易高圯, 紀柏安, 夏之寧, 付琦峰*

(1. 西南醫(yī)科大學藥學院, 四川 瀘州 646000; 2. 重慶大學藥學院, 重慶 401331)

在毛細管電泳(CE)分離分析技術(shù)的研究中,原始的熔融石英毛細管只能提供陰極流向的電滲流(EOF),容易引起樣品分離時間窗口過小等問題[1,2]。毛細管內(nèi)壁硅羥基解離程度的易變性也容易致使CE分離的重現(xiàn)性變差。另一方面,由于靜電及疏水等相互作用,未修飾熔融石英毛細管容易吸附蛋白質(zhì)等荷正電的化合物,進而引起峰形拖尾、分離效率降低等問題。此外,更重要的是熔融石英毛細管內(nèi)壁只含有親水性硅羥基,功能單一,無法提供疏水、π-π堆積、陽離子-π以及親和作用等色譜保留機制,不能滿足各類復雜樣品體系尤其是中性和手性樣品的分離需求。因此,有必要在CE中引入各種毛細管內(nèi)壁功能化改性策略,以拓展其實際應用潛力。常見的改性策略主要分為物理吸附涂層[3]和化學鍵合涂層[4]。其中,物理吸附涂層通過靜電相互作用、范德華力和氫鍵等作用將聚電解質(zhì)[5]、羧甲基殼聚糖[6]和納米硅[7]等固定相吸附于毛細管內(nèi)壁,制作方法較為簡便。但是該策略制備的固定相普遍穩(wěn)定性較差,使用壽命較短,阻礙了其在CE中的廣泛應用。化學鍵合涂層與毛細管內(nèi)壁之間的結(jié)合更加牢固,涂層穩(wěn)定性更好,使用壽命較長[1,8],但是也存在制備過程繁雜、耗時等缺點。

多巴胺(DA)在弱堿性條件下自發(fā)氧化聚合形成的貽貝仿生聚多巴胺(PDA)涂層在幾乎所有種類的基底表面都具有較強的黏附性能且制備過程簡便易行[9]。除了強黏附性之外,PDA涂層由于富含酚羥基、氨基等活性功能基團,還可作為反應平臺進行二次表面修飾,既能與多種金屬離子發(fā)生螯合或氧化還原反應,亦可與含有巰基或氨基基團的分子發(fā)生邁克爾加成或席夫堿反應,進而制備出相應的功能化表面涂層材料。由于PDA功能化涂層的制備過程與物理吸附涂層一樣簡便,而表面黏附涂層的穩(wěn)定性又可與共價鍵合涂層相媲美[10],因此非常適用于毛細管內(nèi)壁的功能化修飾。2008年,Yin等[11]首次基于PDA的強黏附性質(zhì),制備了PDA涂層開管毛細管電色譜(OT-CEC)柱,并用于生長素的分離分析。此后,PDA涂層材料在CEC中的巨大應用價值逐漸得到了研究者們的廣泛關注。

圖 1 聚多巴胺及其衍生材料在毛細管電色譜中的應用示意圖Fig. 1 Schematic of the application of polydopamine (PDA) and its derivation materials in capillary electrochromatography (CEC)OT: open-tubular.

本文綜述了近幾年PDA涂層材料在CEC領域的主要應用,首先概述了近3年PDA的形成機理及其表面化學的最新發(fā)展,然后總結(jié)了近10年PDA涂層材料在CEC中的應用進展,主要包括PDA涂層OT-CEC柱的制備與應用和PDA功能化整體柱的制備與應用(見圖1)。

