新型分离和富集材料的制备一直以来都是分离科学的研究重点, 通过合理调控基体材料表面结构和组成, 可以达到改善材料性能的目的。目前, 表面改性方法众多, 但发展一种适用面广、操作简单且绿色环保的表面改性方法仍是极具挑战性的课题。近些年来, 海洋生物贻贝能够牢固地附着于各种基体材料表面的能力引起了人们的广泛关注。研究表明, 贻贝可分泌出特殊的黏附蛋白, 而此蛋白中富含左旋多巴(3, 4-二羟基-L-苯丙氨酸, L-DOPA)[1-3], L-DOPA是使黏附蛋白具有黏附特性的决定性因素, 其结构中的邻苯二酚可氧化形成邻苯醌, 进而促使其自身产生交联[4, 5]。基于仿生学原理, 研究和开发合成方法简单、造价低廉、环境友好且性能稳定的黏合材料已成为相关领域的研究热点。多巴胺(3, 4-二羟基-β -苯乙胺, dopamine, DA)是一种同时含有邻苯二酚结构和氨基的小分子, 作为DOPA的结构类似物, 通过简单的自聚反应可在各种不同性质的有机、无机材料表面形成强黏附性的聚多巴胺(polydopamine, PDA)薄膜, 目前PDA已广泛应用于各种基体材料的表面修饰和改性[6]。
在色谱分析过程中, 色谱柱、吸附材料的选择(或制备)是整个分析方法的关键。与传统的基质改性和功能化方法相比, PDA形成过程条件温和、环保, 且操作简单; 同时, PDA膜表面富含的各种官能团(如酚羟基、醌基和胺等)可在适当条件下与有机分子进一步发生反应[7], 从而实现对材料的进一步改性。由于具有以上特点, PDA在色谱分离和富集方面的应用已受到色谱工作者的广泛关注。本文就近十年来PDA在色谱分离和富集方面的应用进行综述, 并对该领域今后的发展进行了展望。
PDA由DA在简单、温和的反应条件下氧化自聚获得, 对于其形成过程中所涉及的机理, 人们还没有完全认识, 直到今天仍是科学工作者们研究和争论的焦点。目前, 大多数研究者推断其形成过程类似于有机体中黑色素的生成过程(见图 1)。DA在碱性条件下先氧化成多巴胺醌, 通过1, 4-迈克尔加成分子内环化成无色的5, 6-二羟基吲哚啉(LDC), 继续氧化重排成5, 6-二羟基吲哚(DHI), 再氧化成5, 6-吲哚醌(IDQ)。反应产物DHI和IDQ还能够发生支化反应, 导致多种异构二聚体的形成, 进而形成聚合度较高的低聚体, 再通过儿茶酚与邻醌之间的反歧化反应自组装得到交联的PDA[8-10]。
在此基础上, Hong等[11]提出在PDA形成过程中DA的共价聚合和非共价自组装同时存在。该研究小组通过色谱和质谱等手段证实, 在PDA中有相当一部分未聚合的DA与其氧化产物DHI自组装形成(DA)2/DHI, 这种通过物理作用自组装形成的复合物被紧紧包裹在PDA中。这一物理过程所涉及的分子间作用力主要有氢键作用、T-型作用和阳离子-π相互作用等。
最近几年, 人们开始借助更多的现代分析手段如核磁共振(NMR)、高分辨质谱(HRMS)、X射线光电子能谱(XPS)和红外光谱(FTIR)等研究PDA形成的机理。Liebscher等[12]通过实验证明, 具有不同不饱和度的DHI和吲哚醌单元可通过它们结构中苯环之间的C-C键共价连接; 通过密度泛函理论(DFT)算法模拟, 推测几条PDA链间存在着平行或反向平行方式的醌-氢醌型相互作用; 此外, 实验中还证实了PDA结构中未聚合DA单元的存在。Vecchia等[13]通过13C-NMR、15N-NMR和UV-Vis光谱等手段对PDA进行研究, 认为PDA形成过程中涉及3个主要的竞争途径(见图 2)。路径a中, 多巴胺二聚形成非环化联苯型结构, 然后经历进一步的氧化和分子内环化过程; 路径b中, DA沿典型的黑色素形成途径形成DHI, 然后经过氧化和裂变反应形成吡咯羧酸类物质; 路径c形成DA的混合低聚物。从这些反应路径可以看出, 共价作用在PDA形成初期起着至关重要的作用, 而非共价键则是在低聚反应大部分完成后开始发挥作用。因此, PDA结构中富含多种官能团(或结构)，如平面吲哚结构、氨基、羧酸基、邻苯二酚/苯醌、吲哚/邻苯二酚π系统等。此外, 研究还发现, PDA的结构与制备条件关系密切, 制备过程中的具体条件, 如多巴胺的初始浓度、缓冲溶液的种类、pH值以及所用的氧化剂类型等, 都会对最终所形成的PDA结构产生影响。
