碳点在样品前处理及色谱分离中的应用

远 宁, 陈 佳, 关 明, 赵 亮, 邱洪灯

(1. 新疆师范大学化学化工学院, 新疆 乌鲁木齐 830054; 2. 中国科学院兰州化学物理研究所,中国科学院西北特色植物资源化学重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

碳点(carbon dots, CDs),是一种以碳为主要组成元素的新型“零维”碳纳米材料[1]。自2006年Sun等[2]首次报道以来,受到了科研工作者的广泛关注。CDs具有生物相容性好、表面易修饰、无毒且稳定性高等优势,在生物成像[3-5]、化学[6]、生物传感[7-9]、光催化[10,11]等领域有广泛应用。CDs制备方法大致可分为“自上而下”法和“自下而上”法(见图1)。“自上而下”法是指通过电化学氧化[12-14]、激光烧蚀[15]等方法分解石墨、活性炭、碳纳米管等碳材料。“自下而上”法主要是通过水热[16-18]、微波辐射[19-22]等方法从有机酸、糖类、氨基酸等一些天然产物中合成CDs。

图 1 碳点的合成方法[1]Fig. 1 Synthesis methods of carbon dots (CDs)[1]

关于CDs的综述报道大多集中在合成策略、生物成像、传感、光诊疗领域[23-27]。CDs在样品前处理和色谱分离中的综述此前并未见报道。本综述主要介绍了CDs在样品前处理和色谱分离中的应用,并对其发展前景进行了展望。

1 CDs在样品前处理中的应用

图 2 MoS2-CDs的DSPE流程图[28]Fig. 2 Dispersive solid phase extraction (DSPE) procedure of MoS2-CDs[28] BFRs: brominated flame retardants.

固相萃取(SPE)具有重现性好、可同时完成样品富集与净化、灵敏度高等优点。CDs的表面含有大量可提高材料分散性和亲水性的极性基团(如-COOH和-OH),已被广泛应用于样品前处理中。Dong等[28]通过热解增加CDs的分散性,制备了MoS2-CDs复合材料。随着在MoS2上负载CDs数量的增多,吸附剂对分析物的萃取能力大大提高。采用分散固相萃取(DSPE)[29]结合高效液相色谱(HPLC)对3种溴化阻燃剂(BFRs)进行前处理(见图2)。结果表明,MoS2表面的CDs作为吸附剂表现出良好的萃取能力。在最佳条件下,应用该方法从实际水样中分析BFRs,得到的相对标准偏差(RSDs)值低于6.5%,回收率为80%～91%,检出限(LODs)为0.01～0.06 μg/L。表明该方法具有从真实水样中提取和检测痕量BFRs的潜力。

磁固相萃取(MSPE)[30]作为SPE的一种新型模式,具有无须离心的优点。近年来,将操作简单、分离性好的MSPE技术与CDs相结合的工作不断出现。Yang等[31]制备出新型碳点-油酸涂层Fe3O4复合材料(Fe3O4-OA-CDs)和铁磁流体(铁磁流体由离子液体(ILs)和Fe3O4-OA-CDs组成),对水和牛奶样品进行前处理,萃取和测定酚类化合物。随着CDs的引入,铁磁流体在水样中有良好的分散能力。该方法对水和牛奶样品中双酚和4-叔辛基苯酚的萃取表现出良好的回收率和较低的RSDs。Sricharoen等[32]合成了Fe3O4-羟基磷灰石-石墨烯量子点(Fe3O4-HAP-GQDs)纳米复合材料,并用作新型磁性吸附剂,用于预浓缩泰国食品成分中的铜残留物。通过超声辅助萃取,对影响磁性固相萃取的各种参数进行优化。在最优条件下,得到实际样品中Cu的回收率为83.5%～104.8%。该方法的富集因子为39.2,保证了Cu残留物的痕量分析,且用去离子水处理后该磁性吸附剂可重复使用。

孙亚明等[33]采用化学共沉淀法将石墨烯量子点(GQDs)和Fe3O4结合,成功制备出磁性Fe3O4-GQDs固相微萃取剂,对5种含有苯环的肉桂酸及其衍生物进行定量分析,并考察了影响萃取效率的各种因素(如溶液的pH值、吸附时间、吸附剂用量、脱附解析时间等)。结果表明,在最优条件下,磁性Fe3O4-GQDs复合材料对样品的富集效果良好,该方法为复杂样品中的肉桂酸及其衍生物的检测提供了新思路。Akbarzade等[34]制备了零价铁还原氧化石墨烯量子点(rGOQDs-Fe),采用磁分散固相微萃取(MDSPEM)技术与气相色谱-质谱联用,对水果和水样中的有机磷农药进行萃取和测定。结果表明,在最佳条件下,测得该方法的相关系数(R2)良好、LOD较低,且萃取时间短、溶剂消耗量少。