1 聚多巴胺表面化學的最新進展

1.1 聚多巴胺的形成機理

PDA由DA氧化自聚合得到,自2007年PDA類材料被首次報道以來,有關PDA形成機制的研究已有很多,但迄今為止尚未完全闡明PDA的結(jié)構(gòu)和形成機制。近年來,關于PDA結(jié)構(gòu)的研究不斷深入,但PDA的精確結(jié)構(gòu)仍有待確定。Bielawski等[12]采用固體光譜和晶體學技術(shù)對PDA結(jié)構(gòu)進行了分析,提出PDA不是一個共價聚合物,而是中間產(chǎn)物5,6-二羥基吲哚(DHI)單體通過電荷轉(zhuǎn)移、π-堆積和氫鍵等相互作用結(jié)合在一起形成的超分子聚合體。具體來說,DA在堿性條件下先自氧化成多巴胺醌,通過邁克爾加成反應,分子內(nèi)環(huán)化及氧化重排生成DHI, DHI相互聚合形成一系列低聚物,再通過π-π相互作用等組裝成超分子聚合體,即PDA。2016年,丁國生研究組[13]概述了PDA的形成機理,他們指出,在PDA形成過程中DA的共價聚合和非共價自組裝同時存在,共價作用在PDA形成初期起著至關重要的作用,而非共價鍵則是在低聚反應大部分完成后開始發(fā)揮作用。PDA結(jié)構(gòu)中存在未聚合的DA單元,未聚合的DA可與其氧化產(chǎn)物DHI自組裝,形成(DA)2/DHI復合結(jié)構(gòu)。此后,Buehler等[14]采用分子動力學模擬和密度泛函理論計算方法,系統(tǒng)地分析了從二聚物到四聚物等一系列可能的早期聚合的DHI低聚物,并提出一套分子模型,描述PDA的結(jié)構(gòu)多樣性。該研究表明,PDA由近平面的低聚物組成,這些低聚物可能通過π-π相互作用堆積在一起,形成類似石墨的層狀聚集體。Filip等[15]采用同位素標記法并結(jié)合固態(tài)核磁共振技術(shù)對PDA的結(jié)構(gòu)進行了詳細研究,對在3種不同氘化方案下制備的PDA樣品進行分析,發(fā)現(xiàn)PDA中含有大量質(zhì)子化的低聚物單體,且大多數(shù)苯/吲哚環(huán)為剛性結(jié)構(gòu),這可能是由π-π堆積作用引起的。此外,該研究還對同位素和自然豐度樣品進行了對比分析,證明了PDA中存在單體偶聯(lián)和低聚物聚合等形成路徑。Chai等[16]采用不同分析方法對PDA涂層、DHI涂層和DA/DHI涂層進行了對比研究,結(jié)果表明,DA和DHI都是PDA涂層形成的必要中間體,且DHI在控制PDA涂層厚度方面起著關鍵作用。另一方面,Marco等[17]對PDA水下強黏附特性的化學基礎進行了研究。結(jié)果表明,除兒茶酚基外,初級氨基對PDA在基底的黏附過程也起著重要的促進作用。DA在自氧化過程中會先產(chǎn)生醌基,在較高DA濃度的情況下,由于多巴胺-醌或醌-醌型的雙分子偶聯(lián)過程,生成低聚物并產(chǎn)生黏附交聯(lián)結(jié)構(gòu)。在1 mmol/L(或更低濃度)的緩沖液中,DA的自氧化并不足以形成紫外可檢測涂層,當己二胺或其他胺存在時,即可形成不同厚度的涂層。長鏈二胺在較低多巴胺濃度下可促進涂層的形成,且脂肪鏈越長,促進作用越強。這是因為脂肪鏈可通過占據(jù)PDA結(jié)構(gòu)的關鍵位置或抑制分子內(nèi)環(huán)化,抑制聚集體的形成,這有利于涂層的黏附。

圖 2 聚多巴胺與含巰基及氨基化合物發(fā)生邁克爾加成反應示意圖Fig. 2 Schematic of Michael addition reaction of PDA with amino or thiol compounds

1.2 聚多巴胺涂層的制備

PDA涂層的傳統(tǒng)制備方法是將待涂層基底置于弱堿性DA水溶液體系中,利用溶解氧的氧化作用誘導DA逐漸自聚合為PDA,并原位沉積于基底表面。該方法的涂層沉積速度很慢,往往需要數(shù)十小時的反應才能獲得較為理想的涂層效果,因此發(fā)展PDA涂層的快速沉積方法是增強PDA涂層實用性的重要手段。影響PDA沉積速率的因素有很多,包括DA濃度[18]、緩沖溶液的pH值[19]和類型[20],以及氧化劑的種類和濃度[21]等。在這些因素中,氧化劑對PDA涂層沉積速度的影響尤為重要。Ouyang等[21]首先發(fā)現(xiàn)強氧化劑過硫酸銨能顯著加速PDA的形成速度,即使在中性水溶液體系中也能引發(fā)DA的自聚合反應。之后,Wei等[22]進一步利用過硫酸銨的強氧化性,成功誘導DA在酸性水溶液中聚合為PDA。Ponzio等[23]比較了3種不同氧化劑(過硫酸銨、高碘酸鈉和硫酸銅)對PDA沉積的影響。結(jié)果表明,高碘酸鈉引發(fā)的DA聚合可獲得最大PDA膜厚度。此外,Zhang等[24]利用硫酸銅/雙氧水復合體系引發(fā)DA加速聚合,該方法所獲得的PDA沉積速率與過硫酸銨體系相當,可達43 nm/h。除了化學氧化劑之外,Du等[25]發(fā)現(xiàn)利用紫外光輻照產(chǎn)生的活性氧也可促進PDA在基底表面的沉積,且涂層反應的進行與否可通過光輻照作為“開關”實時加以控制。另一方面,Lee等[26]發(fā)現(xiàn)微波輻射也是一種加速PDA沉積的有力手段:DA向PDA轉(zhuǎn)化的早期階段由溶解氧引發(fā);隨后,微波加熱誘導產(chǎn)生的大量自由基可促進PDA涂層的快速形成。此外,蘇磊研究組[27]利用振蕩法制備聚多巴胺涂層,涂層表現(xiàn)出超親水性,良好的抗牛血清蛋白(BSA)、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌吸附的性能。該制備方法簡便易行,涂層具有良好的抗生物污染性能。

