素是一種天然的碳苷黃酮類活性物質(zhì)[1],廣泛存在于自然界幾十種植物的根、莖、葉、樹皮、果實和種子中[2].近年來,有研究證明異牡荊素具有保護肝臟、降血糖、抗衰老的作用[3],還具有抗肝癌、非小細胞肺癌和結腸癌、胰腺癌的作用[4],此外,對骨肉瘤源干細胞樣細胞的干性也具有較好的抑制效果[5],但異牡荊素在藥用植物中的含量較低,且存在基質(zhì)復雜等問題[6].目前,從中草藥提取液中分離純化異牡荊素多采用液液萃?。?],或液液萃取結合柱色譜的方法進行[8-9],大多數(shù)方法存在消耗有機溶劑多、操作復雜等問題 .
聚合物整體柱是將單體、引發(fā)劑、致孔劑等混合后裝入不銹鋼管(毛細管、聚醚醚酮管等)中,在一定條件下,經(jīng)熱(光)引發(fā)后,原位聚合得到的連續(xù)整體.聚合物整體柱負載能力強[10],而且聚合物的表面帶有豐富的有機基團,有利于對其進行功能化反應.利用聚合物整體柱富集純化目標化合物所用的有機溶劑消耗少,而且所用時間比較短[11],在樣品前處理步驟中起到消除大部分雜質(zhì)、純化目標化合物的重要作用[12].然而,傳統(tǒng)的聚合物整體柱也有一定的缺陷,例如孔隙率較低[13]及比表面積較?。?4]等,通過在聚合物整體柱中添加高比表面積的多孔材料可以有效彌補這些缺陷.
金屬有機骨架(MOFs)是一種新型的多孔晶體材料,由金屬陽離子(或陽離子簇)通過配位鍵與多功能有機配體配位連接而成[15].MOFs具有較高的比表面積[16]、多種開放的金屬位點[17]、較大的孔隙空間[18]和較好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點[19],這些特性使其在氣體儲備[20]、催化轉化反應[21]、氣體吸附[22]與分離[23]等領域有廣闊的應用前景.然而,MOFs材料存在機械強度低[24]、化學穩(wěn)定性差[25]、容易坍塌、難以與分散體系分離等缺點[26],使得MOFs材料在固相萃取方面的應用受到一定的局限[27].利用聚合物整體柱表面易修飾及MOFs比表面積大的優(yōu)點[28],將MOFs與聚合物整體柱進行有機結合,制備MOF/聚合物整體柱,可以擴大二者的應用范圍.
本實驗首先制備了MOF-801,利用MOF材料上帶有的—COOH基團,對其進行衍生化反應,使其表面帶有C=C終端.以衍生化的MOF-801和甲基丙烯酸月桂酯(LMA)為共聚單體,與交聯(lián)劑、引發(fā)劑和致孔劑混合均勻后,通過熱引發(fā)的方法制備了MOF-801/聚合物整體柱.通過FT-IR、SEM、氮吸附-脫附等溫線對制備的MOF-801材料和MOF-801/聚合物整體柱進行表征.并將MOF-801/聚合物整體柱作為SPE吸附劑,與高效液相色譜(HPLC)聯(lián)用,對中藥中的異牡荊素進行在線富集純化.
1" 實驗部分
1.1" 儀器與試劑
Thermo Unitmate 3000高效液相色譜儀(美國賽默飛世爾科技有限公司);TriStar Ⅱ 3020儀器(美國麥克儀器公司);KQ-500DE超聲波清洗器(昆山超聲波儀器有限公司);DZF-6020真空干燥箱(上海博訊實業(yè)有限公司);OZKW-4電子恒溫水浴鍋(北京中興偉業(yè)儀器有限公司);LC-RE-3000B旋轉蒸發(fā)儀(上海力辰邦西儀器科技有限公司);TG16G高速離心機(GAOCO高科儀器有限公司);BT 25S電子天平(德國賽多利斯公司);Cosmosil column C18-MS-Ⅱ分析柱(150 mm×4.6 mm i.d,5 μm).