总之,当CDs作为吸附剂与其他基底材料结合后,既可增加基底材料表面官能团的数量和种类,又可使材料的分散性和亲水性大大提高,从而提高萃取性能。

2 CDs在色谱分离中的应用

CDs与传统的石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料(CNMs)相比,作为色谱分离材料有一定的优势。(1)CDs合成方法简单,表面有许多亲水官能团,因此可提供丰富的作用位点;(2)CDs的粒径较小,又具有近似球形的颗粒状形貌,这些特征几乎不影响填料的均匀性,还能避免其他CNMs易团聚的问题[35-37]; (3)CDs的表面大多富含丰富的极性官能团,可避免其他CNMs因其大π共轭体系对某些分析物的强相互作用造成的峰拖尾现象。

2.1 CE

毛细管电泳作为一种有效的分离技术,具有分离速度快、样品消耗量少等优点,已成为高效分离的有效方法之一。CDs在CE中的应用方式多种多样,既可作为标记反应的诊断工具,又可对样品混合物进行检测和分离,还可作为添加剂改善CE的分离性能。Hu等[38]用微波辅助热解柠檬酸和乙二胺合成CDs。用CE结合紫外可见(UV)和激光诱导荧光(LIF)检测CDs,系统考察了pH和缓冲液浓度对CDs分离的影响。通过CE来探究CDs的组成,该方法有望为制备特定的CDs开辟一条新途径。Wu等[39]以柠檬酸和乙二胺为原料,水热法合成CDs,将CE作为CDs标记反应的诊断工具,以确认和量化CDs标记抗体的产生,从而确定标记反应抗体的最佳浓度。Liu等[40]通过CE结合LIF和UV对绿色荧光的中空碳纳米颗粒(HC-NP)样品混合物进行检测和分离。详细考察了最佳CE条件,该方法已成功应用于分析HC-NP的复杂混合物,有望拓展到催化、生物医学、材料和传感等领域。

芳香骨架结构的石墨烯量子点材料可与被分析物形成π-π相互作用、氢键、亲水相互作用等多种相互作用,可用于CE的分离分析。Sun等[41]利用化学氧化法合成GQDs,并将其作为添加剂,通过优化pH、背景电解质浓度(BGE)和GQDs的含量,探究GQDs对CE分离性能的改善能力。结果表明,由于分析物和GQDs之间的相互作用,肉桂酸及其衍生物的分离度明显提高。

2.2 HPLC

Li等[42]率先通过在硝酸中回流玉米秸秆烟灰制备尺寸为6～18 nm发光碳纳米颗粒(CNP)。由于-COOH和-OH的存在,获得的CNP具有良好的亲水性。将CNP键合在球形SiO2表面作为色谱固定相,可以实现5种核苷、4种磺胺化合物的成功分离。本课题组[43]以色氨酸和乌头酸为原料,按2∶1的摩尔比,采用固相合成法制备出氮掺杂的碳点(NCDs),采用低共熔溶剂(DES)做反应溶剂合成氮掺杂碳点修饰硅胶色谱固定相(Sil-NCDs)。同时,还对Sil-NCDs进行了详细的表征。结果表明,Sil-NCDs色谱柱在亲水相互作用液相色谱(HILIC)模式中对极性化合物有较高选择性。实验还发现,采用DES做溶剂较采用DMF和THF等常规溶剂做反应溶剂,表现出明显的优势,如分散性好、键合量高。该碳点修饰硅胶色谱固定相可实现冬虫夏草中的碱基核苷的成功分离。此外,本课题组[44]还用无水柠檬酸和氨丙基-甲基二甲氧基硅烷(AEAPMS)为原料,制备出N-(β-氨基乙基)-γ-衍生的硅烷化CDs,并键合在球形SiO2表面作为色谱固定相。结果表明,该固定相对磺胺、黄酮、氨基酸和核苷类化合物表现出优异的色谱分离性能。CDs的引入相比仅用AEAPMS功能化球形SiO2固定相,其表面官能团的数量明显增加,分离效果更好。随后,本课题组[45]还提出了一种基于CDs及其前驱体协同效应的新策略提高HILIC的选择性(见图3)。在这项工作中,聚乙烯亚胺(PEI)和PEI碳点(PEICDs)混合键合在球形SiO2表面制备出新型HILIC固定相(Sil-PEI/CDs)。相较于PEI修饰硅胶(Sil-PEI)和PEICDs修饰硅胶(Sil-PEICDs)固定相,Sil-PEI/CDs固定相对极性分析物的选择性良好,很好地分离了11种碱基核苷以及9种人参皂苷。3种固定相均表现出良好的重复性和稳定性,采用流动相连续洗脱40 h,柱效几乎没有变化。该工作说明,混合固载可能成为制备性能良好的碳点修饰硅胶色谱分离介质的新方法。

