潘聪洁,　王伟峰,　陈兴国,3*

(1. 兰州大学化学化工学院, 甘肃 兰州 730000; 2. 功能有机分子化学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000; 3. 甘肃省有色金属化学与资源利用重点实验室, 甘肃 兰州 730000)



毛细管电泳在手性化合物分离中的应用进展

潘聪洁1,2,王伟峰1,2,陈兴国1,2,3*

(1. 兰州大学化学化工学院, 甘肃 兰州 730000; 2. 功能有机分子化学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000; 3. 甘肃省有色金属化学与资源利用重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

摘要:由于手性化合物尤其是手性药物的两个对映体具有不同的化学性质和生理活性,对手性化合物进行分离在医药、生物、食品和环境等领域都具有十分重要的意义。毛细管电泳由于其独特的优势已广泛应用于手性物质的分离。本文对2013～2015年毛细管电泳用于手性分离的最新进展进行了综述,并对其发展前景进行了展望。

关键词:毛细管电泳;手性分离;进展;综述

手性是自然界的本质属性之一。由于手性化合物尤其是手性药物的两个对映体具有不同的化学性质和生理活性,有关手性物质的分离研究一直受到高度的关注,已成为分离科学领域的一个重要分支。目前用于手性物质分离的方法主要有HPLC法[1]、GC法[2]和CE法[3]等。作为20世纪80年代初发展起来的一种微型分离分析技术,毛细管电泳经过30年的发展,已广泛应用于医药、食品、环境和生物等领域。与HPLC和GC相比,由于CE具有分析速度快、操作简单、样品和试剂用量少以及分离模式多等优点[4,5],引起了人们的广泛关注。近年来,对不同类型手性物质进行分离已成为CE最富有特色的研究和应用领域之一。随着材料科学的迅猛发展,新型手性功能化材料(如功能化纳米颗粒和手性金属有机骨架材料等)在毛细管电泳分离手性物质中的应用日益广泛,如将其添加到运行缓冲液中作为手性选择剂,或通过物理吸附或化学键合的方式将其涂覆在毛细管内壁来对目标分析物进行手性分离。此外,传统的手性选择剂如环糊精(CD)[6,7]、冠醚[8]和大环抗生素[9]等近年来在手性分离方面也仍有应用。本文对2013～2015年毛细管电泳在手性物质分离中的应用进行了综述并对该领域今后的发展做了展望。

1涂层毛细管在手性分离中的应用

1.1开口柱

金纳米颗粒具有制备简单、粒径可控、尺寸分布窄、水溶性好和易于修饰等特点。因此,利用手性选择剂如环糊精等对金纳米颗粒进行修饰,并将其作为开口毛细管电色谱(OT-CEC)的手性固定相对手性化合物进行分离,在理论上是可行的。Li等[10]将巯基化β-环糊精(β-CD)修饰的金纳米颗粒(CD-GNPs)作为手性固定相,制备了CD-GNPs修饰的开口毛细管电色谱柱,建立了分离扑尔敏、吡唑酮和托品酰胺对映体的毛细管电色谱方法。

Kitagawa等[11]用粒径在300～700 nm的金鸡纳(CCND)纳米晶体作为手性固定相制备了CCND涂覆的OT-CEC柱,并以此毛细管柱为分离通道实现了对N-(3,5-二硝基苯甲酰)-D,L-亮氨酸和D,L-苯丙氨酸对映体的分离。

蛋白质作为一种天然的生物聚合物,因具有独特的三维结构以及多个手性识别位点被广泛应用于手性分离中。近年来,牛血清白蛋白(BSA)在毛细管电色谱手性分离方面的应用受到了科研工作者的关注。Wang等[12]将BSA修饰的聚苯乙烯纳米颗粒(PS/BSA)通过共价键合方式涂覆在毛细管内表面制备了PS/BSA修饰的OT-CEC柱,并通过此毛细管柱实现了D,L-色氨酸、D,L-酪氨酸和杀鼠灵的分离。Liu等[13]将BSA作为手性选择剂应用到聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片开口毛细管电色谱柱中,与未修饰的PDMS微流控芯片相比,BSA修饰的芯片具有更好的湿润度和更稳定的电渗流,并能减少特异性吸附。用聚多巴胺/牛血清蛋白(PDA/BSA)涂覆的芯片OT-CEC柱可在130 s内实现D,L-色氨酸的分离。该课题组[14]还以聚多巴胺/氧化石墨烯(PDA/GO)为基底制备了BSA修饰的OT-CEC柱,实现了D,L-色氨酸、苏氨酸和二肽Gly-D-Phe/Gly-L-Phe的手性分离。

