UiO-66/β-环糊精杂化毛细管电色谱整体柱的制备及其应用

李英杰， 靳志向， 秦世丽*， 高立娣， 唐艺旻， 林肖同， 刘树仁

(1.齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006 2.浙江大学环境与资源学院环境健康研究所，浙江杭州 310012)

金属有机骨架(MOFs)是以无机金属为中心(金属离子或金属簇)与有机配体通过配位键形成的一类具有多孔骨架结构的新型多功能材料。与传统的多孔色谱材料相比，MOFs具有更好的比表面积、孔隙率和溶剂稳定性等优点。因此，在制备色谱固定相方面展现出极大的应用潜力，引发了研究者的兴趣[1 - 3]。

近年来，MOFs材料成为重要的色谱固定相材料之一，并且广泛应用在色谱分离分析领域中。Zhang等[4]因UiO-66具有优异的溶剂稳定性和独特的金属位点，制备了UiO-66@SiO2复合材料并以它作为固定相，用于高效液相色谱中对中性、极性化合物进行分离，具有分辨率高和选择性好等特点。Chang等[5]根据MOFs(UiO-66)表现出的尺寸选择性和较高的热稳定性，采用动态涂布法成功制备了UiO-66气相色谱毛细管柱，对烷烃异构体表现出反向尺寸选择性，并实现对烷烃异构体和苯系物等化合物的高选择性分离。Zhang等[6]将镧系金属有机骨架NKU-1成功整合到聚丙烯酸酯类整体柱中，形成一种新型杂化整体柱，并通过毛细管电色谱分离了烷基苯，多环芳烃，苯胺系列和萘基替代品，证明了NKU-1-poly(BMA-co-EDMA)整体材料的分离能力。与未加入MOFs的整体柱相比，杂化整体柱显示出更高的柱效、更好的通透性并且减少色谱峰拖尾现象的出现。目前已有一些MOFs材料在色谱分离分析领域的研究与应用，与液相和气相色谱相比，MOFs材料在毛细管电色谱中的研究与应用相对较少。

毛细管电色谱(CEC)是一种新型的色谱技术，该技术具有分离效率高、灵敏度高和溶剂消耗低等优点，因此被广泛应用[7 - 9]。目前，环糊精及其衍生物作为手性固定相在手性分离分析领域得到了广泛的应用[10]。而UiO-66具有较高比表面积、机械稳定性和分离特性等优点，是一类极具潜力的色谱材料，将其加入到毛细管柱中可有效提高聚合物毛细管整体柱的比表面积、机械稳定性和色谱分离能力[11,12]。本文将MOFs材料与环糊精衍生物相结合作为一种新型色谱固定相，采用一步键合法制备具有手性分离能力的UiO-66/β-环糊精杂化毛细管电色谱整体柱。在毛细管电色谱中对手性农药进行分离分析并对其分离机理进行探讨，旨在扩展色谱固定相种类，使其具备良好的应用价值，从而扩展MOFs材料在毛细管电色谱手性分离领域的研究空间。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

HP3DCE型毛细管电泳仪(美国，安捷伦公司)；S-4300型扫描电子显微镜(日本，日立公司)；SpecctrumOne型傅立叶红外光谱仪(美国，热电公司)；DB-FOCUS型X射线衍射仪(德国，布鲁克公司)；Autosorb-iQ型全自动比表面积和孔径分布分析仪(美国，康塔仪器公司)；石英毛细管(75 μm i.d.，365 μm o.d.，中国锐丰色谱器材公司)。

ZrCl4·4H2O(98%)、2-氨基对苯二甲酸(北京伊诺凯科技有限公司)；β-环糊精、二甲基亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)、对甲苯磺酰氯(TsCl)(天津科密欧化学试剂有限公司)；N-烯丙基咪唑(上海阿达玛斯试剂公司)；偶氮二异丁腈(AIBN)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)、甲基丙烯酸三甲基硅烷丙酯(γ-MAPS)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、甲基丙烯酸(MAA)(上海阿拉丁试剂公司)；硫脲(天津市凯通化学试剂有限公司)；D，L-精氨酸(北京化学试剂有限公司)。实验用水均为超纯水。

