基于多孔金属-有机框架功能材料的液相色谱应用研究进展

冯 婷,杨 涛

（广西中医药大学 药学院，广西 南宁 530200）

液相色谱填充柱主要由固定相和柱管等材料组成，是液相色谱仪的核心部件．固定相填充基质及色谱柱的制备主要决定柱效与分离效果，常见填料基质有硅胶、氧化铝（包含酸性、中性和碱性）、聚合物基质［1-2］，以及氧化锆、氮化物和无机-有机球杂交基球等基质［3］．

随着分离需求多样化及材料研究的发展，色谱柱基质迎来新的拓展选择点．金属-有机框架材料（Metal-Organic Frameworks，以下简称MOFs）是一类具有多孔结构的新型功能化晶态材料，该材料具有比表面积和孔隙率大、孔尺寸可调节性强、空间结构多样、孔道结构规整的特点，在气体吸附与储存［4-5］、分离［6-10］、催化［11］和传感［12］等方面均有应用．相比于上述填料基质，MOFs具有三维周期性均一孔道，作为液相色谱柱填料基质可利用孔道、窗口大小、形状及金属离子、有机配体官能团，与待分离物通过配位及氢键、π―π堆积、静电等弱作用，对待分离物质表现出大小、形状等选择性．Yan及合作者［13］从MOFs材料制备到色谱分离，综述了MOFs在分析化学中的应用．袁自遵及合作者［14］从气相、液相色谱柱种类的角度，综述MOFs色谱柱在分离分析方面的应用．Peluso及合作者［15］综述了基于手性MOFs材料用作色谱柱固定相在对映体分离中的应用．陈莎等人［16］从被分离物质种类的角度，综述MOFs材料作为固定相的分离效果及机理．廖春阳及合作者［6］综述了MOFs材料用作色谱柱固定相，在液相色谱、毛细管电色谱、纳米液相色谱、气相色谱中及其在固相微萃取技术中的应用．秦伟伟等人［9］着重进行MOFs材料与传统色谱材料作为气、液相色谱柱固定相对比综述．方承东等人［17］从手性MOFs在对映体选择性吸附分离和高效液相色谱手性分离两个方面，综述了其在手性拆分中的应用．刘家玮等人［18］从分离手性分子的角度，综述了MOFs作为固定相在气相、液相色谱中的研究进展．刘明琛［19］简述了MOFs及其复合材料在色谱分离领域中应用．肖淑娟等人［10］侧重于MOFs材料复合膜制备进行了综述．

基于近些年MOFs作为固定相在液相色谱分离中的研究，考虑到MOFs色谱柱柱管、填料材料及方式的选择对分离物质及效果有较大影响，以填充材料、方式及柱管选择为切入点，综述不同类型MOFs及其复合材料用作色谱柱固定相在分离分析方面的应用，并对其应用局限性进行分析，提出应用展望．

1 MOFs色谱柱填充方法

色谱柱填装要求填料紧密、稳定、均一，填充效果对色谱柱分离性能和选择性能起着决定性影响．MOFs色谱柱填料填充主要采用高压匀浆法、干法，其色谱柱的信息及分离物质列于表1．高压匀浆法是将填料加入匀浆液中通过超声处理使之形成悬浊液，然后通过高压泵加压将MOFs或其复合材料压进色谱柱中［20］．高压匀浆法装填流程首先是确定柱型以便选择匀浆罐体积，其次选择匀浆液种类，然后依据具体情况选择填料与匀浆液重量比．干法填充可通过少量多次的方式，向柱内加入填料以增加柱效．

表1 MOFs色谱柱的信息及分离物质Table 1 The information and separated substances of MOFs chromatographic column

