新进展！共价有机框架材料在毛细管电色谱中的应用

　　毛细管电色谱(CEC)因兼具高效液相色谱(HPLC)的高选择性和毛细管电泳(CE)的高分离效率而受到越来越多研究者的关注。在毛细管电色谱中,选择合适的固定相材料对获得优异的分离效果起着十分重要的作用。近年来,多种新型材料如氧化石墨烯、蛋白质、金属有机框架(MOFs)及共价有机框架(COFs)等被作为固定相应用于毛细管电色谱领域以期获得更好的分离性能,同时拓展毛细管电色谱的应用范围。其中,COFs因具有孔隙率高、比表面积大、高稳定性、孔径可调和可设计性强等独特性质,在毛细管电色谱领域显示出了巨大的应用前景。鉴于此,本文对2016-2023年间COFs在毛细管电色谱领域的研究进展进行了综述,包括COFs毛细管电色谱柱的分类和制备方法,以及基于COFs固定相的毛细管电色谱技术在环境内分泌干扰物、农药、芳香族化合物、氨基酸及药物分离领域中的应用及分离机理等内容。最后对发展基于COFs固定相的毛细管电色谱应努力解决的问题和该技术未来的发展方向进行了分析和展望。

1、COFs毛细管电色谱柱的制备

　　COFs毛细管电色谱柱的制备是COFs作为固定相用于毛细管电色谱分离的基础。目前,COFs毛细管电色谱柱分为开管毛细管柱及整体毛细管柱,其制备方法主要分为后修饰法及原位合成法。

　1.1 开管毛细管电色谱柱的制备

　　1.1.1 后修饰制备法

　　1.1.2 原位制备法

　1.2 整体毛细管电色谱柱的制备

2、COFs毛细管电色谱的应用

　2.1 环境内分泌干扰物

　　环境内分泌干扰物(EEDs)是一类可以通过影响天然激素的产生、分泌、分布、代谢、排泄和结合从而干扰人类及动物内分泌系统,并因此引起生殖、内分泌、免疫和神经发育发生病变的外源性化学物质。目前越来越多的物质被发现具有内分泌干扰性质且广泛用于人们的日常生活,如邻苯二甲酸酯、硝基苯酚、双酚A及对羟基苯甲酸酯等。

　2.2 农药

　　作为现代农业的一种重要生产资料,农药被广泛用于防治病虫害和提高作物产量,在保障全球粮食安全方面发挥着越来越重要的作用。然而,农药的大量使用也导致了农药残留等一系列问题,对人类、动物、水和土壤等产生了各种不可避免的负面影响。因此,在食品安全和环境监测等领域,开发更为高效、灵敏和准确的农药检测技术至关重要。

　2.3 芳香族化合物

　　芳香族化合物是指分子中含有苯环结构的有机化合物,广泛存在于染料、医药、农药、石化、塑料基橡胶等领域的废水中。按照所含官能团及结构特征,芳香族化合物分为多氯联苯、氯化苯酚、苯系物(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、多环芳烃、单芳烃和取代芳烃(硝基苯、卤代苯等)等。由于芳香化合物已经成为土壤及水资源中普遍存在的污染物之一,因此发展新型检测技术或方法对其进行分离检测具有重要意义。

　2.4 氨基酸

　　氨基酸是人体必不可少的重要组成部分,参与诸多生物过程如蛋白质、多肽和神经递质的合成等,对健康起着至关重要的作用。目前,氨基酸分离分析已成为医学、制药及农业等领域不可或缺的一部分。

　　2.4.1 氨基酸非对映体

　　2.4.2 氨基酸对映体

　2.5 药物

　　在过去的几十年里,由于药物滥用及药物不良反应等问题,人们越来越关注药物对人体健康及环境潜在的不利影响。基于此,药物分离分析已成为制药工业、生物医学、生物化学及环境保护等不同领域的重要课题。目前使用的药物分离分析技术中,高效液相色谱、气相色谱及其与质谱联用技术应用最为广泛。除了上述技术外,毛细管电色谱技术在药物分离尤其是手性药物对映体分离方面同样做出了重要贡献。目前,COFs毛细管电色谱在药物分离领域的应用主要分为非手性药物分离和手性药物对映体分离两个方面。

　　2.5.1 非手性药物

　　2.5.2 手性药物

3、分离机理

　　虽然COFs毛细管电色谱仍处于起步阶段,但其已经在众多领域表现出了良好的分离能力,具有巨大的应用前景。为了促进COFs在毛细管电色谱领域的应用及更好地设计制备具有高效分离能力的COFs及基于COFs固定相的毛细管电色谱柱,科研工作者通过实验设计及计算模拟等手段对基于COFs固定相的毛细管电色谱分离机理进行了研究。目前,普遍认为基于COFs固定相的毛细管电色谱的良好分离能力主要得益于以下两个方面:(1)COFs孔的尺寸排阻作用。由于有机分子构建基元和侧链的尺寸不同,形成的COFs将具有不同的孔径及拓扑结构,在作为固定相进行分离时只允许小于其孔径的目标分析物通过。与之对应,尺寸较大的目标分析物则难以通过COFs孔,只能从COFs固定相材料表面或空隙中通过。(2)目标分析物与COFs框架或侧链之间的相互作用,如疏水相互作用、氢键相互作用、π-π相互作用等。由于COFs往往含有烷烃侧链、芳香结构、氧和/或氮等电负性较大的原子,因此可能与目标分析物之间发生多种相互作用。

　　综上所述,COFs已在毛细管电色谱中得到了一定的应用并展现出了良好的应用前景。但是,COFs在毛细管电色谱领域的应用尚处于起始阶段,仍存在许多亟待深入研究和解决的问题。首先,大多数COFs的合成条件较为苛刻(高温、密封、反应时间冗长等),不适用于原位合成,只能通过后修饰的方式制备COFs毛细管柱,限制了它们在毛细管电色谱中的应用。此外,基于COFs固定相的毛细管电色谱分离机理研究仍不够深入,难以确定分子尺寸选择作用及COFs与目标分析物之间的相互作用的贡献大小,无法通过COFs的结构及孔径尺寸来判断其对目标分析物的分离能力,限制了开发分离效率高、分离能力强的毛细管电色谱方法。鉴于此,我们认为今后应围绕以下几方面开展基于COFs固定相的毛细管电色谱研究:(1)针对在复杂体系中分离测定目标组分的要求,利用化学信息学方法设计构造有可能用于毛细管电色谱的COFs,减少合成COFs的盲目性,提高制备COFs毛细管电色谱柱的效率；(2)开发条件更为温和的COFs制备方法,以满足简便快速制备性能更加优异的COFs毛细管柱的要求；(3)深入开展基于COFs固定相的毛细管电色谱分离机理的研究,为建立适用于复杂样品分离分析的毛细管电色谱方法提供理论指导。