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        杯芳烴在液相色譜固定相領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展

        2020-03-18 06:16:04張光瑞張文芬張素寧張書勝
        色譜 2020年4期
        關(guān)鍵詞:溶質(zhì)空腔氫鍵

        張光瑞, 張文芬, 郭 云, 張素寧, 張書勝,2

        (1.鄭州大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學(xué)現(xiàn)代分析與基因測序中心, 河南 鄭州 450001)

        杯芳烴(calixarene)因其結(jié)構(gòu)和古希臘圣杯相似而得名,是由多個苯酚單元通過亞甲基橋連形成的大環(huán)低聚物,對中性或者離子型化合物具有優(yōu)異的識別能力,是繼冠醚和環(huán)糊精之后第三代超分子化合物的主要代表[1],在純化、色譜分離、催化、相轉(zhuǎn)移、離子通道等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[2]。杯芳烴從結(jié)構(gòu)上可以分為上緣、下緣和圓錐形的空腔,與冠醚和環(huán)糊精相比具有其獨特的識別特性,如其上緣是疏水端,能夠與溶質(zhì)分子之間形成具有富π電子的疏水空腔,與中性分子可產(chǎn)生包結(jié)作用,下緣是親水羥基,可以通過氫鍵或者靜電作用與溶質(zhì)分子相互識別。

        此外,杯芳烴具有修飾位點多、易于功能化修飾等特點,通過改變杯芳烴空腔的大小或在杯芳烴上下緣引入不同的功能基團(tuán),制備出具有不同識別性能的衍生化杯芳烴[3]。另外通過改變反應(yīng)條件,采用氮、氧、硫、磷等雜原子取代杯芳烴中的橋連亞甲基,或者將芳雜環(huán)取代杯芳烴中的苯酚基,成功地制備出了多種杯雜芳烴[4-6]。與傳統(tǒng)的杯芳烴相比,這些新型的杯芳烴因為雜原子的引入表現(xiàn)出更好的分子識別性能和優(yōu)異的選擇能力[7]。基于杯芳烴的特異性選擇和識別性能,杯芳烴、杯雜芳烴在液相色譜、氣相色譜[8-10]、毛細(xì)管電色譜[11,12]等方面也得到了廣泛的應(yīng)用。

        本文總結(jié)了近十年來杯芳烴及其衍生物作為液相色譜固定相的研究進(jìn)展以及未來的發(fā)展趨勢。

        1 杯芳烴固定相

        杯芳烴具有疏水的圓錐形空腔,與溶質(zhì)分子之間可以產(chǎn)生疏水作用和包結(jié)作用,可特異性地識別和保留非極性和弱極性物質(zhì)。因此,杯芳烴首先在反相液相色譜領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究。早期國內(nèi)武漢大學(xué)馮鈺锜教授課題組在杯芳烴固定相的制備和應(yīng)用方面做出了突出貢獻(xiàn)。例如,Xiao等[13]以γ-(乙二胺)-丙基三乙氧基硅烷為偶聯(lián)劑,將對叔丁基杯[4]芳烴引入硅膠表面,制備出對叔丁基杯[4]芳烴固定相,選取多環(huán)芳烴、核苷和堿基(嘌呤和嘧啶)為探針,考察了所制備固定相的色譜分離性能。結(jié)果表明,所制備的色譜固定相與溶質(zhì)分子之間存在靜電作用、π-π作用和氫鍵作用等多重相互作用力。在此基礎(chǔ)上,他們通過擴(kuò)大空腔結(jié)構(gòu),將具有更大空腔結(jié)構(gòu)的對叔丁基杯[8]芳烴引入色譜固定相,選取芳香羧酸[14]、核苷和堿基[15]、甾體激素類藥物[16]為探針考察了其色譜性能,結(jié)果表明,所制備的固定相除具有疏水作用外,還具有氫鍵、包結(jié)等相互作用力。