聚合物OT-CEC柱一般是以单体、交联剂、引发剂和致孔剂等在毛细管内通过热或光引发制备而成。目前常用的聚合物整体柱单体有甲基丙烯酸酯类、丙烯酰胺类、苯乙烯类和乙烯基树脂类等。由于这几种单体易得且容易被功能基团修饰,因而常用于聚合物整体柱的制备。将具有手性识别能力的有机分子通过化学修饰负载于常规聚合物OT-CEC柱内表面,可获得具有手性分离性能的聚合物OT-CEC柱。Aydogan等[15]以3-氯-2-甲基丙烯酸羟丙酯为单体,制备了以L-组氨酸修饰的触角型聚合物为手性固定相的OT-CEC柱,并以L-组氨酸为选择剂,Cu2+为中心离子,通过配体交换模式用此OT-CEC柱实现了6对氨基酸对映体的手性分离。之后,该课题组[16]又以此OT-CEC柱为分离通道,基于配体交换机理对苹果酸对映体进行了手性分离,测定了苹果汁中D,L-苹果酸的含量。Hearn等[17]以S-酮洛芬为模板、4-乙烯基吡啶为单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,在毛细管内通过发光二极管紫外线照射引发聚合反应,制备了多孔层状分子印迹聚合物涂覆的开口毛细管柱(MIP-PLOT),并以酮洛芬为模型化合物对此毛细管柱的手性分离性能进行了评价。

金属有机骨架材料(MOFs)是一种新型的由有机配体与金属离子通过自组装形成的具有孔径可调节性质的结晶材料,因其具有比表面积大、热稳定性好、结构多样性和孔隙可调等特点已被用于气体吸附[18]、药载[19]、催化[20]和分离[21]等方面。近年来,MOFs在色谱分离方面的应用引起了人们的广泛关注。Fei等[22]首次采用动态涂层方法将纯手性螺旋结构的MOFs材料[Zn2(D-Cam)2(4,4′-bpy)]n作为手性固定相涂覆在毛细管内表面,制备了手性MOFs涂覆的OT-CEC柱,并将此柱成功应用于手性化合物黄烷酮、喹诺酮、硝基酚以及紫罗酮位置异构体的分离。此后,该课题组[23]又将手性MOFs材料CPM-14(crystalline porous materials-14)分别用作GC、HPLC和CEC的手性固定相,并比较了其对对映体的手性分离效果。结果表明,手性MOFs材料CPM-14作为固定相在GC、HPLC和CEC操作模式下均表现出良好的手性识别能力。

本课题组[24]在室温下使用原位合成和层层自组装方法制备了纯手性MOFs材料AlaZnCl涂覆的OT-CEC柱,并成功将此毛细管柱应用于4种单胺类神经递质肾上腺素、去甲肾上腺素、异丙肾上腺素和脱氧肾上腺素以及2种手性药物特布他林和卡维地络的手性分离。采用该方法制备毛细管柱具有制备条件温和(室温制备)、原位合成方式可控和耗时较短等优点。本课题组还对所制备的毛细管柱的稳定性进行了研究,结果表明此毛细管柱连续使用100次后分离效率无明显变化,且柱与柱之间重现性好。