PDA不僅能直接沉積在各種基底表面達到改性修飾的目的,還可作為二次反應平臺輔助固定其他功能分子,從而賦予基底表面以更多功能特性。例如,含有氨基、巰基等基團的化合物可通過席夫堿反應或邁克爾加成反應固定于PDA涂層表面(見圖2)。因此,通過PDA輔助制備各類功能化表面涂層材料是增強PDA涂層實用性的另一重要手段。例如,Li等[28]首先基于PDA的強黏附性質(zhì)制備了PDA涂層聚苯乙烯微球,然后利用PDA對仿生硅化反應的促進作用,在PDA功能化聚苯乙烯微球表面原位生長二氧化硅納米顆粒,進而利用硅烷化反應將疏水性烷基鏈修飾在二氧化硅納米顆粒表面,成功制備出兼具超疏水和超親油特性的覆盆子狀復合納米粒子。

上述基于多步反應的PDA介導功能化涂層策略過程繁雜,制備效率較低。2012年,Lee等[29]提出了PDA與其他功能分子一步共沉積涂層策略,即將待涂層基底置于DA和其他功能分子的混合溶液中,在DA氧化自聚合形成PDA的同時,與之共存的功能分子也會與PDA一起共沉積涂層于基底表面。在此之后,PDA輔助一步共沉積原理作為一種靈活簡便的功能化涂層方法受到了相關領域研究者越來越多的關注。Zhang等[30]利用氫鍵作用成功地將聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇等親水性高聚物與PDA共沉積涂層在硅片表面。寧成云課題組[31]利用一步電化學聚合法在7 075鋁合金表面制備了聚吡咯/聚多巴胺(PPy/PDA)復合涂層,PPy高分子鏈和PDA高分子鏈之間形成網(wǎng)絡互穿結(jié)構(gòu),能很好地阻止氯離子等穿透涂層腐蝕基底,顯著提高了鋁合金有機涂層的耐蝕性。

PDA涂層反應通常在水相體系中進行,導致上述PDA輔助一步共沉積涂層方法與疏水性功能分子的兼容性較差,難以直接固定疏水性功能材料。針對這一問題,You等[32]提出利用哌啶作為DA在純有機溶劑中氧化聚合反應的引發(fā)劑,在純乙醇體系中成功制備出PDA涂層。該方法是基于有機溶劑體系進行涂層反應,因此能與疏水性功能分子兼容。在這一研究基礎上,Liu等[33]進一步將各類具有不同程度堿性的有機胺作為DA脫質(zhì)子反應的引發(fā)劑,誘導DA在純有機溶劑中大量轉(zhuǎn)化為自由基中間體,進而促使DA通過自由基反應歷程交聯(lián)聚合形成PDA涂層。這種有機相中直接形成PDA涂層的方法具有較強的普適性和靈活性,不僅可通過改變有機胺的濃度或者種類來對PDA涂層的形成過程加以調(diào)控,也能用于PDA與其他疏水性功能分子的一步共沉積,有助于拓展PDA輔助一步共沉積涂層方法的應用潛力。

2 聚多巴胺涂層OT-CEC

2.1 聚多巴胺及其類似物直接作為OT-CEC固定相

近年來,基于PDA的功能化涂層材料在OT-CEC領域得到了廣泛應用,按照其制備方法可分為PDA及其類似物直接涂層OT-CEC、PDA二次功能化OT-CEC及PDA介導一步共沉積涂層OT-CEC 3大類。Yin等[11]首次利用PDA涂層作為OT-CEC的固定相,用于分離4種生長素,分離的機制可能是π-π相互作用或親疏水相互作用。該方法利用溶解氧誘導灌注于毛細管內(nèi)的DA溶液氧化自聚合成PDA并原位沉積于毛細管內(nèi)壁,即為PDA涂層OT-CEC柱。由于溶解氧的含量及氧化能力有限,PDA的沉積效率偏低,因此該研究采用了多次重復涂層的方法來增加PDA涂層的厚度,制備效率較低。為此,Xiao等[34]使用強氧化劑過硫酸鈉加速PDA在毛細管中的沉積速率,制備的PDA涂層含有豐富的羧基,具有強親水性能,可抑制蛋白質(zhì)的吸附,將獲得的PDA涂層柱用于蛋清和純牛奶樣品中蛋白質(zhì)的分離分析。該方法能顯著縮短PDA的涂層時間,提高了開管柱的制備效率。另一方面,PDA涂層在表面分子印跡聚合物(MIP)制備領域也有一定的應用潛力:DA本身可作為功能單體,其后續(xù)氧化聚合形成PDA的反應為自發(fā)進行,無須額外引入特殊的引發(fā)劑和交聯(lián)劑,簡便易行。據(jù)此,Wang等[35]首先以四氧化三鐵(Fe3O4)納米顆粒(NPs)為載體,DA為功能單體,L-色氨酸、L-酪氨酸或S-氧氟沙星等為模板分子,制備了一系列PDA涂層磁性分子印跡微球;隨后利用外加磁場將其吸附于微芯片電泳的分離通道內(nèi)壁;進而基于這些PDA-MIP涂層固定相對手性模板分子的特異性結(jié)合能力,成功實現(xiàn)了這幾種手性化合物的CE手性分離分析。聚醚醚酮(PEEK)材料具有耐高壓和高強度等優(yōu)良性能,常作為毛細管電泳-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(CE-MS)的固定相和噴霧發(fā)射極。但PEEK毛細管由于其內(nèi)表面呈化學惰性,直接用于CE分離通道時容易造成分離效能偏低、EOF大小難以調(diào)控且穩(wěn)定性差等問題。Zhou等[36]利用PDA涂層修飾PEEK毛細管,使其內(nèi)表面富含氨基、酚羥基等活性功能基團。實驗結(jié)果表明,該PDA修飾PEEK毛細管柱的EOF靈活可控,對氨基酸、酚類、植物激素等幾類帶電化合物具有良好的分離性能。