        在上述研究基礎(chǔ)上,Ding等[17]合成了杯[4,6,8]芳烴和對叔丁基杯[4,6,8]芳烴,采用γ-縮水甘油醚氧丙基為偶聯(lián)劑,將所制備的杯芳烴成功鍵合到硅膠表面,制備了6種杯芳烴色譜柱,選取多環(huán)芳烴、二取代苯位置異構(gòu)體、萘酚異構(gòu)體和對乙酰苯丙烯酸乙酯順反異構(gòu)為探針,比較了6種杯芳烴固定相的色譜分離能力。研究發(fā)現(xiàn),空腔的大小可以調(diào)節(jié)主客體分子之間的包結(jié)作用,從而影響主體杯芳烴對分析物的保留能力,如當(dāng)分析物尺寸和空腔尺寸匹配時,對分析物的保留能力最強(qiáng);同時發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)杯芳烴相比,對叔丁基杯芳烴上緣的對叔丁基基團(tuán),對分析物的保留存在空間位阻作用。因此,與杯芳烴固定相相比,對叔丁基杯芳烴固定相對分析物的保留能力降低。此外,還發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)在杯芳烴固定相上的保留不僅依賴疏水作用,同時受偶極-偶極作用,π-π作用和包結(jié)作用等作用力的影響。

        Hu等[18]制備了杯[4]芳烴鍵合硅膠固定相(CBS4),以苯二酚和萘酚的位置異構(gòu)體為探針,結(jié)合量子化學(xué)計算方法,對固定性的色譜分離機(jī)理進(jìn)行了研究。研究表明,量子化學(xué)計算結(jié)果和苯二酚、萘酚在杯[4]芳烴固定相上的實際保留相一致,同時他們通過量子計算分析從理論上發(fā)現(xiàn)溶質(zhì)分子與杯芳烴之間除具有疏水作用外,還存在氫鍵、包結(jié)作用等多重相互作用力,為研究色譜的保留機(jī)理提供了新的方法。

        然而,隨著分離科學(xué)的發(fā)展以及分析樣品復(fù)雜程度的提高,傳統(tǒng)杯芳烴在分離過程相對較為單一的作用力已不能滿足分離科學(xué)的要求,因此,近年來基于杯芳烴修飾位點多,易于功能化修飾的特點,衍生化的杯芳烴在色譜分離領(lǐng)域得到快速的發(fā)展和應(yīng)用。

        2 杯芳烴衍生物固定相

        2.1 反相液相色譜杯芳烴衍生物固定相

        在杯芳烴的上下緣修飾不同的官能基團(tuán),可以增加和調(diào)控杯芳烴的識別能力,從而可實現(xiàn)不同性質(zhì)的分析物良好的色譜分離。Sliwka-Kaszynska等[19]合成了12種1,3-交替構(gòu)象的杯[4]芳烴衍生物(見圖1a),根據(jù)其上緣修飾基團(tuán)的不同主要分為兩類:脂肪族衍生化杯芳烴(不同長度的烷基鏈)和芳香族基團(tuán)衍生化杯芳烴(單苯環(huán)基團(tuán)、多苯環(huán)基團(tuán)、連有給電子基團(tuán)或者吸電子基團(tuán)的苯環(huán)基團(tuán))。通過研究這些衍生化杯芳烴固定相的色譜分離性能發(fā)現(xiàn)烷基鏈取代和5個芳香取代的杯芳烴衍生化色譜固定相均具有較強(qiáng)的疏水保留能力,而全氟苯基和連有吸電子基團(tuán)的固定相則表現(xiàn)出較好的空間選擇性。這一研究結(jié)果為杯芳烴衍生物在色譜分離領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了依據(jù)和參考。

        圖1 杯芳烴衍生物反相液相色譜固定相結(jié)構(gòu)

        Zadmard等[20]采用丙氧基對杯[4]芳烴的下緣羥基進(jìn)行衍生化,并成功地將該杯芳烴衍生物鍵合到硅膠表面用作液相色譜固定相(見圖1b)。通過與十八烷基硅烷鍵合硅膠柱(ODS)和苯基柱對比,在分離10種衍生化的氨基酸時,制備的衍生化杯[4]芳烴表現(xiàn)出優(yōu)異的色譜分離性能,可實現(xiàn)9種衍生化的氨基酸的完全分離,而ODS柱和苯基柱的分離效果都低于9種,這可能是因為杯芳烴與溶質(zhì)分子之間存在的尺寸排阻和疏水作用有關(guān)。