手性农药：喹禾灵、禾草灵(江苏新沂市永诚化工有限公司)。

1.2 GMA-UiO-66的制备

将NH2-UiO-66[13](120 mg)悬浮在THF(10 mL)中，超声处理30 min。然后将GMA(3.2 mmol)添加到该溶液中。将混合物在55 ℃加热24 h。反应完成后将溶剂倒出，并将粉末用THF洗涤3次，然后在超声下用氯仿洗涤3次，持续15 min以除去未反应的GMA，以获得GMA-UiO -66晶体。最后将黄色的GMA-UiO-66在真空下于50 ℃干燥24 h。

1.3 杂化手性整体柱的制备

称取33 mg EDMA，43 mg MAA，240 mg环己醇，120 mg正十二醇，1.0 mg AIBN，22 mg含有N-烯丙基咪唑β-环糊精(N-Allyl-β-CD)/GMA-UiO-66的混合溶液(20 mg N-Allyl-β-CD[14]和2.0 mg GMA-UiO-66溶于0.6 mL DMSO溶液)，超声混匀。将混合物填充到预处理过的毛细管中[15]，毛细管有效长度为26.5 cm。两端封口，45 ℃水浴反应24 h后用甲醇冲洗，备用。采用相同的方法制备不含GMA-UiO-66的整体柱(N-Allyl-β-CD整体柱)作为空白对照。

2 结果与讨论

2.1 杂化整体柱制备条件优化

本实验采用一步键合法制备杂化整体柱，其制备过程主要考察了单体(GMA-UiO-66∶N-Allyl-β-CD)质量比和致孔剂(正十二醇∶环己醇)用量，对杂化整体柱柱效及通透性的影响。其中杂化整体柱柱效以硫脲为中性标记物对其进行评价，通透性以在高压恒流泵压力为20 MPa时，测得的甲醇流速作为评价指标，结果如表1所示。当单体质量比不变，保证DMSO为一定量，正十二醇与环己醇质量比例为1∶2不变时(A～C，D～F，G～I)，随着致孔剂用量不断增加，其(正十二醇90 mg、环己醇180 mg)质量百分数89.7%增加到(正十二醇120 mg、环己醇240 mg)质量百分数91.3%，杂化整体柱的通透性逐渐上升，柱效呈先增大后减小的趋势。这是因为致孔剂用量增大，柱内固定相交联程度减小，形成的孔径越大，故通透性增强；而当致孔剂质量含量较大时，较大的孔径使硫脲随着流动相快速通过色谱柱从而减弱了二者之间的相互作用力，故柱效减小。当致孔剂用量不变时(A、D、G，B、E、H，C、F、I)，增大单体的质量比时，杂化整体柱的通透性下降，而柱效呈先增大后减小的趋势。这是因为单体用量增大，聚合反应程度增加，杂化整体柱通透性下降，柱内固定相作用位点增多，柱效增大；而当单体质量比过大时，杂化整体柱键合过于致密，通透性差，柱效降低。故当单体比例为1∶10，致孔剂(正十二醇∶环己醇)用量为120、240 mg时，杂化整体柱通透性最佳，机械强度较高，用甲醇连续冲洗该比例下的杂化整体柱6 h后，流速约为20 μL/min；柱效最高，连续测定7次，平均柱效为78 352N/m。

表1 单体和致孔剂对杂化整体柱的影响Table 1 Effect of different monomer/porogen rates on hybrid monolithic column

2.2 杂化整体柱固定相的表征

图1 红外光谱图Fig.1 Infrared spectra a.N-Allyl-β -CD;b.GMA-UiO-66;c.Hybrid stationary phase materials.

