趙凌藝, 呂文娟, 牛效瑩, 潘聰潔, 陳宏麗, 陳興國(guó)

(蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 功能有機(jī)分子化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

毛細(xì)管電色譜(CEC)是一種集成了毛細(xì)管電泳高分離效率和高效液相色譜高選擇性的分離技術(shù),具有樣品消耗量低、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。開(kāi)管-毛細(xì)管電色譜(OT-CEC)作為CEC的模式之一,雖具有毛細(xì)管柱制備簡(jiǎn)單、電滲流穩(wěn)定及柱效較高等優(yōu)點(diǎn)[2,3],但其柱容量和相比較低的缺點(diǎn)卻在一定程度上限制了它的發(fā)展[2]。因此,選擇適當(dāng)?shù)墓潭ㄏ鄟?lái)克服上述缺點(diǎn)以提高分離效率成為OT-CEC的研究熱點(diǎn)。近年來(lái),已有較多有關(guān)多孔有機(jī)骨架材料用作OT-CEC新型固定相材料的報(bào)道[4-15]。

共價(jià)有機(jī)骨架材料(COFs)作為一種由有機(jī)結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)鍵連接而成的新型多孔晶體材料[16-18],因其比表面積較大、穩(wěn)定性較高及孔徑易于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)[17,18],在儲(chǔ)氣[19]、催化[20]和吸附[21]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí),優(yōu)異的特性和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)也使得COFs在分析化學(xué)中具有巨大的應(yīng)用潛力[22-25]。迄今為止,已有的研究表明COFs可成功應(yīng)用在色譜分離[12-15,26,27]和樣品前處理[28-30]中,但其作為固定相用于CEC分離的相關(guān)報(bào)道較少[12-15,31,32]。

環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(EEDs)是指在進(jìn)入人體后會(huì)干擾體內(nèi)正常內(nèi)分泌物質(zhì)作用并破壞內(nèi)分泌系統(tǒng)穩(wěn)定性的一大類(lèi)外源性化合物[33]。研究表明EEDs會(huì)造成出生缺陷、人類(lèi)生育能力降低和生殖系統(tǒng)腫瘤發(fā)生率增加[34,35]。研究已證實(shí)在空氣、水、土壤等介質(zhì)中存在約50～70種EEDs[34]。目前,分離檢測(cè)EEDs的方法主要為氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[36]和高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[37],但這些方法存在操作復(fù)雜、樣品用量大等問(wèn)題,因此開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、高效、樣品用量少的CEC方法用于分離檢測(cè)EEDs是十分必要的。

鑒于此,本工作通過(guò)共價(jià)鍵合的方式將一種二維吖嗪共價(jià)有機(jī)骨架材料ACOF-1涂覆于毛細(xì)管內(nèi)壁,制備了ACOF-1涂層毛細(xì)管,以其為分離通道建立了分離硝基苯酚類(lèi)環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的OT-CEC方法,并以4種硝基苯酚作為模型分析物對(duì)方法的性能和分離機(jī)理進(jìn)行了評(píng)價(jià)和研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Beckman P/ACE MDQ毛細(xì)管電泳儀(美國(guó)Beckman Coulter有限公司);D/max-2400 X射線(xiàn)粉末衍射儀(Rigaku,日本);Nicolet Nexus 670型傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet,美國(guó));JSM-6701F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(JEOL,日本)。熔融石英毛細(xì)管(內(nèi)徑75 μm,外徑375 μm,河北省永年光導(dǎo)纖維廠(chǎng))。

水合肼、3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(GLYMO)購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich試劑公司。1,4-二氧六環(huán)購(gòu)自日本東京化成工業(yè)株式會(huì)社。乙酸、2-硝基苯酚(2-NP)、4-硝基苯酚(4-NP)、2,4-二硝基苯酚(DNP)、2,4,6-三硝基苯酚(TNP)購(gòu)自上海阿達(dá)瑪斯試劑有限公司。甲醇、乙腈、丙酮和甲苯購(gòu)自天津利安隆博華醫(yī)藥化學(xué)有限公司。上述試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 合成ACOF-1