L-去甲腎上腺素(L-NE)與左旋多巴(L-DOPA)是DA的手性類似物,在弱堿性條件下也可以發(fā)生氧化自聚合,形成具有較強黏附性的聚去甲腎上腺素(PNE)與聚左旋多巴。受此特性啟發(fā),Qiu等[37]將L-NE的弱堿性溶液填充到毛細管內(nèi),利用溶解氧誘導PNE原位生長于毛細管內(nèi)壁,成功制備了手性PNE涂層OT-CEC柱,并用于組氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸3種氨基酸對映體的手性分離。這一結(jié)果暗示由手性L-NE分子自發(fā)聚合而成的PNE也具有一定數(shù)量的手性功能基團,但具體的手性識別與分離機制還有待研究。Chen等[38]利用CuSO4/H2O2體系所產(chǎn)生的活性氧作為引發(fā)劑,誘導L-DOPA在毛細管內(nèi)快速自聚合形成手性聚左旋多巴并沉積在毛細管內(nèi)壁。該聚左旋多巴涂層柱具有良好的手性分離性能,可對胺類藥物和氨基酸等多類手性化合物實現(xiàn)手性分離。除了NE與L-DOPA之外,DA的類似物還有很多。這些DA類似物一方面繼承了DA的強表面黏附性等優(yōu)良特性,另一方面還可能具有DA所不具備的手性等特殊性質(zhì),因此在功能化OT-CEC涂層柱制備領域有著較大的應用潛力。

2.2 聚多巴胺二次功能化OT-CEC

雖然PDA及其類似物可直接用作OT-CEC的固定相,但是由于涂層前驅(qū)體的種類不夠豐富,PDA及其類似物涂層固定相的表面性質(zhì)與功能較為單一,難以滿足各類復雜樣品的多樣化分離需求。為了拓展PDA在OT-CEC中的應用潛力,有必要對其進行二次功能化修飾,PDA結(jié)構(gòu)中富含的酚羥基、醌基、氨基和羧基等官能團,可通過邁克爾加成或席夫堿反應,與金屬離子的螯合或氧化還原反應以及靜電吸附和氫鍵等非共價相互作用,將一系列功能材料固定于涂層表面,進而制備出具有強親/疏水、π-π堆積、陽離子-π以及親和作用等保留機制的功能化表面涂層材料。截至目前,許多功能分子如聚合物、生物材料和納米材料等已被用于PDA涂層柱的二次修飾,顯著提升了PDA在OT-CEC中的應用價值。

2.2.1聚多巴胺輔助固定聚合物

CE用于蛋白質(zhì)等復雜生物樣品的分離時,生物大分子易吸附在毛細管內(nèi)壁上,可造成峰形拖尾、重現(xiàn)性變差、分離效率下降等問題。在毛細管內(nèi)壁修飾親水性聚合物涂層以抑制生物大分子的吸附是解決這些問題的有效辦法。Zeng等[39,40]利用PDA作為基底涂層,將一系列帶有氨基的親水性聚合物(包括聚乙二醇、兩性離子聚合物[41]以及聚(2-甲基-2-唑啉)[42])通過邁克爾加成或席夫堿反應固定到PDA涂層毛細管內(nèi)壁上,所獲得的親水性功能化毛細管柱具有很好的抑制蛋白質(zhì)吸附性能,已成功應用于蛋白質(zhì)混合樣品以及食品蛋白的分離分析。另一方面,該研究組利用聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯(PEGMA300)和2-氨基乙基甲基丙烯酸酯(AEMA),通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)法合成了聚(PEGMA300-co-AEMA),并利用PDA的二次反應活性,將聚(PEGMA300-co-AEMA)共聚物固定在PDA修飾的毛細管內(nèi)壁上,以用于蛋白質(zhì)的分離分析[43]。此外,該研究組還通過ATRP法合成了一種由甲基丙烯酸磺甜菜堿(SBMA)和AEMA組成的兩性離子共聚物(SBMA-co-AEMA),進而利用相似的策略制備了兩性離子共聚物/PDA涂層毛細管柱,最終成功將其用于溶菌酶、細胞色素C和核糖核酸酶A等4種蛋白質(zhì)的CEC分離分析[41]。