2.2.1 红外光谱表征在图1中曲线a，3 400 cm-1处为-OH伸缩振动；1 413 cm-1处为-CH2-变形振动；1 154 cm-1处为C-O-C伸缩振动；1 079 cm-1处出现C-C伸缩振动的吸收峰。曲线a不仅保持了环糊精的特征吸收峰，并在1 660 cm-1处的烯丙基C=C伸缩振动峰和1 566 cm-1处的阳离子咪唑环特征峰，表明实验合成了N-Allyl-β-CD。在图1中曲线b，在1 706 cm-1出现了酯羰基C=O伸缩振动；1 655 cm-1、1 571 cm-1为羧酸盐中-COO-反对称伸缩振动；1 339 cm-1和1 259 cm-1为芳香胺C-N伸缩振动；769 cm-1处为Zr-O的伸缩振动的吸收峰，由此可知成功合成了GMA-UiO-66。图1曲线c与曲线a和b相比，在1 148 cm-1和1 073 cm-1处仍有β-CD的特征峰，同时在1 300～1 600 cm-1和765 cm-1处出现GMA-UiO-66的特征峰。可知，成功制备UiO-66/β-CD杂化固定相材料。

2.2.2 X射线衍射(XRD)表征图2为不同杂化固定相材料的XRD谱图。曲线a为UiO-66-NH2，其特征峰位分别在2θ=7.35°、8.47°、12.03°、14.14°、17.07°、22.24°、25.67°、33.11°，分别与(111)，(002)，(022)，(113)，(004)，(115)，(224)，(127)晶面对应，从图谱中可以看出所制样品在这些特征位置有明显的衍射峰，并且与文献报道[16]中的特征峰位相一致。曲线a和b衍射峰的位置未发生明显变化，表明功能化的GMA-UiO-66保留其MOFs的晶体结构。曲线b和c相对比，仍然保留了在2θ=5～10°处特征峰，表明GMA-UiO-66晶体结构稳定存在于杂化整体柱的基质中。

2.2.3 N2吸附-脱附等温线表征采用N2吸附-脱附对柱内的杂化固定相材料进行表征。图3中N2吸附-脱附等温线为Ⅰ型等温线，其平均孔径为1.80 nm[17]。由BET分析可知，柱内的杂化固定相材料的比表面积为303.55 m2/g。由此可知，柱内的杂化固定相材料具有较高的比表面积。

2.2.4 扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析表征通过SEM对最优制柱条件下制备的杂化整体柱固定相进行表征，从图4a可以看出，杂化整体柱固定相与毛细管内壁键合紧密，柱内形成了均匀复杂的网状结构。说明该柱具有一定的通透性和机械稳定性。图4b和4c为杂化整体柱固定相的EDS谱图。从图4b中可以看出，杂化整体柱固定相中含有C、N、O、Si和Zr 5种元素，说明GMA-UiO-66成功引入柱内。从图4c可以看出，Zr元素均匀分布在该固定相中，由此可知，GMA-UiO-66均匀存在于柱内。

图2 X射线衍射谱图Fig.2 X -ray diffraction spectra a.UiO-66-NH2;b.GMA-UiO-66;c.Hybrid stationary phase materials.

图3 杂化固定相材料的氮气吸附-脱附曲线图Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of hybrid stationary phase materials

图4 杂化整体柱固定相扫描电镜(SEM)图(a)和能谱(EDS)图(b、c)Fig.4 SEM image(a) and EDS(b,c) of hybrid monolithic column stationary phase

图5 精氨酸电色谱分离图Fig.5 Electrochromatographic separation of D，L-Arg Electrochromatographic conditions:pH=8.0(30 mmol/L) ammonium acetate buffer solution;separation voltage was 15 kV;column temperature was 23 ℃;detection wavelength was 200 nm;and the number of experiments was repeated 7 times.