        Hu等[21]利用對叔丁基杯[4]芳烴下緣的羥基與三聚乙二醇對甲苯磺酸酯反應(yīng)合成了對叔丁基杯[4]-1,2-冠-4(GMCx4),并制備了對叔丁基杯[4]-1,2-冠-4硅膠固定相(CBS4-4)(見圖1c)。以多環(huán)芳烴、酚類、芳香胺類、苯甲酸及其衍生物為分析物研究了CBS4-4的色譜行為,并與ODS柱進(jìn)行比較,結(jié)果表明,CBS4-4對分析物的選擇性主要依賴于疏水作用,同時伴有氫鍵和包結(jié)等相互作用力。作者將所制備的色譜柱用于飲料中苯甲酸防腐劑的檢測,苯甲酸與飲料基質(zhì)得到很好的分離,在1~100 mg/L范圍內(nèi)線性良好,檢出限為0.13 mg/L,可應(yīng)用于實際樣品的檢測。在此研究基礎(chǔ)上,Hu等[22]以對叔丁基杯[4]芳烴為母體,在杯芳烴的下緣修飾噻二唑基團(tuán),制備了TBS4色譜柱(見圖1d),與CBS4-4相比,TBS4除表現(xiàn)出弱的疏水作用和良好的空間選擇性,還具有較強(qiáng)的氫鍵作用和離子交換作用。此外,Hu等[23]在杯[4]芳烴的上緣修飾了苯甲?;鶊F(tuán),制備了對苯甲酰杯[4]芳烴固定相(見圖1e),對多環(huán)芳烴、二取代苯和萘酚的兩種位置異構(gòu)體進(jìn)行分離,通過與ODS柱色譜柱的對比,其制備的色譜柱表現(xiàn)出更強(qiáng)的疏水作用。

        Mokhtari等[24]制備了磺酸基功能化的杯[4]芳烴硅膠固定相(如圖1f),應(yīng)用于肉類和其他食品中沙丁胺醇的測定,結(jié)果顯示,所制備的色譜固定相在分離非極性和弱極性化合物時主要表現(xiàn)為反相分離機(jī)理,與溶質(zhì)分子之間的相互作用主要依賴于疏水作用;而在分離沙丁胺醇等極性化合物時,固定相與溶質(zhì)分子之間除疏水作用外,還存在π-π、氫鍵等相互作用力,這可能是因為杯芳烴中苯環(huán)、羥基、氨基以及杯芳烴空腔等對溶質(zhì)的保留提供了額外的相互作用力。

        上述研究表明,在杯芳烴的非極性空腔結(jié)構(gòu)中引入非極性或者弱極性的配體,所制備的色譜固定相雖然主要依賴于反相分離模式,可實現(xiàn)非極性和弱極性化合物的分離,但與傳統(tǒng)的ODS色譜柱相比,杯芳烴衍生物固定相具有更加豐富的作用位點,對分析物的識別和保留性能也顯著優(yōu)于ODS色譜柱,對復(fù)雜化合物的分離具有更大的應(yīng)用潛力。

        圖2 杯芳烴衍生物手性固定相結(jié)構(gòu)