图 3 Sil-PEI、Sil-PEI/CDs和Sil-PEICDs固定相的合成示意图[45]Fig. 3 Synthetic schematic of Sil-PEI、Sil-PEI/CDs and Sil-PEICDs stationary phases[45] PEI: polyethyleneimine; PEICD: PEI-functionalized carbon dots; GPTMS: 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane; DES: deep eutectic solvent.

Wu等[46]将石墨烯量子点嫁接到球形SiO2表面制备出GQDs键合改性球形SiO2固定相。在亲水色谱模式下胸苷、尿苷、腺苷、胞苷和鸟苷等极性化合物可达到基线分离。在反相色谱模式下分离了苯酚、苯胺、酚和多环芳烃。结果表明,这种GQDs改性硅胶固定相对分析物表现出多重相互作用,可根据不同分析物选择对应的色谱模式进行分离。Wu等[47]还将1-氨基乙基-3-甲基咪唑溴ILs作为功能分子修饰到GQDs改性硅胶表面,制备ILs-GQDs-SiO2色谱柱。分别在正相和反相色谱模式下有效分离苯胺、酚类和多环芳烃。另外,还利用离子交换作用分离了5种无机阴离子,亲水色谱模式下分离了生物碱、糖苷、氨基酸等亲水性化合物。

以上均是CDs作为色谱分离材料在非手性分离领域的研究,而CDs在手性分离中也具有一定的研究意义。Wu等[48]初步将GQDs与纤维素和环糊精(CD)结合,制备了两类含有GQDs的手性色谱固定相(CSPs),系统考察了GQDs在手性分离中起到的作用。通过比较,发现GQDs增强了天然CD、CD-3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯衍生物和纤维素-3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯的对映体分离性能。应用分子模型从理论上研究了GQDs在对映体分离中的作用。根据分子模拟结果,当手性选择剂与对映体相互作用时,GQDs提供了额外的相互作用,从而提高了该固定相的手性识别能力。该工作有望在不对称合成、手性催化、手性识别和药物输送等研究领域有所应用。

上述工作均证实CDs无论是直接作为功能单体,还是与前驱体混杂、与离子液体键合,或者作为手性添加剂制备的硅胶色谱固定相。对特定分析物都表现出良好的分离性能,充分发挥了CDs作为色谱分离材料的优势。

2.3 GC

GC具有灵敏度高、应用范围广、试剂消耗少等优点。到目前为止,CDs在GC中的应用较少。Zhang等[49]用氨丙基二乙氧基甲基硅烷做偶联剂,将GQDs涂覆在气相毛细管色谱柱内,成功分离苯乙烯、二甲苯等烷烃化合物和芳烃同分异构体。与商用HP-5和HP-innowax毛细管柱相比,GQDs涂层色谱柱可在低温下快速有效地分离分析物。这也证明CDs在GC中会有很好的应用前景。

3 结论与展望

本文重点介绍了碳点在样品前处理和色谱分离中的应用。将CDs应用于样品前处理,可提高材料分散性,从而增强萃取性能,提高方法的重现性和精密度。另一方面,CDs作为色谱分离材料的改性剂,可增加色谱固定相与被分析物之间的相互作用位点,在一定程度上提高色谱分离选择性。然而,CDs在样品前处理和色谱分离中的应用研究还比较少,存在许多待解决的问题,比如:(1)CDs种类繁多,但是用作样品前处理和色谱分离材料的CDs种类非常有限;(2)将CDs作为色谱分离材料,其分离作用机理尚不明确,主要原因还是CDs的形成机理和结构并不是特别清楚。

因此,在以后的研究工作中,可通过提纯和解析CDs,进一步探索CDs在色谱分离过程中的色谱行为,阐明分离作用机理;开发更多类型的CDs,制备不同种类的CDs结合其他功能分子的复合材料,并将CDs修饰的新型色谱材料有针对性地应用到复杂样品的分离分析中,显著推进其在样品前处理和色谱分离领域的研究进展。