α-甲基丙烯酸(MMA)、甲酸、偶氮二異丁腈(AIBN)、乙醇和正己醇(分析純,上海阿拉丁有限公司);γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)(分析純,天津科密歐化學試劑有限公司);甲基丙烯酸月桂酯(LMA)、八水合四氯化鋯(ZrCl4·8H2O)、富馬酸(C4H4O4)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)(分析純,上海麥克林生化科技股份有限公司);甲苯、丙酮(分析純,天津市大茂化學試劑廠);甲醇、乙腈(色譜純,上海星可高純?nèi)軇┯邢薰荆?;葒草(Persicaria orientalisc(L.) Spach)、雞眼草(Kummerowia striata (Thunb.) Schindl)和蔓荊子(Fructus Viticis)從同一家藥店(中國保定)購買.蔓荊子基源為馬鞭草科植物單葉蔓荊Vitex trifolia L var.simplicifolia Cham(Vitex.rotundifolia L)或三葉蔓荊V.trifolia Linn的干燥成熟果實.氯苯、菲、丙苯和硫脲(色譜純,北京化工廠);異牡荊素對照品(≥98%,上海源葉生物科技有限公司);超純水通過超純水凈化系統(tǒng)(中國四川成都)制備.所有溶液均通過0.45 μm膜過濾.
葒草、雞眼草、蔓荊子經(jīng)河北大學藥學院白立改副教授鑒定為葒草全草、雞眼草全草、蔓荊子果實.
1.2" MOF-801的制備及改性
參照文獻[29]的方法合成MOF材料MOF-801.首先將242 mg富馬酸(C4H4O4)和358 mg八水合四氯化鋯(ZrCl4· 8H2O)溶解在20 mL超純水中,超聲處理5 min使其充分分散,然后加入3.9 mL甲酸,攪拌均勻后,將混合溶液轉移至80 mL以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼反應釜中,在120 ℃烘箱中加熱24 h.待反應結束后,將反應釜冷卻至室溫取出,將混合物轉移至離心管中,以10 000 r/min離心5 min,收集產(chǎn)物,用水和乙醇分別洗滌3次,然后將固體在80 ℃烘箱中干燥12 h,得到產(chǎn)物MOF-801.
MOF-801改性過程如下:先將1 mmol的MOF-801和1 mmol的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)分散到35 mL甲苯中,在110 ℃下回流8 h,待反應完成后,經(jīng)抽濾,得到固體產(chǎn)物,用丙酮和甲醇清洗以除去未反應的KH-570,最后將得到的固體產(chǎn)物放入100 ℃真空干燥箱中,干燥12 h,即得衍生化的MOF-801.
1.3" MOF-801/聚合物整體柱的制備
在離心管中依次加入0.001 g功能化的MOF-801、125 μL LMA、0.008 g AIBN、450 μL EDMA和1 800 μL正己醇,將混合溶液放入超聲波清洗器中超聲振蕩1 h,使溶液混合均勻并脫氣,避免產(chǎn)生氣泡.然后緩慢倒入預先準備好的不銹鋼空柱管中(50 mm×4.6 mm i.d.),將柱管密封好,在60 ℃反應10 h.待聚合完成后,將整體柱與HPLC系統(tǒng)相連,以甲醇作為流動相對聚合物整體柱進行沖洗,除去沒有參與反應的致孔劑等可溶性成分,沖洗時間為1.5 h.
1.4" 異牡荊素對照品溶液的配制
配制質(zhì)量濃度為1.0 mg/mL的異牡荊素對照品溶液,具體過程如下:稱取1.0 mg的異牡荊素對照品,溶解于1 mL甲醇中,超聲至完全溶解,然后將配制好的溶液用0.45 μm濾膜過濾后,保存在4 ℃冰箱內(nèi).
1.5" 溶液的配制
將1 mg小分子化合物(氯苯、菲、丙苯和硫脲)分別溶解于5 mL的甲醇中,將配制好的溶液用0.45 μm的濾膜過濾后,儲存在4 ℃冰箱中備用.
1.6" 實際樣品提取與制備
將雞眼草、葒草、蔓荊子3種中藥材粉碎過3號篩,各稱取4 g,分別加入50 mL甲醇,在65 ℃下回流提取2 h.將上述3種藥材提取液過濾,用旋轉蒸發(fā)儀蒸干,加入3 mL甲醇復溶,經(jīng)0.45 μm的濾膜過濾,保存在4 ℃冰箱內(nèi),備用.