续表1

2 MOFs色谱柱管材料

色谱柱管材料的选择是根据待分析物的性质和实验条件而定，针对不同待分离物应选用适合的柱管材料．柱管材料有玻璃、石英玻璃、不锈钢和聚四氟乙烯等材质，MOFs色谱柱柱管选择主要为不锈钢及玻璃、石英毛细管柱．玻璃制品具有化学惰性好、柱子柱效高、便于观察填充情况等优点，可适用于分离易分解或具有腐蚀性化合物．但玻璃存在易碎的缺点，而不锈钢柱管材料具有传热性好、柱寿命长、结实耐用特点，刚好弥补了这一缺点．柱管材料确定后，色谱柱内径大小、柱子长短均需要根据分离物质的性质和色谱条件进行具体选择．

3 固定相填料

MOFs用作色谱柱填料有两种形式，一种是将单一MOFs材料直接填充到色谱柱中，另一种是将MOFs制备成复合材料后再装填进色谱柱中．目前研究较多的MOFs复合材料包括MOFs-SiO2复合材料、MOFs-金属纳米颗粒、MOFs-金属氧化物复合材料和MOFs-纳米碳基复合材料等．在液相色谱中运用MOFs-SiO2复合材料是结合利用了MOFs材料的孔道性质可控调节和SiO2具有更强机械操作性的优点，是一种分离性能优异的新型材料，在近些年受到了越来越多的关注与青睐．下面就将从不同的MOF系列来讲述MOFs材料和MOFs复合材料在液相色谱中的应用．

3.1 MOFs材料

3.1.1 MIL系列

MIL（Matériauxs de l’Instut Lavoisier的 简 写）系列是使用较高价态（Al3+，Cr3+，V3+，V4+，Fe3+，Ga3+，In3+，Ln3+）的金属盐与羧酸类配体（两角羧酸类、三角羧酸类、四角羧酸类）配位组合形成的一种金属-有机框架材料．该系列孔道框架稳定，针对不同化合物分离可选择特定的MIL多孔材料．例如De Vos等人［21］使用MIL-47（IV）在298 K时分离乙苯、间二甲苯和对二甲苯等C8烷类化合物，结果表明MIL-47能将乙苯、间二甲苯和对二甲苯选择性分离，对二甲苯和间二甲苯的选择性分离比为3.1∶1，对二甲苯和间二甲苯的选择分离比为9.7∶1．Lin等人［22］采用高压匀 浆 法 制 备MIL-53（Al，Fe，Cr）色谱柱，实验结果表明MIL-53（Fe）用于反相-液相色谱具有较好的选择性与重现性，可用于同时选择性分离萘、苊、苯并（k）荧蒽、蒽、芴、菲六种物质．De Vos等人［23］采用MIL-53（Al）对甲基乙苯异构体、甲基异丙基苯异构体进行分离，结果发现分离效果比MIL-47好，MIL-53对邻甲基乙苯与对甲基乙苯的选择分离比为7.1∶1，而MIL-47的只有1.1∶1．Yan等人［24］在MIL-53（Al）柱上实现乙苯、二甲苯、二氯苯、氯甲苯和硝基苯酚异构体的高效分离．Yan等人［25］继续拓展了MIL-53（Al）作为高效液相色谱柱固定相的应用范围，可用于乙苯和甲苯的分离，芘、萘、菲和蒽等多环芳烃物的分离，硫脲、苯酚、苯胺、苯甲醛、溴苯和萘的分离，邻、间、对苯二醇的分离，苯胺、N，N-二甲基苯胺和间硝基苯胺的分离，黄嘌呤、茶碱和咖啡因的分离．从非极性到极性、从酸性到碱性，MIL-53（Al）对各种分析物都具有高分辨率及良好的选择性、稳定性和再现性．Chen等人［26］将MIL-53（Al）填充柱首次应用在工业生产上，用于分离邻苯二甲酸酯类化合物，研究结果表明MIL-53（Al）对此类化合物具有较高的分离效果及可靠的重复性，然而该柱具有柱效低、高背压的缺点．Millange等人［27］使用MIL-53（Al）用于分离苯系物混合物，研究结果表明分离二甲苯异构体的过程是一个涉及热力学及动力学的复杂平衡过程．Yan等人［28］将MIL-100（Fe）用作正相和反相色谱柱固定相，结果表明，用作正相色谱柱固定相时MIL-100（Fe）对分离氯苯胺异构体、甲苯胺异构体具有良好的选择性和重复性．Tasaki-Handa等人［29］制备了MIL-100（Fe）色谱柱，通过对流动相的改变，可以让该柱显现出反/正相混合型液相色谱柱的性质，仅通过改变乙腈（xA）的含量即可做到．当xA含量≤0.7时，显现出MIL-100（Fe）骨架中芳香环的疏水作用，从而体现反相柱模式；当xA含量≥0.7时，不仅显现出MIL-100（Fe）中芳香环的疏水作用，还显现出Fe（III）的亲水作用，从而体现反/正相混合柱模式．Yan等人［30］将MIL-101（Cr）色谱柱用于乙苯与二甲苯异构体、二氯苯与氯甲苯异构体和乙苯与苯乙烯的分离．研究结果表明，MIL-101（Cr）对分离乙苯与苯乙烯有高柱效和良好精度，并且MIL-101（Cr）可以快速选择性分离出邻位异构体．Yan等人［31］接着利用CH3OH调节孔道极性，即孔道内部的开放的金属位点，然后将改性后的MIL-101（Cr）用作色谱柱固定相，用于分离甲基苯胺异构体，研究结果表明异构体可被高效分离．Yan等人［32］还利用MIL-101（Cr）色谱柱对富勒烯进行分离，研究结果表明该色谱柱可对C60，C70及其它高富勒烯C76，C78，C82，C84，C86和C96进行高效分离．Denayer等人［33］利用MIL-125（Ti）色谱柱分离顺/反双官能化环己烷分子，研究结果表明该色谱柱可对二甲基环己烷异构体和4-乙基环己醇异构体进行高选择性分离．