分离材料是色谱分离技术的核心, 新型分离材料的出现对于解决复杂样品分离分析问题具有决定性的意义。进入21世纪以来, 随着人类研究领域和分析对象的不断拓展, 色谱分析技术也面临新的机遇和挑战。通过简易、高效的方法制备适用于各类不同样品的分离材料一直是色谱领域的研究热点, 而材料表面功能化(或改性)则是其中的一个重要方面[14]。
CE/CEC技术由于具有分离效率高、操作灵活、样品和试剂用量少等优点, 自20世纪80年代以来得到了人们的广泛关注, 已被成功应用于环境、食品、药学和生命科学等领域[15]。由于内壁硅羟基的解离和由此而产生的不可逆吸附, 未改性石英毛细管存在应用范围有限、分析重现性差等一系列问题。因此, 在实际应用中石英毛细管柱在使用前常需进行涂层修饰[16]。Yin等[17]首先报道了制备聚多巴胺涂层柱, 将一定浓度的DA碱性溶液充满毛细管, 室温放置数小时, DA被溶液中溶解的氧气氧化成PDA而附着于毛细管内壁。与传统的毛细管涂层柱制备方法相比, 该制备过程既有物理涂层方法简单、快捷的特点, 同时也具备化学修饰涂层稳定性高的优点; 通过改变涂覆的次数, 可有效地对涂层的厚度以及涂层柱的电渗流进行控制。在CE模式下, 该涂层柱被成功用于4种植物生长激素的高效分离分析。
Zeng等[18]利用PDA上丰富的官能团与胺功能化修饰的聚乙二醇(PEG)发生迈克尔加成或席夫碱反应, 将PEG化学修饰到毛细管内壁上(见图 3), 所形成的涂层柱可有效抑制电渗流(EOF)和减少蛋白的吸附。在较宽pH值范围内, 3种碱性蛋白(溶菌酶、细胞色素C和核糖核酸酶A)可获得快速、高效分离。涂层柱连续200次分离蛋白后, 理论塔板数几乎没有变化, 证明这种新型涂层具有较好的稳定性。Chen等[19, 20]先后合成了磺基甜菜碱丙烯酸甲酯(SBMA)和2-氨基乙基甲基丙烯酸酯(AEMA)组成的新型共聚物(poly(SBMA-co-AEMA))以及由聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯和AEMA组成的新型刷状共聚物(聚(PEGMA300-co-AEMA)), 并通过PDA使其固着于不同材料的表面。调整AEMA在原料中的比率可改善最终涂层的稳定性。实验证明这种方法也可用于石英毛细管内壁的修饰, 所形成的涂层柱可在CE模式下用于蛋白的分离。Zhang等[21]采用相似的策略在毛细管内壁事先形成的PDA层上模拟自然界的生物矿化过程，形成纳米结构的羟基磷灰石(HAP), 并通过扫描电镜(SEM)、X-射线能量色散谱(EDS)和XPS等手段对形成的涂层材料进行了表征；使用这种涂层柱在开管电色谱(OT-CEC)模式下实现了苯、苯酚和胺3类不同化合物的分离。为提高毛细管改性过程中PDA的聚合效率, 该课题组[22]在另外一项研究中先在毛细管内壁原位合成了导电聚合物聚苯胺(PANI), 然后在其上形成PDA层, 通过氧化石墨烯(GO)与PDA反应将GO固着于毛细管内壁。PANI良好的导电性能有利于促进PDA形成过程中的电荷转移, 因此有利于毛细管改性过程, 在一定程度上增加了所形成固定相的表面积；制备的毛细管柱具有反相作用机理, 在OT-CEC模式下对烷基苯同系物表现出良好的分离能力。