1.2整体柱

手性分子功能化的纳米颗粒不仅可添加到运行缓冲液中作为准固定相来对目标分析物进行手性分离,也可作为整体柱固定相来对目标化合物进行手性分离。Park等[25]将磷酸化的β-环糊精修饰的氧化锆(PCDZM)作为手性固定相制备了毛细管电色谱整体柱,并以此为分离通道实现了4种碱性手性化合物美托洛尔、舍曲林、西酞普兰和阿替洛尔的分离。此后,该课题组又通过溶胶-凝胶方法制备了万古霉素修饰的二氧化硅整体柱[26]和克林霉素磷酸盐修饰的二氧化硅/氧化锆有机-无机杂交手性毛细管电色谱整体柱[27],并将其分别应用于6种β-阻断剂和8种碱性手性药物的分离。近来,该课题组还制备了奎宁修饰的二氧化硅/氧化锆毛细管整体柱(QUI-S/ZHM),将其成功应用于10种酸性药物对映体和二硝基苯甲酰-氨基酸的手性分离[28]。

与聚合物OT-CEC柱类似,聚合物整体柱也可通过在毛细管内原位引发聚合反应来制备。Aydogan等[29]通过在毛细管内原位引发聚合反应制备了N-甲基丙烯酰氯-L-组氨酸甲酯修饰的聚甲基丙烯酸酯毛细管整体柱,将其成功应用于对D,L-苯丙氨酸、D,L-酪氨酸和D,L-色氨酸3种芳香类氨基酸的手性分离。Li等[30]将β-环糊精修饰的金纳米颗粒(AuNPs)通过共价键合方式修饰到巯基化的多孔聚合物整体柱的表面,制备了β-CD-AuNPs修饰的手性聚合物整体柱,实现了对扑尔敏、唑吡酮和托吡卡胺3对药物对映体的分离。

1.3填充柱

毛细管填充柱(packed-CEC)作为CEC分离模式中的一种,在手性分离方面也得到了一定的应用。Wu等[31]以(-)-18-冠-6-2,3,11,12-四羧酸修饰的二氧化硅为手性固定相填充材料制备了毛细管填充柱,利用该填充柱实现了16种氨基酸对映体及其衍生物的手性分离。此外,该工作还对分析物的结构和分离度之间的相互关系进行了考察,结果发现对位卤素取代的苯丙氨酸的分离度随卤素取代基团的增大而增加(F

2添加剂在手性物质分离中的应用

2.1纳米粒子

纳米粒子因具有较大的比表面积和良好的生物相容性等特点而被广泛应用于分离科学领域。常用的纳米粒子包括硅纳米粒子、碳纳米粒子、聚合物纳米粒子和金属纳米粒子等。用手性分子对纳米粒子进行功能化可得到手性功能化纳米粒子,将其添加到运行缓冲溶液中作为准固定相,通过其与待分离手性物质分子间的相互作用实现目标分析物的手性分离。

Yue等[34]以L-色氨酸为模板制备了具有良好分散性的分子印迹硅纳米颗粒(MI-SiNPs),将其添加在缓冲溶液中作为伪固定相,实现了色氨酸的手性分离。在最优条件下,色氨酸能在10 min内获得基线分离,分离度为2.73,峰形对称。Guo等[35]以β-环糊精和聚酰胺树形分子修饰的硅纳米粒子(SNP-PAMAM-β-CDs)作为毛细管电泳手性伪固定相,建立了分离扑尔敏、奈福泮和异搏定这3种外消旋药物的毛细管电泳方法。与单独以β-环糊精为添加剂时相比,加入SNP-PAMAM-β-CDs后,对奈福泮和异搏定的手性分离效果均得到明显改善。Zhang等[36]考察了以手性离子液体涂覆的多壁碳纳米管(ILs-MWNTs)和硫酸软骨素(CSE)共同作为手性选择剂对5种药物对映体的手性分离能力。结果表明,与单独使用CSE相比,添加ILs-MWNTs不仅可改善对映体的手性分离效果,而且能改善分析物的峰形。其原因是ILs-MWNTs不仅可减少分析物在毛细管内壁的吸附,而且可提供较大的比表面积以增加CSE的吸附,进而使分析物充分与手性选择剂发生作用。