2.2.2聚多巴胺輔助固定生物材料

生物材料具有良好的生物相容性和對特定類型目標分析物的選擇性親和性,在分離領域受到廣泛關注。Martma等[44]報道了利用PDA涂層作為生物材料(如細胞膜碎片溶液、磷脂混合物和線粒體)的黏合劑制備生物材料涂層OT-CEC柱。結(jié)果表明,該方法制得的生物材料涂層柱可實現(xiàn)對4種陰離子化合物(蘆丁、槲皮素、咖啡酸和水楊酸)的高效CE分離,分離的機制可歸結(jié)為PDA涂層引入的疏水、靜電等相互作用。此外,Chen等[45]提出了利用PDA和透明質(zhì)酸(HA)制備功能化OT-CEC柱的新方法。具有強親水性能的HA通過靜電相互作用與PDA相結(jié)合并固定于毛細管內(nèi)壁,所制得的HA改性涂層柱能有效抑制蛋白質(zhì)的吸附,20 min內(nèi)可實現(xiàn)溶菌酶、細胞色素C、BSA和核糖核酸酶A等蛋白質(zhì)的基線分離。許多生物材料本身存在手性結(jié)構(gòu),具有手性識別位點,可用于手性涂層毛細管柱的構(gòu)建。Qiu等[46]報道了利用PDA涂層作為二次反應平臺,將BSA固定在聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道內(nèi)壁,進而構(gòu)建手性選擇性OT-CEC柱的簡便方案。PDA良好的生物相容性有助于維持BSA的手性選擇性和生物活性。該研究組利用制備出的BSA功能化芯片,成功實現(xiàn)了色氨酸、酪氨酸和蘇氨酸等對映體的高效基線分離,分離機制歸因于不同對映體結(jié)構(gòu)與BSA結(jié)合能力不同,進而利用對映體在BSA修飾的分離通道中的保留能力不同而實現(xiàn)分離。

酶具有高效催化能力,將酶固定于毛細管內(nèi)壁構(gòu)建固定化酶微反應器(IMER),可用于在線酶分析及酶抑制劑的篩選。Cheng等[47]利用PDA基底涂層將胰蛋白酶輔助固定在毛細管內(nèi)壁入口處,毛細管的其余部分用作CE分離通道,成功構(gòu)建了新型IMER-CE酶分析平臺。他們進一步利用該平臺測定了胰蛋白酶的酶反應動力學常數(shù),并對多種中藥中可能存在的胰蛋白酶抑制劑活性成分進行了篩選研究,展示出了較大的應用潛力。另外,Wu等[48]利用PDA的黏附作用及二次反應能力建立了β-葡萄糖苷酶IMER-CE酶分析方法,并利用該平臺進行了酶動力學研究和酶抑制劑篩選。他們從12種黃酮類化合物中篩選出了β-葡萄糖苷酶抑制活性組分,并通過分子對接實驗進一步驗證了它們與酶結(jié)合的有效性。丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)在生物學和臨床研究中具有重要作用。Qi等[49]開發(fā)了利用聚合物@Fe3O4納米顆粒構(gòu)建的丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶反應器,用于手性配體交換毛細管電泳篩選酶抑制劑。他們采用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合法制備了聚(N-丙烯氧基丁二酰亞胺),通過丁二酰亞胺基團將聚(N-丙烯氧基丁二酰亞胺)固定在磁性Fe3O4納米顆粒上,并利用ALT中的氨基與琥珀酰亞胺基團反應,制備出固定化酶反應器ALT@PNAS@MNPs。將ALT@PNAS@MNPs作為假固定相,在PDA涂層的毛細管中,可實現(xiàn)丙氨酸、谷氨酸等對映體的基線分離;而在沒有涂層PDA的裸毛細管柱中,樣品出峰時間較快,沒有達到基線分離。該研究組進一步將制得的固定化酶反應器用于4種谷丙轉(zhuǎn)氨酶抑制劑D-環(huán)絲氨酸(DCS)、殼聚糖(CTS)、?；撬崛パ跄懰?TDCA)和卡托普利(CAP)的酶抑制研究,結(jié)果表明,4種抑制劑的抑制順序為DCS>TDCA>CTS?CAP。