3.1.2 UiO系列

UiO（University of Oslo的简写）由更高价态的金属离子（Zr4+，Hf4+）与羧酸类配体配位组合形成的一种多孔金属-有机框架材料．其中UiO-66结构由含锆的正八面体［Zr6O4（OH）4］的12个连接点与苯二甲酸有机配体相连，形成包含八面体中心孔笼和八个四面体角笼的三维微孔结构．UiO-66可用于正相和反相液相色谱中．Rodrigues等人［34］利用不同形状（粉末状、凝聚状、片状）UiO-66材料作为固定相填充色谱柱，并利用该柱对二甲苯异构体进行分离．研究结果表明，凝聚状UiO-66色谱柱对邻二甲苯表现出强选择性分离，即使在313 K高温时对邻二甲苯与间二甲苯的选择性分离比为1.8∶1，对邻二甲苯与间二甲苯的选择性分离比可达2.4∶1．Zhou等人［35］通过研究发现苯、二甲苯和苯乙烯等取代苯在反相UiO-66-NH2色谱柱能够很好地分离，但在UiO-67正相色谱柱上却不能，而芘、萘、菲和蒽等多环芳烃在UiO-67正相色谱柱能较好的分离．

3.1.3 MOF-n系列

MOF-n系列是利用苯环上羧酸取代的线型配体或三角羧酸类配体与金属离子（主要是二价的过渡金属）配位结合而成的一种金属-有机框架材料．Matzger等人［36］采用MOF-5柱可较好的分离1，3，5-三（4-溴苯基）苯、萘和芘．MOF-n系列用作液相色谱柱固定相的报道较少，可能原因在于MOF-n系列材料在造粒填充阶段稳定性较差兼之生产成本较高．

3.1.4 ZIF-n系列

ZIF（zeolite imidazolate framework的简称）系列是模仿分子筛中O―Si―O键的键角（145°），利用咪唑类配体与二价过渡金属离子自组装，构筑得到ZIF-n系列金属-有机框架．Hatton等人［37］通过实验发现，ZIF-8色谱柱可较好的分离含N―H键的小分子化合物，这可能是ZIF-8对此类化合物的吸附作用较大．Du等人［38］采用乳糖酸修饰ZIF-90材料，得到手性毛细管色谱柱，用其对普萘洛尔、美托洛尔、阿替洛尔、比索洛尔和索他洛尔进行对映体分离，分离效果显著．

