功能化金属有机骨架材料构建的高性能毛细管电色谱及其应用

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目的:(1)纳米多级孔MOFs(NHP-MOFs)相较于微孔MOFs具有传质阻力小、有效作用位点多等优异特性,将NHP-MOFs引入CEC研制出传质性能优异、有效作用位点丰富的新型CEC固定相,并用于多种分析物的高效CEC分离,探索MOFs孔隙结构对分离性能的影响,拓展MOFs在CEC固定相领域的应用潜力;(2)MOFs在电色谱分离领域中得到了越来越广泛的应用。然而,以往有关MOFs固定相的研究主要集中在单一种类MOFs固定相的制备及其色谱性能的考察,且制备方法普遍较为复杂、耗时,阻碍了MOFs在分离科学中的广泛应用。因此,有必要探索开发MOFs固定相制备新方法,为新型功能化MOFs电色谱固定相的设计和制备提供新的思路;(3)酶分析对于疾病诊断以及新药开发等具有重要意义。基于固定化酶微反应器(IMER)的毛细管电泳(CE)在线酶分析通常存在酶负载量较小,催化活性较低、以及酶可重复利用性较差等问题。拟利用分离性能优异且酶负载能力强的新型功能化金属有机骨架(MOFs)材料构建IMER-CEC酶分析新方法。方法:(1)以经典的微孔Ui O-66为基础,采用调制剂诱导策略合成NHP-Ui O-66晶体。利用硅酸钠的黏附作用分别将两种MOFs黏附于毛细管内壁,并于N2条件下高温固化。通过透射(TEM)和扫描电镜(SEM)表征MOFs晶体形貌;X射线衍射(XRD)表征MOFs晶体结构;氮气吸附-脱附分析技术对NHP-Ui O-66晶体的比表面积、孔径分布等性质进行表征。通过对靛红和考马斯亮蓝G250的吸附动力学实验,考察Ui O-66和NHP-Ui O-66的吸附传质能力。以中性化合物(如氯苯、取代苯和多环芳烃)、带电化合物(如核苷)、中等分子量化合物(如多肽)和高分子量分析物(如碱性蛋白质)的分离性能来评价NHP-Ui O-66修饰OT-CEC柱的色谱性能。通过考察样品进样浓度对分离效能的影响,评估所制备涂层柱的柱容量。利用烷基苯类化合物的重复分离评价NHP-Ui O-66改性OT-CEC柱的稳定性及重复性。(2)由于MOFs异相成核能力差,其涂层制备方法往往较为繁杂、费时。半胱氨酸(Cys)能有效诱导加速MOFs晶体成核,因此可基于Cys的诱导作用探索开发一种高效、通用的MOFs涂层固定相制备策略,即固定化Cys诱导原位生长(ICISG)。通过戊二醛、APTES将Cys键合于毛细管内壁,并利用EDS表征其在毛细管内壁的分布。以4种不同金属离子组成的MOFs(ZIF-8、Ui O-66、HKUST-1、MIL-100(Fe))为例,在Cys改性毛细管内壁通过原位生长制备不同种类的MOFs涂层毛细管柱。利用SEM与AFM表征、对比不同氨基酸诱导的ZIF-8涂层的形貌与均匀度。通过XRD、SEM、EDS等测试表征4种高结晶质量MOFs涂层柱的晶体结构、表面形貌以及分布。以中性(氯苯、取代苯、卤代苯类化合物)、酸性(苯二酚类同分异构体)和碱性化合物(苯二胺类同分异构体)为分离对象,评价所制备四种MOFs涂层柱的色谱性能。基于对比分析结果对影响MOFs色谱固定相性能的因素进行初步阐释。通过考察样品进样浓度对分离效能的影响,评估对比4种所制备涂层柱的柱容量。利用烷基苯类化合物的重复分离,评价该方法制备的4种MOFs改性OT-CEC柱的稳定性及重复性。(3)采用ICISG策略制备晶体致密生长的Ui O-66-NH2涂层毛细管柱,并于毛细管端口固定乙酰胆碱酯酶(ACh E)构建新型MOFs-IMERs-CEC酶分析方法。通过XRD表征MOFs涂层的晶体结构,SEM表征毛细管内壁的表面形貌;利用ATR-FT-IR、EDS以及XPS对涂层表面化学成分进行表征。以中性、酸性以及碱性化合物的CEC分离,评价Ui O-66-NH2改性毛细管的分离性能。分别测定并对比戊二醛(GA)与Ui O-66-NH2改性硅胶对ACh E的固定量,以评价Ui O-66-NH2涂层的实际酶负载能力。以硫代乙酰胆碱酯(ATCh)为底物考察所制备Ui O-66-NH2-IMER的米氏常数(Km)、酶抑制动力学、稳定性和重复性,并与传统共价键合法所得CE-IMERs的性能进行对比分析。此外,利用所构建Ui O-66-NH2-IMER-CEC分析方法检测豆科蔬菜样品中的有机磷农药,证明其在实际样品分析中的应用潜力。结果:(1)合成的Ui O-66和NHP-Ui O-66的XRD图谱与模拟衍射信号相一致,表明成功制备了Ui O-66和NHP-Ui O-66晶体。SEM与TEM表征结果表明所制备Ui O-66和NHP-Ui O-66分别为粒径约100 nm和50 nm的纳米级晶体。通过氮气吸附-脱附确证了NHP-Ui O-66的多级孔分布(0.6-20 nm)以及高比表面积(881.7 m~2·g-1)。