2.2DNA寡核苷酸

核酸是由许多核苷酸聚合成的生物大分子,是生命的最基本物质之一。核酸广泛存在于动植物细胞、微生物体内。虽然核酸具有的手性特性以及丰富的二、三级结构使其可能具有很好的手性识别能力,但其在手性分离中的应用目前还比较少。Tohala等[37]首次选用不同碱基组成、不同结构的DNA寡核苷酸(ONs)作为手性选择剂,考察了毛细管电泳对20余种手性药物的分离能力。结果表明,所使用的各种ONs不仅有良好的手性选择作用,而且通过控制DNA的构型可改变对映体的出峰顺序,用D-型DNA为手性选择剂时,D-型对映体先出峰,反之则L-型对映体先出峰。

2.3手性离子液体

离子液体是在室温或接近室温下呈现液态、完全由阴阳离子组成的盐,一般由有机阳离子和无机阴离子组合而成。离子液体具有可操作温度范围宽、热稳定性和化学稳定性良好、离子迁移和扩散速度快等独特性能。将手性基团引入离子液体中可获得手性离子液体。由于手性离子液体结合了离子液体和手性物质的优点和特性,其作为手性溶剂已成功应用于气相色谱[38]、液相色谱[39]和毛细管电泳[40]等领域。目前,手性离子液体在CE手性物质分离中的应用主要集中在单独以手性离子液体作为添加剂和以手性离子液体及传统手性选择剂(如环糊精等组成的双手性选择剂)体系对手性物质进行分离两方面。

黄露等[41]以手性离子液体1-乙基-1-甲基咪唑-L-乳酸盐([EMIM][L-Lac])作为手性配体,将其应用到配体交换毛细管电泳手性分离中,在15 min内成功实现了色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸对映体的分离。结果显示,离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(EMIM-Ace)虽然也能使色氨酸的分离得到很大的改善,但迁移时间延长至30 min以上。Zhang等[42]合成了L-赖氨酸衍生的离子液体(AAILs),将其作为手性配体应用于锌离子配合物的配体交换毛细管电泳中,以此手性离子液体为添加剂,在100 mmol/L硼酸、5 mmol/L醋酸铵、3 mmol/L硫酸锌、6 mmol/L 1-己基-3-甲基咪唑 L-赖氨酸([C6mim][L-Lys])和pH 8.2的条件下实现了7对丹酰化氨基酸对映体的基线分离。该作者还将Zn(Ⅱ)-[C6mim][L-Lys]体系和Zn(Ⅱ)-L-Lys体系的手性分离能力进行了比较,结果表明Zn(Ⅱ)-[C6mim][L-Lys]体系手性分离能力更好。Liu等[43]以四甲基铵-L-羟基脯氨酸作为手性配体用于配体交换毛细管电泳手性分离体系中,实现了7对芳香氨基酸模型化合物的分离,其中色氨酸的分离度为3.03, 3,4-二羟基苯丙氨酸的分离度为4.35。

Zhang等[44]研究了L-丙氨酸和L-颉氨酸-三丁酯二(三氟甲烷)-磺酰亚胺离子液体手性选择剂与β-环糊精衍生物用于毛细管电泳分离手性物质中的协同作用。结果表明,与单独使用环糊精衍生物作手性添加剂相比,加入手性离子液体后10种手性药物的手性分离效果均得到明显改善。该课题组还研究了四甲基铵-L-羟基脯氨酸手性离子液体和抗生素手性选择剂磷酸克林霉素(CP)双手性添加剂体系在毛细管电泳分离脯氨酸等4种手性物质中的协同分离能力[45],与单独以四甲基铵-L-羟基脯氨酸或CP为手性添加剂相比,四甲基铵-L-羟基脯氨酸和CP协同体系的手性分离效果改善显著。Wu等[46]以β-环糊精和手性离子液体[TBA][L-ASP]为手性选择剂在6 min内实现了D,L-苯丙氨酸和D,L-色氨酸的手性分离。Zuo等[47]以手性离子液体1-乙基-3-甲基咪唑-L-乳酸和β-环糊精为手性选择剂对12种药物对映体进行了手性分离,并成功用于唑吡酮药片中有效成分药物手性纯度的分析。