按文獻(xiàn)[19]報(bào)道的合成方法做適當(dāng)修改后合成ACOF-1:向安瓿瓶中加入60 mg 1,3,5-均苯三甲醛和2.0 mL 1,4-二氧六環(huán),振蕩直至固體粉末溶解。隨后,向混合物中依次加入0.2 mL乙酸水溶液(6 mol/L)和38 μL水合肼。在液氮浴中快速冷凍及真空條件下火焰密封安瓿瓶。將恢復(fù)室溫的安瓿瓶放置于烘箱中,120 ℃下反應(yīng)72 h。反應(yīng)結(jié)束后立即取出安瓿瓶并趁熱將其從頸部打碎,將混合物轉(zhuǎn)移至離心管中離心分離得到黃色固體。用丙酮洗滌數(shù)次后置于真空烘箱中于25 ℃干燥過(guò)夜,即得到淺黃色ACOF-1粉末。

1.3 制備ACOF-1涂層毛細(xì)管

首先,依次用甲醇(10 min)、超純水(10 min)和1.0 mol/L NaOH(15 min)沖洗新的熔融石英毛細(xì)管,用橡膠塞密封毛細(xì)管兩端后放入100 ℃烘箱中加熱2 h。然后,分別用0.5 mol/L HCl(30 min)、超純水(10 min)、甲醇(10 min)和丙酮(10 min)沖洗毛細(xì)管,氮?dú)獯蹈擅?xì)管并在120 ℃下加熱1 h。之后,在預(yù)處理過(guò)的毛細(xì)管中充滿(mǎn)GLYMO-甲苯(5∶95, v/v)溶液,兩端密封,于100 ℃下加熱6 h后依次用甲苯(10 min)、甲醇(10 min)和丙酮(10 min)沖洗,再用氮?dú)獯蹈杉吹玫紾LYMO涂覆的毛細(xì)管。最后,將ACOF-1的甲醇溶液(1.0 g/L)泵送并充滿(mǎn)GLYMO涂覆的毛細(xì)管,兩端密封后在70 ℃下反應(yīng)4 h。之后,用甲醇和丙酮徹底沖洗,除去殘留的ACOF-1并用氮?dú)獯蹈?即得到ACOF-1涂層毛細(xì)管。在整個(gè)制備過(guò)程中,通入溶液時(shí)施加于毛細(xì)管的壓力均為0.07 MPa。圖1為ACOF-1涂層毛細(xì)管的簡(jiǎn)要制備過(guò)程示意圖。

1.4 緩沖溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

配制0.1 mol/L的硼砂溶液作為緩沖溶液儲(chǔ)備液,使用前用0.45 μm醋酸纖維素膜過(guò)濾,用超純水和有機(jī)添加劑(甲醇或乙腈)稀釋并調(diào)節(jié)至適當(dāng)pH,得到運(yùn)行緩沖溶液。

使用乙腈為溶劑配制質(zhì)量濃度為4.0 g/L的分析物標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液,于4 ℃下儲(chǔ)存。分析前用運(yùn)行緩沖溶液稀釋得到工作溶液。

1.5 電泳條件

涂層毛細(xì)管在首次使用之前,用運(yùn)行緩沖液沖洗3 min;兩次運(yùn)行之間,用超純水和運(yùn)行緩沖液分別沖洗5 min。工作溶液超聲脫氣后通過(guò)壓力進(jìn)樣(3.447 5 kPa)注入毛細(xì)管中,進(jìn)樣時(shí)間3 s,分離電壓為-23 kV,運(yùn)行緩沖溶液為15 mmol/L硼砂緩沖液(含10%(v/v)甲醇,pH 9.20),紫外檢測(cè)波長(zhǎng)為214 nm,毛細(xì)管溫度為25 ℃。

圖 1 ACOF-1涂層毛細(xì)管的制備示意圖Fig. 1 Schematic diagram for the preparation of the ACOF-1 coated capillary

2 結(jié)果與討論

2.1 ACOF-1的合成和ACOF-1涂層毛細(xì)管的制備

原文獻(xiàn)[19]合成方法的試劑加入順序依次為1,3,5-均苯三甲醛、水合肼、1,4-二氧六環(huán)、乙酸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):若最后加入水合肼,所得產(chǎn)物的X射線(xiàn)粉末衍射特征峰強(qiáng)度更高。為了使所合成的ACOF-1的晶型更好,本實(shí)驗(yàn)將試劑加入順序調(diào)整為1,3,5-均苯三甲醛、1,4-二氧六環(huán)、乙酸、水合肼。制備涂層管時(shí),利用GLYMO作為硅烷偶聯(lián)劑將環(huán)氧基修飾在毛細(xì)管內(nèi)壁上。之后引入ACOF-1,借助環(huán)氧基開(kāi)環(huán)并與ACOF-1中氨基的反應(yīng)[38]將ACOF-1固定在毛細(xì)管內(nèi)壁。