1.7" 在線SPE-HPLC分析
使用自制的MOF-801/聚合物整體柱作為SPE吸附劑,與HPLC連用,在線富集純化異牡荊素.具體流程如下:首先,將自制的MOF-801/聚合物整體柱與高效液相色譜系統(tǒng)相連,使用富集流動相平衡.在MOF-801/聚合物整體柱中注入異牡荊素對照品溶液或雞眼草等中藥材的提取液,對異牡荊素進行富集.當基線達到穩(wěn)定,不再有色譜峰出現(xiàn),表明不再有組分隨流動相流出,此時富集完成.然后將自制的MOF-801/聚合物整體柱與C18柱相連,用洗脫流動相將吸附在MOF-801/聚合物整體柱上的異牡荊素進行洗脫.對實際樣品的富集流動相為乙腈/水(體積比為5∶95),洗脫流動相為乙腈/水(體積比為20∶80),樣品進樣體積均為20 μL.
2" 結果與討論
2.1" MOF-801與改性后的MOF-801表征
制備得到的MOF-801呈白色粉末狀.圖1a為MOF-801的SEM圖,由圖1a可以看出合成的MOF-801微觀形貌為尺寸較為規(guī)則的多面體結構.圖1b是MOF-801的氮氣吸附-脫附等溫線,顯示出I型等溫線,在p/p0=0處都有抬升,說明材料具有典型的微孔結構,吸附曲線和脫附曲線幾乎完全重合,沒有形成回滯環(huán),說明材料幾乎沒有中孔及堆積孔.制備得到的MOF-801的比表面積為641.87 m2/g,與文獻[30]報道的類似,表明MOF-801成功合成.圖1c為合成后的MOF-801和改性后的MOF-801的紅外光譜,1 654、1 405 cm-1處的吸收峰是有機配體羧基中的C=O和C-O的伸縮振動峰.圖1c中改性后光譜曲線在1 010 cm-1處出現(xiàn)1個新的吸收峰,這說明MOF-801上的—COOH 與KH-570上—Si(OCH3)3已成功反應,該吸收峰是KH-570上Si—O—C鍵伸縮振動引起的.另外,相比于改性前,改性后的光譜曲線在2 966、 2 923 cm-1處可以觀察到KH-570亞基和亞甲基的伸縮振動.以上結果表明,MOF-801衍生化成功,末端含有C=C雙鍵.
2.2" MOF-801/聚合物整體柱的表征
整體柱的孔徑影響著其吸附性能,是考察的重要性質(zhì)之一.通過電鏡圖可以觀察到整體柱內(nèi)部的微觀形貌,由圖2a可以看出,整體柱具有多孔結構.用氮氣吸附-脫附等溫線法對整體柱進行表征,圖2b為MOF-801/聚合物整體柱的氮氣吸附-脫附等溫線,Ⅳ型等溫線表明整體柱存在介孔結構.MOF-801/聚合物整體柱與不添加MOF-801的聚合物整體柱的比表面積分別為117.21 m2/g和99.56 m2/g,這表明在整體柱中加入MOF-801,可以增加整體柱的比表面積.圖2c為MOF-801/聚合物整體柱的孔徑分布.
2.3" 整體柱的保留特性
為了驗證制備整體柱的保留特性,研究了3種疏水性物質(zhì)(氯苯、菲、丙苯)在MOF-801/聚合物整體柱上的保留時間與甲醇含量的關系.保留因子的計算公式如下:k=(tR-t0)/t0,其中:k為保留因子;tR為芳香族化合物的保留時間;t0為硫脲的保留時間.從圖3可以看出,3種疏水性物質(zhì)的k值隨甲醇含量的增加而減小,這表明自制的MOF-801/聚合物整體柱具有疏水性保留特性.
2.4" 在線SPE條件的優(yōu)化
2.4.1" 流動相組成對富集洗脫結果的影響
保持富集及洗脫溫度(30 ℃)、流動相流速(1.0 mL/min)及pH(均為7)不變的情況下,通過改變富集流動相比例發(fā)現(xiàn),當乙腈體積分數(shù)高于8%時,異牡荊素會隨富集流動相流失,MOF-801/聚合物整體柱達不到對其富集的效果.因此,乙腈體積分數(shù)高于8%的情況不予考慮,考察了乙腈體積分數(shù)為0~8%時,異牡荊素回收率的變化情況.由圖4a、圖4b可以看出,當富集流動相中乙腈體積分數(shù)為2%,洗脫流動相中乙腈體積分數(shù)為20%時,異牡荊素的回收率最高.因此,分別選擇乙腈/水(體積比為2∶98)和乙腈/水(體積比為20∶80)為富集流動相和洗脫流動相.