3.1.5 HKUST-1

HKUST-1由Williams等人［39］利用苯三甲酸和硝酸铜反应首次合成得到，其分子式为Cu3（BTC）2，依据其结构开发出来的商品名为Basolite C 300．Matzger等人［36］利用HKUST-1色谱柱研究其对苯乙烯、萘、芘、1，3，5-三苯基苯和1，3，5-三（4-溴苯基）苯的分离效果．研究结果表明，其对以上化合物具有形状和尺寸选择性．Chen等人［40］将HKUST-1晶体长在毛细管柱中，并利用此柱研究甲苯、乙苯、苯乙烯、氯苯、溴苯、邻二氯苯、苯系物、酚酸和苯甲酸衍生物等取代苯的分离，研究结果表明该柱对甲苯柱效率高达1.5×105N/m．由于金属-有机框架材料的外观形状不规则，填充进入色谱柱时颗粒与颗粒之间的空隙比较大，使得到的色谱柱柱效较低，而在色谱柱内部原位生长晶体材料，不失为一种提高柱效的好方法．

3.1.6 手性MOFs

手性MOFs利用手性配体与金属离子合成得到，孔道中具有规律分布的单一手性源，可对外消旋化合物具有手性识别能力与分离．Vidal-Ferran等人［41］利用对水稳定的TAMOF-1手性柱，分离布洛芬消旋体．研究结果表明：TAMOF-1手性柱对6.9 mg的S及R构型的布洛芬消旋体的分离产率分别达到99%和92%，ee＞99%；手性MOFs材料的合成达到千克级，可用于工业规模化生产．饶高雄等 人［42］采 用［Cd（LTP）2］n，［（C48H80O40）（KOH）2（H2O）2］n和［Zn2（bdc）（L-lac）（dmf）］·DMF三种不同结构的手性MOFs色谱柱对五种消旋体样品进行分离并对比研究发现：［Cd（LTP）2］n仅手性识别出1，2-二苯乙醇酮，而［（C48H80O40）（KOH）2（H2O）2］n可 部 分 分 离 扁 桃 酸 外 消 旋 体；［Zn2（bdc）（L-lac）（dmf）］·DMF对苯基甲基亚砜和3，5-二硝基-N-（1-苯乙基）苯甲酰胺起到分离作用，而对1-（9-蒽基）-2，2，2-三氟乙醇只表现出了手性识别作用．Yuan等人［43］研究［In3O（obb）3（HCO2）（H2O）］作为固定相在气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）和毛细管电色谱（CEC）中的实验比较．结果发现，在呋喃、3，5-二硝基-N-（1-苯乙基）苯甲酰胺、奥美拉唑和布洛芬等对映体分离过程中，手性MOFs对GC，HPLC和CEC三种色谱柱表现出不同的手性识别能力，说明同一MOFs可在不同种类色谱柱中体现出不一样的识别与分离能力．Yuan等人［44］通过实验证明［Cd2（d-CAM）3］·2Hdma·4dma色谱柱对某些芳醇对映体具有良好的手性识别能力，特别是可对（±）-1-（1-萘基）乙醇有较好的分离效果．

除了MOFs材料外，还有一些新合成得到的材料应用到液相色谱柱中．例如，Chen等人［45］在DUT-67（Zr）色谱柱上实现了对二甲苯异构体和邻苯二甲酸酯的基线分离，与UiO-66，MIL-53和MIL-101材料不同，DUT-67（Zr）在高温下及低保留时间下依然对二甲苯异构体和邻苯二甲酸酯类化合物具有高选择性．Xu等人［46］利用Cd（L）（bpy）·4.5H2O·3DMF色谱柱，可依据大小选择分离罗丹明6G和亮蓝R-250染料．Wu等人［47］合成得到一种具有双重互穿的3，5，6-连接三维框架材料｛Cu3L2（4，4’-BPD）［NH（CH3）2］·7DMA·12H2O｝n（YCZ-1），其可用于离硝基苯、二硝基苯混合物及二甲苯、二硝基苯混合物．