手性是自然界的本质属性。当前, 对不同种类手性化合物进行拆分已成为CE/CEC技术最具特色的研究和应用领域之一[23]。Liu等[24]先在聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控芯片的微通道内表面原位形成了PDA涂层, 然后又在其上固着蛋白类手性选择剂牛血清白蛋白(BSA), 从而简便地制得了BSA手性固定相。DA在溶液中氧化自聚形成PDA沉积层过程中使微通道内表面粗糙化, 这有利于提高微通道对BSA的负载能力和分析时样品的柱容量; 此外, PDA具良好的生物相容性, 能更好地保持BSA的生物活性, 从而可实现色氨酸、酪氨酸等氨基酸外消旋体的高效、快速分离。为进一步提高BSA的固载量, 该研究组[25]还将GO加入DA溶液中, 这样GO就会包埋在所形成的PDA沉积层中。实验证明, 这种凹凸不平的涂层结构大大增加了后续实验环节BSA的固着量, 从而可在一定程度上提高分离体系的手性识别能力。近些年来, 具有磁性内核的纳米粒子(MNPs)因具有超顺磁性、表面易修饰以及可在外部磁场条件下人为控制等优点得到了人们的广泛关注[26]。在外部磁场作用下, 具有手性识别能力的MNPs可作为手性固定相用于手性分离。Wang等[27]制备了具有手性识别能力的分子印迹磁性纳米粒子, 过程是以Fe3O4磁性纳米粒子作为载体, 按一定比例混合作为功能单体的DA和作为模板分子的手性氨基酸(如L-色氨酸、L-酪氨酸等)、手性药物(S-氧氟沙星)。利用外部磁场将印迹磁球固定于PDMS微通道内, 可实现目标外消旋体的快速拆分。
建立在传统高效液相色谱(HPLC)技术基础上的微柱液相色谱(μ -LC)技术具有高检测灵敏度、低溶剂消耗、易与质谱等多种检测器联用等特点, 在复杂体系分离分析方面具有广阔的应用前景[28]。Zhou等[29]通过向DA溶液中加入过硫酸铵以加速体系的氧化自聚过程, 成功制备了PDA功能化修饰的硅胶毛细管整体柱。在μ -LC分离模式下, 通过对不同类型的化合物(烷基苯、多环芳香族烃、芳香酸、酚类和碱等)的分离, 发现固定相与样品分子间存在多种相互作用, 如疏水、亲水, 静电和π -π相互作用等。近年来, 经过研究人员的不懈努力, 针对蛋白大分子的分子印迹聚合物(MIP)技术取得了长足的进展。由于蛋白几乎不溶于有机溶剂, 所以分子印迹过程主要还是依靠水体系中功能单体和模板蛋白之间的非共价键作用。然而, 水的极性较强, 会在一定程度上削弱印迹过程中的非共价键作用, 所以寻找一些新的功能单体和印迹方式就显得尤为重要[30]。Nematollahzadeh等[31]借助静电作用先将人血清白蛋白(HSA)吸附于多孔硅球, 然后将其转入一定浓度的DA溶液中, 从而在多孔硅球的孔表面形成了HSA包埋的PDA纳米涂层。吸附实验表明, 通过这种方式所形成的MIP涂层厚度约为8.7 nm时, 对模板蛋白HSA显示出了高吸附能力。在HPLC模式下, 用BSA和免疫球蛋白G(IgG)作为竞争吸附蛋白的实验表明, 印迹柱对模板蛋白HSA显示出高选择性。
为降低分析方法的检出限、提高检测灵敏度, 在样品分析前通常需要对目标组分进行富集, 同时在一定程度上除去干扰组分, 这在痕量和超痕量分析领域显得尤为重要。当前, 借助于生物、化学等领域的相关知识, 开发新的富集材料和方法已成为分析化学及相关领域的一个研究热点。PDA具有多种类型的官能团可以与分析物作用, 同时还可以根据实际需要对其进一步修饰, 且整个修饰过程简单、环保。由于PDA可以附着于几乎所有类型的材料表面, 因此作为一种新型的聚合物改性和修饰材料, 它在富集领域得到了广泛的关注和应用。