2.2.3聚多巴胺輔助固定納米材料

多孔超分子框架結(jié)構(gòu)材料具有超高的比表面積和孔隙率,且框架結(jié)構(gòu)和孔隙尺寸靈活可調(diào),在色譜分離中具有良好的應用前景。截至目前,用于CEC分離的多孔框架結(jié)構(gòu)材料主要有金屬有機骨架(MOFs)和共價有機骨架(COFs)。它們均具有較大的比表面積，永久的孔隙率和良好的穩(wěn)定性。PDA含有豐富的氨基和鄰苯二酚基團等反應位點,可與金屬離子發(fā)生較強的配位相互作用,因此適用于MOFs涂層OT-CEC柱的構(gòu)建。Chen等制備了一系列MOFs材料(包括ZIF-8[55]和Zn2L[56]),通過共價和非共價相互作用固定在PDA修飾的毛細管內(nèi)壁,進而制備出一系列新型MOFs涂層OT-CEC柱,并成功用于酸性、堿性和中性化合物的高效分離分析,分離的機制可歸結(jié)為化合物與涂層之間的偶極-偶極相互作用、陽離子-π交互作用等。COFs是由有機配體通過共價鍵連接而成的,在色譜分離領域中具有與MOFs相當?shù)木薮髴脻摿ΑＨ欢?與MOFs相比,COFs不含金屬離子,其固定化操作更具有挑戰(zhàn)性。COF-5由1,4-苯二硼酸(BDBA)和2,3,6,7,10,11-六羥基三亞苯(HHTP)組成,而HHTP含有和PDA涂層相似的兒茶酚結(jié)構(gòu)。受此啟發(fā),Bao等[57]使用BDBA作為連接劑將COF-5固定在PDA涂層毛細管內(nèi)壁上,結(jié)合層層自組裝策略提高相比,制備出的COF-5涂層柱具有較大相比,且具有反相作用機理。利用幾種化合物疏水性和電子密度的差異以及π-π堆積相互作用等,可實現(xiàn)幾種中性、酸性和堿性化合物的基線分離。

其他多種納米材料也可以通過PDA輔助固定原理制成功能化OT-CEC柱。Zhang等[58]利用PDA介導生物礦化原理在PDA涂層毛細管內(nèi)原位生長納米羥基磷灰石(HAP),在毛細管內(nèi)壁引入偶極-偶極相互作用,陽離子-π相互作用、疏水作用、π-π交互作用等保留機制,制備出的HAP涂層OT-CEC柱可用于分離烷基苯、酚和胺類化合物。層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)是一類由帶正電荷的金屬氫氧化物和層間填充可交換的陰離子所構(gòu)成的層柱狀化合物。Yu等[59]基于金屬離子與PDA涂層上酚羥基獨特的配位結(jié)合作用,將LDHs原位生長在PDA修飾的毛細管內(nèi)壁,并用于中性和酚類化合物的CE分離分析,相關的分離機制可歸結(jié)為兒茶酚和LDHs之間的配位效應、陽離子-π相互作用和疏水作用。

2.3 聚多巴胺介導一步共沉積涂層OT-CEC

如前所述,利用PDA涂層的二次反應能力可將很多種類的功能化材料固定在毛細管內(nèi)壁,拓寬了PDA在OT-CEC固定相制備領域的應用潛力。但是,這種基于多步反應的PDA輔助修飾策略不僅過程繁雜,制備效率較低,而且可兼容的功能化材料種類有限。相比之下,PDA輔助一步共沉積涂層原理更為簡便靈活,適用范圍更為廣泛。2018年,Xu課題組[60]對PDA共沉積機制進行了分類和討論,總結(jié)了PDA一步共沉積涂層在材料科學,特別是分離膜和生物材料方面的潛在應用。同時,該方法在功能化OT-CEC固定相制備領域的應用潛力也已經(jīng)顯現(xiàn)。Chen等[61]將聚丙烯酰胺(PAM)與DA的混合溶液注入毛細管內(nèi),在溶解氧的氧化作用下逐漸在毛細管內(nèi)壁原位形成PDA/PAM共沉積涂層。與PAM直接涂層方法相比,PDA的引入能顯著提升PAM固定效果的穩(wěn)定性。PAM的強親水性能,可抑制蛋白質(zhì)的吸附,制備的PDA/PAM共沉積柱可用于堿性蛋白質(zhì)混合樣品及雞蛋清蛋白的高效基線分離。另外,Yan等[62]將具有強親水性能的梳狀共聚物聚(2-甲基-2-惡唑啉)(PMA)與DA共分散溶解于Tris-HCl體系中,利用CuSO4/H2O2觸發(fā)DA快速自聚合形成PDA,使PMA與PDA快速共沉積涂層于基底表面。所獲得的PDA/PMA共沉積涂層具有良好的蛋白質(zhì)抗性,而且能抵抗幾乎所有血小板的黏附。該研究組進一步將其應用于毛細管內(nèi)壁的表面改性,所制得的PMA功能化涂層柱在堿性蛋白混合物和蛋清蛋白的CE分離中展現(xiàn)出了良好效果。