2.4.2" 柱溫對富集和洗脫效果的影響
溫度會在一定程度上影響流動相的黏度、溶質(zhì)溶解度和擴散系數(shù).因此,保持富集流動相為乙腈/水(體積比為2∶98,pH=7)、洗脫流動相為乙腈/水(體積比為20∶80,pH=7)及流速1.0 mL/min不變的前提下,本實驗考察了溫度對富集和洗脫的影響.從圖4c中可以看出,隨著富集過程中溫度條件的變化,異牡荊素的回收率先增高后降低,在溫度為30 ℃時回收率最高.由圖4d可以看出,當洗脫流動相溫度為30 ℃時,異牡荊素的回收率最高,因此富集和洗脫過程的最佳溫度均選擇30 ℃.
2.4.3" 流速對富集和洗脫結果的影響
流速對目標物在整體柱上富集洗脫有一定的影響,流速過慢或過快都可能會導致目標物富集不充分,部分異牡荊素流失,回收率降低.因此,保持富集流動相為乙腈/水(體積比為2∶98,pH=7)、洗脫流動相為乙腈/水(體積比為20∶80,pH=7)及柱溫30 ℃不變的前提下,考察流速對富集和洗脫的影響.從圖4e可以看出,當富集流動相的流速為1.0 mL/min時,異牡荊素回收率最高.由圖4f可以看出,洗脫流速為0.4 mL/min時回收率最大,但是流速過低,會導致在洗脫過程中出現(xiàn)保留時間過長,色譜峰展寬,洗脫時間過長等問題,浪費溶劑和時間.而用1.0 mL/min流速洗脫時,異牡荊素的回收率降低不太明顯.因此選用1.0 mL/min作為洗脫異牡荊素的最佳流速.
2.4.4" pH對富集和洗脫結果的影響
保持富集流動相為乙腈/水(體積比為2∶98)、洗脫流動相為乙腈/水(體積比為20∶80)、流速1.0 mL/min及柱溫30 ℃不變的情況下,考察pH對異牡荊素富集洗脫的影響.由圖4g可以看出,當富集流動相的pH為7時,異牡荊素的回收率最高.由圖4h可以看出,當洗脫流動相的pH為2.5~7時,異牡荊素的回收率相差不大,但是在pH為7時,異牡荊素的回收率略高.因此,富集和洗脫過程的最優(yōu)pH均選擇7.
2.5" 整體柱的背壓和吸附能力的考察
背壓和機械強度也是影響聚合物整體柱對目標物的富集洗脫性能的重要因素,能夠直接影響在線SPE程序.本實驗考察了流動相中乙腈含量和流動相的流速對聚合物整體柱背壓的影響.由圖5A可以看出,2種整體柱的變化趨勢一致,但是添加了MOF-801的聚合物整體柱的背壓更低.由圖5B可以看出,流速在0~6 mL/min內(nèi),隨著流速的升高,2種聚合物整體柱的背壓也隨之升高,并且2種整體柱在高流速下并沒有被沖出,也沒有發(fā)生塌陷的情況,證明所制備的2種聚合物整體柱均具有良好的機械穩(wěn)定性.這些結果說明,MOF-801材料的加入降低了整體柱的背壓.
為了考察MOF-801/聚合物整體柱對異牡荊素的吸附能力,在富集流動相為乙腈/水(體積比為2∶98)時,注入不同體積的異牡荊素對照品溶液(10 mg/mL),用整體柱對其進行富集.將整體柱與C18柱相連,用洗脫流動相乙腈/水(體積比為20∶80)對吸附在整體柱上的異牡荊素進行洗脫.結果如圖6所示,吸附量按照公式A=(V×ω×c)/m計算,V為進樣體積;ω為異牡荊素質(zhì)量分數(shù);c為異牡荊素對照品濃度;m為整體柱質(zhì)量.經(jīng)計算,MOF-801/聚合物整體柱對異牡荊素的最大吸附量為20.97 mg/g,高于不添加MOF-801的聚合物整體柱(最大吸附量為12.43 mg/g).這些結果表明,MOF材料的加入,可以提高整體柱對異牡荊素的吸附能力.