染料吸附实验中NHP-Ui O-66纳米晶体对靛红和G250的吸附速率和吸附容量均高于Ui O-66晶体,表明所制备的NHP-Ui O-66纳米晶体非常适于客体分子的快速扩散,具有良好的传质性能。毛细管柱的SEM表征表明两种MOFs涂层毛细管内壁固定有大量的纳米级晶体,表明两种MOFs涂层柱的成功制备。在相同的CEC条件下,相比于未改性柱和微孔Ui O-66改性柱,NHP-Ui O-66涂层柱对6类分析物的分离度、分离效率及柱容量均得到了显著提升。此外,在连续运行120次后,取代苯的保留时间和NHP-Ui O-66涂层柱的分离性能均无明显变化。因此,所制备的NHP-Ui O-66涂层柱具有良好的重复性和稳定性。(2)Cys修饰毛细管的EDS表征发现C、N、O、S元素均匀分布在Cys改性毛细管内壁上,说明Cys被均匀接枝在毛细管内壁上。SEM与AFM表征表明Cys与Ala都能诱导Zi F-8的原位生长,但Cys诱导的MOFs涂层更为均匀致密。其余MOFs涂层的SEM图也显示出对应的晶体形貌,并进一步通过XRD确证了4种MOFs涂层的晶体结构。在相同电色谱条件下,Cys诱导生长的ZIF-8涂层柱对分析物的分离性能优于Ala诱导对照柱,与SEM的表征结果相一致。通过优化色谱条件,ICISG策略制备的四种MOFs涂层毛细管柱均实现了不同种类分析物的高效基线分离。与其他方法制备的MOFs改性柱相比,ICISG策略得到的MOFs改性柱分离性能提升显著。同时四种MOFs改性柱的分离效率、柱容量等色谱性能也存在较大差异,尤其是具有更大孔隙尺寸的MIL-100(Fe)改性柱具有最佳的分离效率和柱容量。连续运行200次后,四种MOFs改性毛细管柱仍能保持良好的分离性能,且迁移时间和柱效没有明显变化。(3)SEM表征发现Ui O-66-NH2原位生长毛细管内壁固定了较为致密的纳米晶体涂层,在固定ACh E后形貌未发生明显变化。通过XRD以及ATR-FT-IR进一步确证了Ui O-66-NH2的形成以及ACh E在Ui O-NH2-66上的成功固定,并且ACh E的固定对Ui O-66-NH2的晶体结构无明显影响。通过优化色谱条件,不同类型的模型分析物在Ui O-66-NH2涂层柱上均实现了高效基线分离。与未涂层毛细管柱相比,相同CE条件下Ui O-66-NH2涂层柱对3类分析物的分离度和分离效率均得到了显著提升。Ui O-66-NH2改性硅胶对ACh E的负载量远高于戊二醛改性硅胶。通过非线性回归拟合测得所制备Ui O-66-NH2-IMER的Km为0.77±0.06 m M,低于游离酶测得的Km值(1.25±0.06 m M)。酶抑制动力学研究表明,他克林对Ui O-66-NH2-IMER的半数抑制浓度(IC50)值为0.28μM,与前期相关研究报道的0.25μM值接近。在连续运行40次后,Ui O-66-NH2-IMER的酶活性保持在93.5%,显示出其良好的长期稳定性。通过加标实验发现马拉硫磷在0.1~3.0μg/m L浓度范围内呈良好的线性关系(R~2=0.990),检出限(LOD)为40 ng/m L。三种豆类蔬菜样品中马拉硫磷的加标回收率为96.4%~104.5%,相对标准偏差(RSD,n=5)为2.3%~4.1%。结论:(1)成功合成了NHP-MOFs并制备出相应的改性毛细管色谱柱。NHP-Ui O-66能有效结合微孔Ui O-66比表面积高以及纳米多级孔材料传质阻力小、有效作用位点丰富等优势,其作为固定相在CEC中展现出优越的分离性能。NHP-MOFs固定相材料不仅有望在CEC分离领域获得广泛应用,也有助于其他类型色谱固定相的发展。(2)开发了一种高效、通用的MOFs涂层固定相制备策略(ICISG),可高效制备多种类型MOFs涂层毛细管固定相用于高效电色谱分离。通过不同种类和孔隙结构的四种MOFs涂层柱分离性能的对比分析,揭示出MOFs涂层固定相的制备方法、结晶质量、多孔性质和骨架结构等对其色谱分离性能和柱容量具有显著影响。ICISG策略为新型功能化MOFs色谱固定相的设计和制备提供了新的思路,也为MOFs-IMER的构建提供了技术基础。(3)成功构建了具有良好酶固定化和电色谱分离性能的Ui O-66-NH2-IMERs-CEC酶分析系统,用于高效在线酶分析。该系统有效地结合了MOFs作为电色谱固定相和酶固定化载体材料的优势,在显著提升CE分离分析能力的同时,能有效提升IMERs-CE酶分析技术的酶负载量、催化效率、稳定性以及重复性,对实际样品中有机磷农药的检测也具有良好的准确性和实用性。因此,本研究不仅发展了具有优异分离和酶催化性能的新型CEC集成式IMER,而且在生物分析和生物传感等领域具有巨大的应用潜力。
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