圖 2 (a)合成的ACOF-1的XRD譜圖與(b)合成的ACOF-1 (Ⅰ)和ACOF-1涂層毛細(xì)管(Ⅱ)的紅外光譜圖 Fig. 2 (a) X-ray powder diffraction (XRD) pattern of the synthesized ACOF-1 and (b) FT-IR spectra of the synthesized ACOF-1 (Ⅰ) and the ACOF-1 coated capillary (Ⅱ)

2.2 ACOF-1和ACOF-1涂層毛細(xì)管的表征

2.2.1XRD和FT-IR表征

圖2a為合成的ACOF-1的X射線(xiàn)粉末衍射(XRD)譜圖,其中7.14°、12.31°和27.45°處的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于(100), (110)和(001)晶面,這些衍射峰的位置與文獻(xiàn)[19]報(bào)道的ACOF-1模擬XRD譜圖中衍射峰位置一致,表明成功合成了ACOF-1。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)對(duì)合成的ACOF-1和粉碎的ACOF-1涂層毛細(xì)管進(jìn)行了表征,結(jié)果見(jiàn)圖2b。譜圖中802 cm-1和1 099 cm-1處的吸收來(lái)源于Si-O-Si的對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)拉伸,3 432 cm-1的寬吸收為O-H的伸縮振動(dòng),1 617 cm-1及1 627 cm-1處的吸收為C=N的伸縮振動(dòng)。FT-IR結(jié)果說(shuō)明成功制備了ACOF-1涂層毛細(xì)管。

2.2.2掃描電子顯微鏡表征

利用掃描電子顯微鏡對(duì)裸毛細(xì)管和ACOF-1涂層毛細(xì)管的內(nèi)壁進(jìn)行表征,以觀(guān)察毛細(xì)管內(nèi)壁形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化。表征結(jié)果顯示裸毛細(xì)管的內(nèi)壁非常光滑(見(jiàn)圖3a),而ACOF-1涂層毛細(xì)管的內(nèi)壁則變得粗糙并可觀(guān)察到涂層材料的分布(見(jiàn)圖3b-d),表明ACOF-1被成功涂覆于毛細(xì)管內(nèi)壁。由于ACOF-1涂層的厚度會(huì)影響分離效果。為確保涂層厚度一致,實(shí)驗(yàn)通過(guò)在制備過(guò)程中控制GLYMO和ACOF-1的濃度和通入時(shí)間實(shí)現(xiàn)這一目的。

圖 3 (a)裸毛細(xì)管和(b、c、d) ACOF-1涂層毛細(xì)管內(nèi)壁的掃描電鏡圖Fig. 3 Scanning electron micrograph images of (a) the bare capillary and (b, c, d) the ACOF-1 coated capillary

2.3 分離條件的優(yōu)化

2.3.1有機(jī)添加劑

向緩沖溶液中加入適量的有機(jī)添加劑,可有效提高分析物在緩沖溶液中的溶解度,從而影響分離效率。實(shí)驗(yàn)考察了甲醇、乙腈等常用有機(jī)添加劑對(duì)分離效率的影響,結(jié)果表明使用甲醇的效果更好。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇甲醇作為有機(jī)添加劑并進(jìn)一步對(duì)緩沖溶液中甲醇的含量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明在添加10%(v/v)的甲醇后,分離所用時(shí)間明顯縮短且各分析物峰形得到改善,但繼續(xù)增加甲醇含量,分離度反而下降,最終導(dǎo)致分析物無(wú)法實(shí)現(xiàn)分離。因此,選擇10%(v/v)作為有機(jī)添加劑甲醇的最佳含量。

表 1 4種硝基苯酚分析物的柱效、線(xiàn)性范圍、線(xiàn)性方程、決定系數(shù)、檢出限、定量限

2.3.2緩沖溶液pH

緩沖溶液pH的變化會(huì)影響分析物的電離狀態(tài)而使分析物的電泳遷移行為發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)考察了pH在8.80～9.40的范圍內(nèi)對(duì)4種硝基苯酚分析物分離的影響。結(jié)果表明,當(dāng)pH從8.80增大到9.00時(shí),各分析物達(dá)到基線(xiàn)分離。繼續(xù)增大pH至9.20,各分析物不僅可實(shí)現(xiàn)基線(xiàn)分離且峰形得到改善,但當(dāng)pH增至9.40時(shí),遷移時(shí)間卻大幅延長(zhǎng)。綜合考慮分離度、峰形和遷移時(shí)間的影響,選擇pH 9.20作為緩沖液最佳pH。