富集因子(EF),是利用MOF-801/聚合物整體材料,經(jīng)過SPE富集洗脫后,洗脫液中異牡荊素濃度與原始樣品中含有的異牡荊素濃度之比,利用公式EF=cSPE/c0進行計算.其中,EF為富集因子;cSPE為洗脫液中異牡荊素濃度;c0為異牡荊素初始濃度.經(jīng)計算,MOF-801/聚合物整體材料對異牡荊素的EF為19.78.表明該整體柱對異牡荊素具有較好的富集能力.
2.6" MOF-801/聚合物整體柱對實際樣品的分析
為了評價方法的可行性和實用性,用所制備的MOF-801/聚合物整體柱對雞眼草、葒草和蔓荊子3種藥材中的異牡荊素進行在線富集純化.由于實際樣品具有復雜性,含有較多除目標物以外的其他雜質(zhì),所以對富集條件進行了再次優(yōu)化.綜合考慮富集和去除雜質(zhì)的效果,選擇乙腈/水(體積比為5∶95)作為富集流動相,用于實際樣品中異牡荊素的富集純化.3種藥材純化前與純化后對比如圖7所示.由圖7可知,該整體柱具有較好的除雜效果.計算結果表明,經(jīng)在線SPE-HPLC處理后,實際樣品中異牡荊素在洗脫組分中的質(zhì)量分數(shù)為9.1%,遠高于其在原藥材雞眼草中的0.07%.
所用富集流動相均為乙腈/水(體積比為5∶95),洗脫流動相均為乙腈/水(體積比為20∶80).
2.7" 方法學驗證
2.7.1" 線性、LOD和LOQ
通過注入一系列不同濃度的異牡荊素對照品溶液評估所建立方法的線性關系.結果表明,在0.2~500 μg/mL的質(zhì)量濃度范圍內(nèi),異牡荊素峰面積(y)和濃度(x)具有良好的線性關系.回歸方程為y=0.537 05x-1.320 86,相關系數(shù)r=0.999 5.LOD (S/N=3)為0.07 μg/mL,LOQ (S/N=10)為0.2 μg/mL.
2.7.2" 精密度和準確度
在最佳實驗條件下,1天內(nèi)重復進樣6次,異牡荊素對照品的峰面積RSD值為0.71%(n=6,進樣精密度); 6天進樣6次,異牡荊素峰面積的RSD值為2.23%(n=6,日間精密度).
用加標回收率來驗證所建立方法的準確度.在雞眼草等3種植物的提取液中添加原有量的50%、100%和150%的異牡荊素對照品溶液,得到3個加標樣品溶液.結果如表1所示,3種藥材中異牡荊素的平均加標回收率為95%~105%.
2.8" 重復性
保持藥材的提取條件不變,平行制備6份葒草樣品.用本實驗建立的方法在相同實驗條件下進行富集洗脫,測定異牡荊素的峰面積.異牡荊素峰面積的RSD值為1.4%.
3" 結論
本實驗合成了MOF材料MOF-801,并成功對其進行衍生化反應,使其帶有C=C,將衍生化MOF-801與LMA作為共聚單體制備了MOF-801/聚合物整體柱,將MOF-801/聚合物整體柱作為SPE吸附劑,在線富集純化異牡荊素.MOF-801由于具有高度有序的孔隙結構和大的比表面積,可以高效吸附物質(zhì),而聚合物整體柱具有傳質(zhì)速率快、柱壓低及制備過程簡單等優(yōu)點.將兩者結合制備的MOF-801/聚合物整體柱與異牡荊素之間具有的疏水作用力和氫鍵等有利于異牡荊素的吸附,而且該固相萃取過程與高效液相色譜儀聯(lián)用,進行在線固相萃取,簡化了操作步驟,減少了人工操作帶來的誤差.實驗結果表明,MOF-801材料的加入對增加整體柱的比表面積、提高整體柱對異牡荊素的吸附量等方面產(chǎn)生了積極影響,還降低了整體柱的背壓.本實驗建立的在線SPE-HPLC方法具有準確度高、檢測限低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,并且MOF-801/聚合物整體柱可重復使用.在雞眼草等實際樣品中的應用也可以證明該方法能夠有效去除雜質(zhì),能夠達到對目標化合物異牡荊素富集純化的效果,節(jié)約成本和時間.
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(責任編輯:梁俊紅)