        2.2 手性杯芳烴衍生物固定相

        對映體的分離在天然產(chǎn)物研究、制藥、農(nóng)業(yè)化學(xué)和環(huán)境研究領(lǐng)域具有重要的研究意義,而使用手性固定相通過液相色譜進(jìn)行分離是分離對映體的一種重要的工具,因此手性物質(zhì)鍵合杯芳烴功能化的手性固定相(CSPs)的開發(fā)和應(yīng)用具有廣闊的應(yīng)用前景[25]。早年,人們將環(huán)糊精鍵合硅膠固定相廣泛用于手性分離,但是環(huán)糊精與多數(shù)客體分子的結(jié)合常數(shù)較低,不利于色譜的高效分離。然而,環(huán)糊精與冠醚或者杯芳烴結(jié)合,可有效增強(qiáng)固定相與分析物的相互作用,從而提高對手性物質(zhì)的分離效能。Thamarai等[26]將杯[4]芳烴結(jié)合環(huán)糊精鍵合于硅膠表面,制備了一種新型手性色譜柱(C4CD-HPS)(見圖2a),并成功用于硝基苯酚3種異構(gòu)體的分離和19種手性藥物的分離,表現(xiàn)出良好的手性拆分能力。2014年Thamarai等[27]在C4CD-HPS固定相的基礎(chǔ)上,在杯[4]芳烴的上緣修飾了異丙基,制備了異丙基修飾的杯[4]芳烴結(jié)合環(huán)糊精鍵手性色譜柱(IPC4CD-HPS)。在反相模式下,可實現(xiàn)3種硝基苯酚同分異構(gòu)體的完全分離。同時,在手性分離方面也具有優(yōu)秀的色譜性能,對17種手性化合物進(jìn)行分離,其中分離度大于1.5的有9種,與商品化的環(huán)糊精CSPs相比表現(xiàn)出更好的對映選擇性?;?-異丙基杯[4]芳烴和β-環(huán)糊精的協(xié)同作用,IPC4CD-HPS這種新型的CSPs在手性藥物分離方面具有一定的優(yōu)勢和潛在的應(yīng)用。

        Yaghoubnejad等[28]在手性脫氧膽酸的3號位置修飾上N-(3,5-二硝基苯基)甲酰胺基團(tuán),再將其修飾到杯[4]芳烴中,通過共價鍵的方式鍵合到硅膠上,制備了具有手性的杯芳烴固定相(見圖2b),成功用于分離N-(3,5-二硝基苯甲?;?-DL-亮氨酸、N-(3,5-二硝基苯甲酰基)-DL-纈氨酸、奧美拉唑、雙氯芬酸、DL-扁桃酸和(RS)-普瑞巴林對映體。與不含杯[4]芳烴的固定相進(jìn)行了對比,結(jié)果顯示含有杯[4]芳烴的固定相具有更好的分離度,由此說明杯芳烴在分離中起著重要的作用。

        氨基酸廉價易得,存在豐富的手性位點和極性親水基團(tuán),因此近年來氨基酸功能化的多環(huán)芳烴在手性色譜分離領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。Yaghoubnejad等[29]在杯[4]芳烴的上邊緣鍵合了兩分子的L-丙氨酸,下邊緣修飾了烯丙基,通過巰-烯點擊化反應(yīng),將其鍵合到硅膠基質(zhì)上,作為一種新型的手性分離固定相(見圖2c)。制備的固定相可以在正相和反相模式下使用,實現(xiàn)了3,5-二硝基苯甲酰衍生物、雙氯芬酸和扁桃酸對映體的分離,這種新型的CSP具有良好的對映體拆分潛力。

        2.3 杯芳烴衍生物混合模式色譜固定相

        混合模式色譜(MMC)即在同一根色譜柱中存在兩種或者多種分離機(jī)理的色譜分離類型。MMC與傳統(tǒng)的單一模式色譜相比,可以提供兩種或兩種以上的保留模式,通過改變流動相組成可實現(xiàn)不同性質(zhì)化合物的有效分離。因此,近年來混合模式色譜固定相得到了廣泛的研究[30,31]。近年來,基于杯芳烴易于修飾的特點,把具有極性基團(tuán)的物質(zhì)修飾到杯芳烴主體結(jié)構(gòu)上,在分離中提供親水、氫鍵和離子交換等極性作用,成功地制備出一系列混合模式色譜固定相。Lu等[32]利用殼聚糖中的羥基和氨基提供的親水能力結(jié)合杯[4]芳烴制備了一種新型的硅膠固定相(CCS4)(見圖3a),成功用于分離非極性和極性的苯類、酚類和核苷類物質(zhì),結(jié)果表明,CCS4是具有多重作用力的新型混合模式固定相,且除了傳統(tǒng)反向色譜分離性能外還具有一定的親水色譜分離性能,在色譜分析中具有很大的應(yīng)用潛力。

        圖3 杯芳烴衍生物混合模式色譜固定相結(jié)構(gòu)