2.3 杂化整体柱性能评价

以D，L-精氨酸(D,L-Arg)对映体作为分析物，对杂化整体柱的稳定性、重现性和手性分离性能进行评价。由表3数据可知，柱内、日间和柱间样品保留时间的相对标准偏差(RSD)均小于1.50%。

在最佳电色谱运行条件下，D，L-Arg达到基线分离，且杂化整体柱在60 d内间歇使用160次，其分离效率没有明显降低，见图5。实验结果表明该杂化整体柱具有良好的稳定性、重现性和手性分离性能。

2.4 杂化整体柱的应用

目前大多数手性农药仍然以外消旋体的形式生产和使用，这不仅不利于提高药效，还给环境带来了污染。在手性农药的开发研究过程中，如何实现手性农药对映体的分离变得尤为重要。喹禾灵和禾草灵属于两种典型的苯氧羧酸类除草剂，R型的除草活性都明显的高于S型，且可以广泛地用于杂草的控制。因此，为考察所制备杂化整体柱的实际应用价值，本实验利用杂化整体柱分离喹禾灵和禾草灵对映体。由图6可知，杂化整体柱拆分喹禾灵、禾草灵对映体在7 min内均基线分离，其分离度RS分别为1.54、1.63。说明制备的杂化整体柱对喹禾灵、禾草灵对映体具有良好的手性拆分能力。

表3 杂化整体柱稳定性试验Table 3 Reproducibility for the preparation of hybrid monolithic column

图6 电色谱分离图Fig.6 Electrochromatograms for enantiomeric separation of Quizalofop and Diclofop a.Quizalofop:pH=3.0(30 mmol/L) ammonium acetate buffer solution,separation voltage is 15 kV,column temperature is 23 ℃,detection wavelength is 205 nm;b.Diclofop:pH=3.5(30 mmol/L) ammonium acetate buffer solution,separation voltage is 20 kV,column temperature is 23 ℃,detection wavelength is 208 nm,both are pressure injection,10 kV×6 s.

2.5 拆分机理讨论

从表4可知，N-Allyl-β-CD整体柱拆分喹禾灵、禾草灵对映体在5 min内均有分离趋势，但未达到基线分离。与其相比，杂化整体柱分离的喹禾灵和禾草灵对映体均达到基线分离，说明杂化整体柱具有更好的手性分离能力。在拆分过程中，GMA-UiO -66含有的芳香配体与被分离对映体中的苯基部分存在π-π相互作用，GMA-UiO -66中的Zr4+与三种苯氧羧酸类手性农药中的-COOH部分的离子间相互作用，此外，GMA-UiO -66还具有分子筛效应，可以降低环糊精与客体分子之间的空间位阻，能够增强立体楔形相互作用，GMA-UiO -66在分析过程中存在的这几种作用力都增强了体系的手性分离能力。但由于喹禾灵的极性较大，其疏水性较弱，不容易进入环糊精空腔形成包结物，故分离度比禾草灵低，但两种手性农药均实现基线分离。可见多种作用力是实现手性对映体拆分的基础，杂化整体柱对喹禾灵和禾草灵手性农药具有良好的拆分能力。

表4 手性农药对映体分离实验结果Table 4 Experimental results of enantiomeric separation of chiral pesticides

3 结论

本文将GMA-UiO -66和N-Allyl-β-CD作为单体，采用一步键合法成功制备了UiO -66/β-环糊精杂化毛细管电色谱整体柱。该杂化整体柱具有较高比表面积、机械稳定性和良好的通透性。通过D,L-精氨酸对映体对杂化整体柱性能进行评价，该柱的稳定性、重现性和手性分离能力均较好。在毛细管电色谱模式下对喹禾灵和禾草灵对映体进行拆分，分离度RS分别达到1.54、1.63。与N-Allyl-β-CD整体柱相比，制备的杂化整体柱表出更好的分离效果。由此可知，UiO -66/β-CD杂化毛细管电色谱整体柱在手性分离分析领域具有一定的应用价值和潜能。