新進展！共價有機框架材料在毛細管電色譜中的應用

　　毛細管電色譜(CEC)因兼具高效液相色譜(HPLC)的高選擇性和毛細管電泳(CE)的高分離效率而受到越來越多研究者的關注。在毛細管電色譜中,選擇合適的固定相材料對獲得優異的分離效果起著十分重要的作用。近年來,多種新型材料如氧化石墨烯、蛋白質、金屬有機框架(MOFs)及共價有機框架(COFs)等被作為固定相應用于毛細管電色譜領域以期獲得更好的分離性能,同時拓展毛細管電色譜的應用范圍。其中,COFs因具有孔隙率高、比表面積大、高穩定性、孔徑可調和可設計性強等獨特性質,在毛細管電色譜領域顯示出了巨大的應用前景。鑒于此,本文對2016-2023年間COFs在毛細管電色譜領域的研究進展進行了綜述,包括COFs毛細管電色譜柱的分類和制備方法,以及基于COFs固定相的毛細管電色譜技術在環境內分泌干擾物、農藥、芳香族化合物、氨基酸及藥物分離領域中的應用及分離機理等內容。最后對發展基于COFs固定相的毛細管電色譜應努力解決的問題和該技術未來的發展方向進行了分析和展望。

1、COFs毛細管電色譜柱的制備

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

　1.1 開管毛細管電色譜柱的制備

　　1.1.1 后修飾制備法

　　1.1.2 原位制備法

　1.2 整體毛細管電色譜柱的制備

2、COFs毛細管電色譜的應用

　2.1 環境內分泌干擾物

　　環境內分泌干擾物(EEDs)是一類可以通過影響天然激素的產生、分泌、分布、代謝、排泄和結合從而干擾人類及動物內分泌系統,并因此引起生殖、內分泌、免疫和神經發育發生病變的外源性化學物質。目前越來越多的物質被發現具有內分泌干擾性質且廣泛用于人們的日常生活,如鄰苯二甲酸酯、硝基苯酚、雙酚A及對羥基苯甲酸酯等。

　2.2 農藥

　　作為現代農業的一種重要生產資料,農藥被廣泛用于防治病蟲害和提高作物產量,在保障全球糧食安全方面發揮著越來越重要的作用。然而,農藥的大量使用也導致了農藥殘留等一系列問題,對人類、動物、水和土壤等產生了各種不可避免的負面影響。因此,在食品安全和環境監測等領域,開發更為高效、靈敏和準確的農藥檢測技術至關重要。

　2.3 芳香族化合物

　　芳香族化合物是指分子中含有苯環結構的有機化合物,廣泛存在于染料、醫藥、農藥、石化、塑料基橡膠等領域的廢水中。按照所含官能團及結構特征,芳香族化合物分為多氯聯苯、氯化苯酚、苯系物(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、多環芳烴、單芳烴和取代芳烴(硝基苯、鹵代苯等)等。由于芳香化合物已經成為土壤及水資源中普遍存在的污染物之一,因此發展新型檢測技術或方法對其進行分離檢測具有重要意義。

　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、多肽和神經遞質的合成等,對健康起著至關重要的作用。目前,氨基酸分離分析已成為醫學、制藥及農業等領域不可或缺的一部分。

　　2.4.1 氨基酸非對映體

　　2.4.2 氨基酸對映體

　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等問題,人們越來越關注藥物對人體健康及環境潛在的不利影響。基于此,藥物分離分析已成為制藥工業、生物醫學、生物化學及環境保護等不同領域的重要課題。目前使用的藥物分離分析技術中,高效液相色譜、氣相色譜及其與質譜聯用技術應用最為廣泛。除了上述技術外,毛細管電色譜技術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。目前,COFs毛細管電色譜在藥物分離領域的應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

　　2.5.2 手性藥物

3、分離機理

　　雖然COFs毛細管電色譜仍處于起步階段,但其已經在眾多領域表現出了良好的分離能力,具有巨大的應用前景。為了促進COFs在毛細管電色譜領域的應用及更好地設計制備具有高效分離能力的COFs及基于COFs固定相的毛細管電色譜柱,科研工作者通過實驗設計及計算模擬等手段對基于COFs固定相的毛細管電色譜分離機理進行了研究。目前,普遍認為基于COFs固定相的毛細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。由于有機分子構建基元和側鏈的尺寸不同,形成的COFs將具有不同的孔徑及拓撲結構,在作為固定相進行分離時只允許小于其孔徑的目標分析物通過。與之對應,尺寸較大的目標分析物則難以通過COFs孔,只能從COFs固定相材料表面或空隙中通過。(2)目標分析物與COFs框架或側鏈之間的相互作用,如疏水相互作用、氫鍵相互作用、π-π相互作用等。由于COFs往往含有烷烴側鏈、芳香結構、氧和/或氮等電負性較大的原子,因此可能與目標分析物之間發生多種相互作用。

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