        離子液體鍵合硅膠固定相可以與溶質(zhì)分子之間產(chǎn)生親水作用、氫鍵、離子交換等極性相互作用力,在色譜科學(xué)中得到應(yīng)用[33]。Hu等[34]利用結(jié)合離子液體的極性作用和杯芳烴的疏水、包結(jié)等能力制備了一種新型的杯芳烴離子液體固定相(CalixILSP)(見圖3b)。由于多樣化官能團(tuán)的存在,使得CalixILSP具有多重分離模式。在反相條件下,可實現(xiàn)烷基苯、酚類等非極性和弱極性物質(zhì)的分離,在親水作用色譜條件下,可實現(xiàn)4種人參皂苷和6種核苷物質(zhì)等極性物質(zhì)的分離。此外,因為離子液體中的咪唑鎓基團(tuán)具有強(qiáng)陰離子交換能力,該色譜柱在離子色譜模式下,成功分離了6種陰離子(Br-、BrO3-、IO3-、NO3-、I-和SCN-)。實驗結(jié)果表明,CalixILSP作為一種新型的混合模式固定相,通過調(diào)整實驗條件,可以靈活地調(diào)整保留和選擇性,實現(xiàn)非極性、弱極性和極性物質(zhì)化合物的多模式分離。

        此外,氨基酸中存在氨基、羧基和手性位點,近年來在色譜分離中表現(xiàn)出優(yōu)異的親水作用和手性分離的能力。Zhang等[35]把L-脯氨酸修飾到杯[4]芳烴的上緣,通過γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷作為偶聯(lián)劑,和杯芳烴下緣的羥基反應(yīng),從而制備成L-脯氨酸修飾的杯[4]芳烴硅膠固定相(DTPC)(見圖3c),用于酚類、核苷類、磺胺類、黃酮類等較強(qiáng)極性化合物的分離。DTPC除具有較強(qiáng)的親水作用外,同時表現(xiàn)出氫鍵作用、包結(jié)作用等其他的相互作用力,可用于中等極性和極性化合物的分離。以DTPC作為分析柱,結(jié)合固相萃取,測定了血清樣本和尿樣中的7種磺胺類藥物和4種雜環(huán)胺。此外,Zhang等[36]以L-脯氨酸修飾的杯芳烴作為分離介質(zhì),通過改變反應(yīng)的位點,把L-脯氨酸的羧基先酰氯化,再通過氨基化的硅膠,以共價鍵的方式鍵合到硅膠基質(zhì)上,制備出另外一種新型色譜柱IDTPC(見圖3d)。作者采用核苷和核苷酸類、有機(jī)胺類、單取代苯類,以及手性化合物氯吡格雷對映體為探針對其色譜性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明與DTPC不同,該固定相具有親水作用和反相液相色譜雙重保留作用,可以用于極性和非極性化合物的分離。在HILIC模式下,采用制備的IDTPC色譜柱建立了米粉中烏洛托品的分離分析方法,并成功應(yīng)用于食品樣品中烏洛托品的檢測。

        上述研究可見,采用極性配位基團(tuán)對杯芳烴上下邊緣進(jìn)行修飾改性,可以有效改變主體分子的化學(xué)性質(zhì),同時賦予杯芳烴特異性的識別和分離性能,可以成功用于非極性、弱極性或者極性分析物的分離,拓展了杯芳烴在色譜分離中的應(yīng)用。

        3 杯雜芳烴固定相

        在杯芳烴超分子化學(xué)研究的基礎(chǔ)上,含雜原子的杯芳烴也逐漸引起了廣泛的研究[37,38]。雜環(huán)芳烴因其結(jié)構(gòu)中氮、氧、硫、磷等雜原子的引入,除了具有傳統(tǒng)杯芳烴的性能外,該類主體分子在構(gòu)象、分子識別性能等方面具有豐富的多樣性,其主客體識別性能顯著地優(yōu)于傳統(tǒng)的杯芳烴,可顯著提高色譜的分離能力[39,40]。

        圖4 杯雜芳烴色譜固定相結(jié)構(gòu)