3.2 MOFs复合材料

MOFs复合材料填充柱结合了MOFs材料高效的分离性及基体材料良好的装填性．

3.2.1 MIL系列复合材料

Yusuf等 人［48］制 备 了 一 种负 载 有MIL-53（Al）的甲基丙烯酸己酯-二甲基丙烯酸共聚乙烯酯整体毛细管柱．与整体柱相比，负载了MIL-53（Al）材料的色谱柱具有更多的微孔结构，提高了甲苯、乙苯和丙苯等小型芳香族化合物的分离效率．Herrero-Martínez等 人［49］先 合 成 了NH2-MIL-101（Al，Cr，Fe），同时探索制备整体柱的途径．第一种途径，将NH2-MIL-101（Al，Cr，Fe）分散在N，N-二甲基甲酰胺中，将得到的悬浊液通入填装有聚合物的色谱柱，使NH2-MIL-101吸附在聚合物孔表面，该操作简单方便，但NH2-MIL-101覆盖在聚合物表面的量非常少；第二种途径，将NH2-MIL-101（Al，Cr，Fe）与聚合原料单体混合，再通过紫外光照射引发聚合，NH2-MIL-101材料被包裹在聚合材料中后再进行装柱，利用该柱对尿嘧啶、萘、芴、蒽、芘等多环芳烃进行分离，其可将尿嘧啶与其它物质分开．

3.2.2 UiO系列复合材料

Zhang等人［50］将NH2-UiO-66分散在乙醇中得到悬浊液，然后将此悬浊液注射到含有聚合物p GMA（poly glycidyl methacrylate）的毛细管中，制得一种开管毛细管液相色谱柱．该色谱柱可分离苯酚、1，4-苯二醇、1，3-苯二醇、1，2-苯二醇、1，2，4-苯三醇，并成功从甘草分离黄酮类化合物．Arrua等人［51］采用微波辅助溶剂热合成法制备UiO-66@SiO2核壳微米级球型颗粒材料，研究发现UiO-66@SiO2色谱柱可对二甲苯异构体、取代苯和多环芳烃进行高效分离．Yang等人［52］使用UiO-66/NH-MA@CLM复合物填装液相色谱柱，其可对硫脲、苯、甲苯、乙苯、丙苯、丁苯、戊基苯高效分离，对苯胺、苯酚、苯甲酸进行分离，对间苯二甲酸、对苯二酚、间苯二酚、儿茶酚进行分离，对肽标准混合物（血管紧张素II、含脑炎、亮氨酸脑炎、缬氨酸-酪氨酸-缬氨酸、甘氨酸-酪氨酸）进行分离，对完整蛋白质（核糖核酸酶A、细胞色素C、溶菌酶、乙酰胺、肌红蛋白）、色氨酸和苯丙氨酸进行分离，说明该柱可同时分离具有不同理化性质的小分子和大分子物质．Qiao等人［53］制备UiO-67@SiO2核壳材料填充到液相色谱柱中，用于苯胺、烷基苯和多环芳烃等疏水性化合物和硫脲亲水性化合物的分离，结果发现该柱对它们均具有选择性，同时还尝试将该柱检测湖水样品中的污染物．