Zhang等[63]將具有優(yōu)異防污性能的2-甲基-2-惡唑啉(PMOXA)與DA混合后一步共沉積涂層于毛細管內(nèi)壁,制備了具有強抑制蛋白質(zhì)吸附性能的PMOXA抗污涂層毛細管柱。因此,該涂層柱可成功用于奶粉中乳清蛋白和乳白蛋白的分離分析。在優(yōu)化條件下,對脫脂奶粉中三聚氰胺的濃度進行了測定,三聚氰胺的檢出限(LOD)可達0.097 mg/mL。此外,PMOXA防污材料在研究蛋白質(zhì)與藥物的相互作用中也具備較大潛力。Du等[64]合成了聚乙烯亞胺-g-2-甲基-2-惡唑啉(PEI-g-PMOXA)抗污聚合物,并與PDA共沉積涂層于毛細管內(nèi)壁,用于對乙酰氨基酚與BSA的相互作用的分析,其結(jié)果具有較好的準確性。本研究組[65]采用共沉積涂層策略,在毛細管內(nèi)壁同時沉積PDA和PEI,并引入Fe3+后處理操作以進一步增強所得涂層的穩(wěn)定性。通過改變PDA/PEI的質(zhì)量比或PEI的相對分子質(zhì)量等制備參數(shù),可對PDA/PEI共沉積涂層柱EOF的大小和方向進行大范圍的靈活調(diào)控。利用這些具有不同EOF性質(zhì)的涂層柱,成功實現(xiàn)了對芳香酸和苯胺類化合物的高效基線分離(見圖3)。

圖 3 PDA/PEI共沉積涂層修飾(a)前、(b)后毛細管柱對苯胺類化合物的分離色譜圖Fig. 3 Separation chromatograms of aniline compounds in OT-CEC column (a) before and (b) after modification of polydopamine/polyethyleneimine (PDA/PEI) hybrid coating 1. p-anisidine; 2. N,N-dimethylaniline; 3. p-toluidine.

受β-環(huán)糊精(β-CD)強手性識別能力和PDA強黏附性等性質(zhì)的啟發(fā),Guo等[66]利用一步共沉積策略將PDA/β-CD共同涂覆于毛細管內(nèi)壁,并對該β-CD涂層柱的手性分離性能進行了評價。結(jié)果顯示,在所考察的7種手性藥物中,有4種對映體可在該涂層柱上實現(xiàn)CE基線分離,其余手性藥物也有一定程度的分離效果。因此,可推斷有較多數(shù)量的β-CD是鑲嵌固定在共沉積涂層中,其暴露在涂層表面的腔體結(jié)構(gòu)可與手性對映體產(chǎn)生不同程度的包絡作用。

圖 4 PDA/ODA共沉積反應示意圖Fig. 4 Reaction schematic for the co-deposition of PDA and octadecylamine (ODA)

Qiu等[67]基于DA對重金屬離子的螯合反應和還原能力,結(jié)合一步共沉積涂層策略,成功制備了具有較高相比的PDA/AuNPs涂層芯片CEC。微芯片通道內(nèi)壁的親水性得到顯著改善,以此分離介質(zhì)能對5種氨基酸(精氨酸、脯氨酸、組氨酸、纈氨酸和蘇氨酸)實現(xiàn)快速、高效分離。具體來說,該方法是將DA和氯金酸的混合溶液共同注入PDMS微通道內(nèi),一方面氯金酸作為氧化劑可促進DA快速自聚合形成PDA,另一方面DA可將氯金酸還原為納米金;所形成的PDA與納米金之間具有較強的螯合作用,可一步快速共沉積到芯片通道內(nèi)。Zhang等[68]采用類似策略在芯片CE的微通道內(nèi)壁修飾PDA/AuNPs涂層,進而利用Au-S鍵作用將硫代脫氧核糖核酸固定在PDA/AuNPs改性微通道表面,最終制成PDA/AuNPs/DNA復合功能涂層芯片CEC。由于DNA具有獨特的手性螺旋結(jié)構(gòu)和手性識別能力,該手性功能化芯片CEC可用于分離色氨酸對映體:在優(yōu)化條件下,65 s內(nèi)實現(xiàn)了色氨酸對映體的基線分離,分離度可達2.95。本研究組[69]在此基礎上,綜合利用PDA涂層的多種物理化學特性,并結(jié)合一步共沉積和層層自組裝涂層策略,成功制備了具有較高相比的PDA/AuNPs/硫醇(thiols)層層自組裝涂層OT-CEC柱。由于硫醇含有長疏水烷基鏈,制得的毛細管柱具有較強的反相保留作用。隨著自組裝層數(shù)的增加以及共沉積納米金數(shù)量的增多,PDA/AuNPs/thiols涂層柱固定相的比表面積和相比相應增加,對5種烷基苯化合物的分離效能也逐漸得到提升。在優(yōu)化制備條件下,該疏水功能化涂層柱能夠?qū)崿F(xiàn)對烷基苯類化合物的高效基線分離。

圖 5 裸毛細管、聚多巴胺涂層毛細管和不同層數(shù)聚多巴胺/硬脂胺共沉積涂層毛細管對烷基苯類化合物的分離色譜圖 Fig. 5 Separation chromatograms of alkylbenzenes in bare, PDA coated and PDA/ODA co-deposited OT-CEC columns with different coating times 1. benzene; 2. methylbenzene; 3. ethylbenzene; 4. n-propylbenzene.