        Zhao等[4]將氧橋連的杯[2]芳烴[2]三嗪杯雜芳烴鍵合到硅膠表面,成功制備了四氧雜杯[2]芳烴[2]三嗪色譜固定相(見圖4a),成功用于分離非極性的多環(huán)芳烴、單取代苯和中等極性的苯二酚的同分異構(gòu)體。并通過量子化學(xué)計算研究了分離機(jī)理,四氧雜杯[2]芳烴[2]三嗪環(huán)中苯環(huán)能與溶質(zhì)分子產(chǎn)生疏水作用,橋連的氧原子和三嗪環(huán)可以與溶質(zhì)分子間產(chǎn)生氫鍵相互作用。在色譜分離機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,作者成功將該色譜柱應(yīng)用于嬰兒乳制品中三聚氰胺含量的分離分析中,在0.3~50 mg/L范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性,檢出限為0.1 mg/L。在這一工作的基礎(chǔ)上,Zhao等[5]把橋連的氧原子換成亞胺,又制備了一種新型的四氮雜杯[2]芳烴[2]三嗪超分子化合物,鍵合到硅膠表面,制備了液相色譜柱(見圖4b),該固定相和上述的氧雜杯芳烴相比,具有更加明顯的極性、共軛體系和空腔尺寸,其中的氮原子質(zhì)子化后帶正電,從而具有陰離子交換能力。該固定相用于分離了不同極性的物質(zhì),包含多環(huán)芳烴、苯胺類、苯酚類和無機(jī)陰離子,參與色譜分離的相互作用主要包含疏水作用、靜電作用和陰離子交換相互作用,該固定相具有多種相互作用和混合模式色譜分離的特點。

        Zhang等[6]采用三聚氯氰和4,4-二氨基二苯甲烷作為單體,制備了新型的三嗪基四氮雜環(huán)番杯雜芳烴(TTCP),并通過3-氨基丙基三乙氧基硅烷作為偶聯(lián)劑鍵合到硅膠上(TTCPSP)(見圖4c)。以單取代苯、多環(huán)芳烴和黃酮類物質(zhì)作為目標(biāo)物評價了固定相的色譜性能,并與ODS柱進(jìn)行比較,TTCPSP與分析物存在疏水、氫鍵、包結(jié)等多種相互作用力。

        通過使用不同類型的單體,可以制備得到含有不同雜原子或者不同空腔尺寸大小的杯雜芳烴,以滿足分離不同的分析物,展現(xiàn)了杯雜芳烴在色譜分離中的潛力。

        4 結(jié)論與展望

        杯芳烴具有大的空腔結(jié)構(gòu),且易于功能化修飾。本文從傳統(tǒng)杯芳烴、杯芳烴衍生物、雜環(huán)芳烴三方面綜述了近年來杯芳烴在反相液相色譜、親水色譜、手性色譜、混合模式色譜等分離領(lǐng)域的應(yīng)用及研究。結(jié)果表明杯芳烴及其衍生物在色譜分離選擇中表現(xiàn)出優(yōu)異的識別性能,不同功能化的主體分子與溶質(zhì)之間可以形成π-π、氫鍵、離子交換、疏水、親水等多重相互作用力,進(jìn)而提高色譜分離的選擇性。

        手性色譜固定相在手性藥物分離中發(fā)揮著重要作用,文中杯芳烴結(jié)合氨基酸、環(huán)糊精在手性分離中表現(xiàn)出良好的對映體拆分潛力,然而其研究報道至今仍非常有限,因此新型手性配體與杯芳烴結(jié)合,拓展杯芳烴在手性分離中的應(yīng)用,制備杯芳烴手性色譜固定相是一個具有良好前景的研究方向。

        杯雜芳烴豐富的作用位點和特殊的結(jié)構(gòu)在超分子化學(xué)中扮演者重要的角色,根據(jù)需要靈活地選擇配體,可成功制備出種類多樣、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)的色譜分離固定相,為難以分離的物質(zhì)提供了更多的選擇和可能。因此,杯芳烴及其衍生物與色譜學(xué)結(jié)合,提高色譜的分離選擇性,從而提高分析效率和靈敏度,在復(fù)雜樣品的分離分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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