2.4环糊精

环糊精是由D-吡喃型葡萄糖基通过α-糖苷键形成的一种环状的寡聚糖,主要有α-、β-和γ-环糊精3种。由于其配合能力很强,紫外吸收较弱且廉价易得,已成为CE分离手性物质中应用最广泛的一类手性选择剂。

Li等[48]以β-环糊精和带负电的羧甲基-β-环糊精(CM-β-CD)为手性选择剂,建立了同时分离2-氨基-1-苯基乙醇、1-(4-甲氧苯基)-2-(甲胺)乙醇、硫酸沙丁醇胺和盐酸索他洛尔4种手性药物的毛细管电泳方法,并通过等温滴定量热(ITC)、核磁共振(NMR)和分子模拟等方法对手性识别机理进行了研究。ITC结果表明,与β-CD相比,CM-β-CD的手性识别驱动力主要源于其和带正电的分析物之间的静电相互作用,NMR和分子模拟的结果进一步证实了此作用。Guan等[49]以羟丙基-β-CD和铜(Ⅱ)-L-组氨酸复合物为双手性选择剂对泮托拉唑以及相关的苯并咪唑类物质如泰妥拉唑、兰索拉唑和奥美拉唑等进行了手性分离,所有对映体均在20 min内达到基线分离,且分离度在3.9～6.2之间。Yu等[50]以乳糖酸克拉霉素和环糊精(葡萄糖-β-CD、羟乙基-β-CD、甲基-β-CD和羟丙基-β-CD)为双手性选择剂对奈福泮进行了分离。与使用单一手性选择剂相比,对奈福泮对映体的分离明显改善,其分离度分别为3.58、2.72、1.49和1.42。

3结论与展望

近年来,毛细管电泳技术在手性分离方面已经展现出了独特的优势并得到了一定应用。随着新型手性选择剂和涂层材料的发展,毛细管电泳以其独有的优势在手性分离中得到越来越广泛的应用。虽然手性毛细管电泳技术应用日益广泛,但也存在浓度灵敏度较低、检测窗口较窄、涂层材料自身的紫外吸收以及光散射产生的背景干扰和手性识别机理研究较薄弱等问题。未来毛细管电泳技术在手性分离方面的研究应围绕以下几点展开:1.结合理论分析、理论计算和表征技术等对手性识别机理进行深入研究。2.通过开发、设计与分析物具有特异性相互作用的新型手性选择剂和功能基团修饰的新型材料,建立高选择性的毛细管电泳手性分离新方法。开展在线富集技术研究,提高毛细管电泳手性分离测定方法的灵敏度。3.深入开展毛细管电泳手性分离技术在生命分析化学领域的应用研究。

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Recent developments of chiral separation by capillary electrophoresis

PAN Congjie1,2, WANG Weifeng1,2, CHEN Xingguo1,2,3*

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2. State Key Laboratory of Applied Organic Chemistry, Lanzhou 730000, China; 3. Key Laboratory of Nonferrous Metal Chemistry and Resources Utilization of Gansu Province, Lanzhou 730000, China)

Abstract:As the two enantiomers of chiral compounds have different chemical and physiologic properties, the enantioseparation of chiral compounds is of great significance in the fields such as medicine, biology, food and environment. Hence, the enantioseparation of different types of chiral compounds has become one of the hottest research topics in recent years. Capillary electrophoresis, owing to its unique advantages, has a wide application in the enantioseparation field recently. In this review, the latest research progresses in capillary electrophoresis enantioseparation are summarized from 2013 to 2015, and the future developments in this field is also prospected.

Key words:capillary electrophoresis (CE); enantioseparation; progress; review

DOI:10.3724/SP.J.1123.2015.09002

*收稿日期:2015-09-02

基金项目:国家自然科学基金项目(21375053).

中图分类号:O658

文献标识码:A

文章编号:1000-8713(2016)01-0016-05

色谱手性分离专刊·专论与综述

*通讯联系人.E-mail:chenxg@lzu.edu.cn.

Foundation item: National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21375053).