3.2.3 MOF-n系列复合材料

Wang等人［54］利用具有二维网状结构的MOFFDM-23与活化好的硅胶一起制备MOF-FDM-23@silica复合材料，该材料填装进入色谱柱后，对酰胺类、生物碱、抗生素和氨基酸类等极性化合物具有良好的分离效果．Wang等人［55］利用MOF-235和聚乙二醇聚合物（PEG）对二氧化硅微球进行分步修饰后得到MOF-235@PEG@silica复合材料，该材料填充的液相色谱柱可用于磺胺类、生物碱类、核苷类、抗生素类化合物的分离．Liang等人［56］用MOF-235和聚乙烯吡咯烷酮对二氧化硅微球进行分步修饰后得到MOF-235@PVP@silica复合材料，这样的修饰有助于抑制硅醇活性、增强复合材料的耐受性及提高原始金属-有机骨架固定相的水稳定性，该材料填充的液相色谱柱可用于生物碱、磺胺类、抗生素和多环芳烃等物质的分离．

3.2.4 ZIF系列

De Conto等人［57］利用ZIF-8（商品名为Basolite Z1200）和PEI（PEI，Poly-ethylenimined的简写）与三-3，5-二甲基苯基氨基甲酸酯直链淀粉一起制备获得手性ZIF-8-PEI-CA复合物，该手性柱虽不能分离但可验证检测Troger碱外消旋混合物中存在的对映体．Wang等人［58］研究不同硅胶孔径对ZIF-8吸附作用的影响．研究结果表明，ZIF-8在孔径为80 nm的硅胶上可高度均匀分散，利用制备好的ZIF-8@SiO2复合材料色谱柱分离对苯二酚和对苯醌的分离比可达到5.47∶1．余云艳［59］制备手性Dhis-ZIF-8@SiO2核壳微球，将其作为色谱柱固定相，D-his-ZIF-8@SiO2手性色谱柱可对18种手性化合物（醇类、酚类、胺类、酮类、有机酸类等）进行快速高效的分离．

3.2.5 HKUST-1复合材料

De Vos等人［60］将HKUST-1负载到多孔二氧化硅中，制备得到MOF@SiO2复合球型材料，该材料色谱柱可对乙苯、苯乙烯较好分离．Nuzhdin等人［61］制备出HKUST-1@SiO2复合材料，该材料的色谱柱能有效分离环己烷中的环己烯或苯．

4 总结与展望

综上所述，金属-有机框架材料作为液相色谱固定相填充材料，得到不断深入的研究．从研究方向进展来看，研究人员在不断的解决应用过程中遇到的问题．研究进展亦得到认可，特别通过核-壳材料的构建解决材料形状不规则的问题，使得该材料应用范围更加广泛．然而，依然存在一些问题需要科研人员的进一步努力．例如，金属-有机框架材料色谱柱塔板效率较低的问题，如何能让金属-有机框架材料在核-壳材料中的均匀分布的问题，一些金属-有机框架材料在分离应用中具有较大的潜力但是工业规模化合成困难、生产成本高的问题，如何更好的将金属-有机框架材料色谱柱应用到更复杂化合物分离的问题．综上文献研究，科研人员都在努力的解决这些问题，每一个问题都有了尝试性的对策．但是，对如何同时统筹解决以上限制金属-有机框架材料色谱柱发展的问题，目前还没有明确的思路．在柱管材料选择方面，可以考虑应用具有内衬有玻璃的不锈钢高效液相色谱柱［62-63］，此类柱管兼容玻璃内衬的可修饰性及不锈钢的耐高压特性．

色谱柱的制备是以分离待分离物为目标的．应深入研究MOFs色谱柱对待分离物的作用机理、透析MOFs孔道结构与优势、拓展开发MOFs材料及其复合材料，而不应仅限于使用已经报道的MOF材料，最终的目标是能根据待分离物定向设计金属-有机框架材料材料．在分离应用领域方面，有对较复杂性质相近的某一类同系物（如中药药效成分，天然药化成分）进行分离研究需求，这正是有可能可以通过对金属-有机框架材料合理设计及对色谱柱填充工艺恰当改进而达到．MOFs色谱柱的应用范围将不断扩大，如何利用MOFs色谱柱空间结构分离中药复杂成分，不但有助于拓展MOFs材料在色谱分离中的应用范围，而且有助于中药资源的长期发展．