2.3.3緩沖溶液濃度

實(shí)驗(yàn)在10～20 mmol/L范圍內(nèi)考察了硼砂濃度對(duì)分離效率的影響。結(jié)果表明,隨著硼砂濃度的增大,分離度無(wú)明顯變化,但遷移時(shí)間明顯縮短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明在15 mmol/L時(shí)各分析物的峰形更好,故選擇15 mmol/L作為硼砂緩沖溶液的最佳濃度。

2.4 方法評(píng)價(jià)

在最佳分離條件下,4種硝基苯酚分析物的電泳分離譜圖見(jiàn)圖4。

圖 4 ACOF-1涂層毛細(xì)管分離4種硝基苯酚分析物的標(biāo)準(zhǔn)電泳譜圖Fig. 4 Typical electropherogram of four nitrophenol analytes with the ACOF-1 coated capillary Buffer solution: 15 mmol/L borate with 10% (v/v) CH3OH, pH 9.20. Applied voltage: -23 kV. Detection wavelength: 214 nm. Capillary: 50.2 cm total length (40.0 cm effective length). Peak identification: 1. 2-nitrophenol (2-NP); 2. 4-nitrophenol (4-NP); 3. 2,4-dinitrophenol (DNP); 4. 2,4,6-trinitrophenol (TNP).

由圖4可看出,以ACOF-1涂層毛細(xì)管為分離通道可在20 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)4種硝基苯酚分析物的基線(xiàn)分離,具有較高的分離效率;由表1可看出柱效較高,說(shuō)明ACOF-1涂層毛細(xì)管對(duì)4種硝基苯酚分析物具有良好的分離性能。在最佳條件下,對(duì)不同濃度的硝基苯酚分析物進(jìn)行了分離測(cè)定。4種硝基苯酚分析物的線(xiàn)性范圍、線(xiàn)性方程、決定系數(shù)、檢出限和定量限見(jiàn)表1。由表1可知,該方法的性能優(yōu)異。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)各分析物遷移時(shí)間和峰面積的日內(nèi)、日間及柱間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSDs)對(duì)該方法的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,4種硝基苯酚分析物的遷移時(shí)間的日內(nèi)、日間和柱間RSDs分別1.4%～1.5%、5.7%～6.8%和3.6%～5.5%;峰面積日內(nèi)、日間和柱間RSDs分別為0.6%～1.6%、2.5%～7.0%和3.5%～9.4%。上述結(jié)果表明該方法分離硝基苯酚分析物具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

表 2 4種硝基苯酚分析物的遷移時(shí)間和峰面積的日內(nèi)、日間及柱間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.5 分離機(jī)理

由ACOF-1的結(jié)構(gòu)可知,ACOF-1涂層與分析物之間可能存在疏水相互作用和尺寸選擇作用。分析物的相對(duì)疏水性可用其辛醇-水分配系數(shù)(Kow)衡量。由表3可知,4種硝基苯酚分析物的疏水性大小依次為4-NP<2-NP

表 3 4種硝基苯酚分析物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、log Kow、分子尺寸和分子體積

4種硝基苯酚分析物的分子尺寸和分子體積見(jiàn)表3。各分析物的分子尺寸均小于ACOF-1的孔徑(0.94 nm),表明它們均可進(jìn)入到ACOF-1孔道內(nèi)。但各分析物分子體積的大小會(huì)影響它們通過(guò)ACOF-1孔道的難易程度,分子體積越小的越容易通過(guò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示各分析物的遷移順序與它們分子體積由小到大的順序一致,表明ACOF-1涂層毛細(xì)管對(duì)4種硝基苯酚分析物的分離主要基于ACOF-1孔結(jié)構(gòu)的尺寸選擇作用。

3 結(jié)論

本文通過(guò)共價(jià)鍵合方式制備了ACOF-1涂層毛細(xì)管,建立了以其為分離通道分離硝基苯酚類(lèi)內(nèi)分泌干擾物的OT-CEC新方法。在最佳條件下,該方法可在20 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)2-硝基苯酚、4-硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三硝基苯酚4種硝基苯酚模型分析物的基線(xiàn)分離并具有較高的柱效和良好的穩(wěn)定性。ACOF-1孔結(jié)構(gòu)對(duì)分析物的尺寸選擇是影響分離行為的主要作用。本工作表明COFs可作為固定相材料用于OT-CEC分離檢測(cè)EEDs.