現(xiàn)有PDA介導一步共沉積涂層OT-CEC柱的相關研究主要是在水相體系中進行[70,71],這導致共沉積涂層方法與疏水性功能分子的兼容性較差,難以直接固定疏水性功能材料。近期,在有機溶劑中利用有機胺輔助制備功能化PDA涂層的新策略已被提出[32]。受此啟發(fā),本研究組[72]首次將PDA在有機相中的涂層方法和一步共沉積涂層原理共同引入到功能化OT-CEC柱的制備領域,成功制備出具有反相作用機理的PDA/硬脂胺(ODA)共沉積涂層OT-CEC柱(見圖4),并用于烷基苯和黃體酮等中性化合物的高效分離分析。在這項研究中,ODA既是PDA涂層的疏水改性劑，又是DA自聚合反應的引發(fā)劑:一方面ODA作為有機堿可誘導DA在無水乙醇中發(fā)生氧化自聚合形成PDA;另一方面具有氨基的ODA又可與PDA發(fā)生共價交聯(lián)反應,最終導致PDA與ODA共沉積涂層于毛細管內(nèi)壁。PDA/ODA涂層柱因摻雜有ODA的十八烷基鏈而具有較強的疏水性;結(jié)合重復涂層操作可進一步增強其疏水性,對于疏水性化合物的分離能力也相應增強(見圖5)。

3 聚多巴胺修飾CEC整體柱

聚多巴胺不僅可作為毛細管內(nèi)壁的涂層材料應用于OT-CEC,也可用于制備功能化整體柱。Ji等[73]利用溶膠-凝膠方法以及PDA的強表面黏附性制備了PDA修飾硅膠基質(zhì)的氧化石墨烯-聚多巴胺(GO-PDA-CSM)毛細管電色譜整體柱,并將其用于氨基酸和苯胺類化合物的CE分離。結(jié)果顯示,相比于PDA涂層OT-CEC柱,PDA修飾整體柱具有更大的相比和更多的相互作用位點,對這兩類待測樣品的分離能力也更強。該研究組進一步利用PDA的二次反應活性,通過GO上的羧基或環(huán)氧基與PDA上的氨基進行化學反應,制備了GO及PDA雙功能化修飾的硅膠基質(zhì)毛細管電色譜整體柱,并將其應用于烷基苯類化合物以及麻黃堿/偽麻黃堿異構(gòu)體的分離分析。與PDA涂層整體柱和GO修飾整體柱相比,GO/PDA雙功能化整體柱具有更高的分離效能,分離的機制可歸結(jié)為GO與分析物之間的π-π以及疏水相互作用等,將PDA作為預涂層可增強固定相與分析物之間的相互作用。實驗結(jié)果表明,GO對麻黃堿/偽麻黃堿異構(gòu)體的分離起著重要作用,而PDA作為中間涂層,可以大大提高GO-PDA-CSM的色譜分離效能。

4 結(jié)論與展望

綜上所述,PDA涂層材料以其簡便易行的制備過程、優(yōu)異的表面黏附性、良好的生物相容性、較強的二次反應活性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點,在毛細管電色譜尤其是OT-CEC領域獲得了廣泛應用,展現(xiàn)出了廣闊的應用潛力。雖然PDA及其衍生材料在CEC領域中的應用越來越廣泛,但是截至目前,研究者們對于PDA的形成和涂層機理仍然沒有一個明確的定論,還需進一步的深入研究?，F(xiàn)有技術(shù)制備出的PDA涂層厚度普遍較低且耗時較長，單次涂層厚度普遍在50 nm以下,制備時間往往長達數(shù)小時到數(shù)十小時。前期很多研究會采用重復涂層的策略以改善PDA在毛細管內(nèi)的涂層效果,但是該方法更加耗時,制備效率也更低。為了提高PDA修飾CEC柱的制備效率,越來越多的研究者轉(zhuǎn)而采用強氧化劑誘導PDA快速沉積策略來制備PDA涂層柱。但是這類方法所獲得PDA涂層效果的可控性較差,有待于進一步探索出重現(xiàn)性更好且可操作性更強的PDA快速共沉積涂層CEC制備策略。另一方面,在有機相中直接合成功能化PDA涂層OT-CEC柱的策略雖然已被提出,但是其在疏水性功能材料雜化PDA涂層CEC中的應用價值還有待后續(xù)更多研究。此外,PDA涂層本身的多孔性較差,比表面積較低,將其修飾在多孔整體柱基質(zhì)表面會顯著改善這一問題。但是截至目前,PDA涂層在整體柱CEC領域的相關研究還很少,其應用潛力有待拓展。總之,隨著PDA涂層和形成機理研究的不斷深入,聚多巴胺這一延展性極強的仿生材料將會在毛細管電色譜技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用。