分散固相微萃取(dSPME)作为新型的萃取技术自被提出以来已被广泛应用于样品分析之前的预处理过程。与传统的固相萃取技术(SPE)相比, dSPME具有省时、简便、经济和溶剂消耗少等优点[32]。当前, 开发新型的吸附材料是dSPME技术的重点。结合磁性吸附材料操作简单、方便的特点[33-35], Wang等[36]成功合成了Fe3O4@PDA分散固相萃取吸附剂, 利用PDA中丰富的苯环可与多环芳烃(PAHs)类物质发生π -π相互作用, 借助HPLC分离手段实现了环境样品中痕量多环芳烃类化合物的分析测定, PAHs的检出限为0.5～1.9 ng/L。Shi等[37]使用同种类型的吸附剂, 从药用植物川柏的树皮萃取物中选择性萃取了小檗碱。尽管萃取液中存在多种生物碱(如黄柏碱、木兰花碱等), 但这种PDA包覆的磁性材料对小檗碱表现出了更强的吸附能力, 研究认为这可能与小檗碱特有的平面结构有关。实验采用dSPME技术最后将含9.5%小檗碱的原始提取液纯化至小檗碱含量91.3%, 富集效果十分显著。最近, 结合HPLC-MS定量分析技术, McCullum等[38]用PDA包覆的磁纳米粒子作为固相萃取剂建立了液态食物样品中黄曲霉素类物质的分析测定方法, 部分物质的检出限低达0.001 2 ng/mL。Socas-Rodríguez等[39]采用共沉淀法合成的Fe3O4@PDA, 实现了不同类型水样中12种雌激素的测定, 回收率为70%～119%, 定量限为0.02～1.1 μ g/L。最近, 我们[40]利用Fe3O4@PDA复合材料中PDA涂层具有两亲性的特点, 结合HPLC分离技术建立了dSPME-HPLC-UV-Vis方法用于测定食品中的水溶性合成色素, 4种色素的检出限为0.20~0.25 μ g/L, 远低于此前文献[41, 42]中报道的同类色谱分析方法, 这主要归因于所建立的dSPME过程对目标物具有较高的富集倍数(EF≥176)。
PDA不仅对多种有机物具有吸附作用, 还可选择性吸附无机金属离子。最近, Zhang等[43]使用粒径为150～200 nm的PDA纳米球建立了去除污染水中Hg2+的新方法。研究发现, 室温下PDA纳米球对汞离子的饱和吸附容量高达1 861.72 mg/g, 且随着温度的升高, 吸附容量会进一步增加。XPS分析的结果表明, PDA结构中的氧和氮原子均参与了与汞离子的配合。Yu等[44]研究了PDA改性的天然沸石粉对水溶液中Cu2+的吸附。通过系统考察溶液pH、材料与样品液接触时间以及Cu2+初始浓度对吸附的影响, 确立了最佳吸附条件。与修饰前的天然沸石粉饱和吸附容量(14.93 mg/g)相比, PDA改性沸石粉对Cu2+的最大饱和吸附容量为28.58 mg/g, 增加了91.4%, 这可能主要归因于沸石表面PDA对Cu2+的络合能力强。Hong等[45]在实验室合成的纳米纤维垫上涂覆PDA, 制备了新型的纳米纤维材料并用之吸附水溶液中三价镧离子。这种新型纳米材料对镧离子的最大饱和吸附量达59.5 mg/g(0.43 mmol/g), 吸附符合朗缪尔等温吸附类型。XPS实验数据表明, 吸附过程涉及三价镧离子与PDA结构中的氧原子形成配位。
Zhao等[46]通过硅烷化反应将C8基团嫁接到PDA包裹的磁性石墨烯上, 成功制备了C8官能化的磁性石墨烯复合材料。所制备的纳米材料结合了石墨烯、磁性微球、PDA和C8链等的优点, 因此拥有高比表面积、强磁响应、良好的可分散性, 该磁性复合材料可结合MALDI-TOF MS技术用于富集和鉴定样品中低丰度的内源性肽(检出限低至50 pmol/L), 富集作用主要是材料与肽之间的强疏水-疏水相互作用。Zhang等[47]借助PDA附着力强和易于衍生的特性, 发展了在不锈钢丝上固定交联聚合物的方法。通过氧化自聚反应, 在不锈钢丝表面氧化自聚形成PDA层, 然后以丙烯酰胺(AA)作为官能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)作为交联剂, 在PDA表面引发自由基聚合反应形成聚合物层。研究发现, 这种EGDMA-AA修饰的不锈钢在搅拌、超声、有机溶剂、强酸和碱等条件下均表现出较高的稳定性和良好的耐受性, 在搅拌棒吸附萃取(SBSE)模式下对原小檗碱类物质表现出较高的提取效率, 富集因子达19～42。所建立的方法可应用于测定药草和大鼠血浆样品中原小檗碱的含量, 加标回收率为88.53%～114.61%。该课题组[48]还利用氧化石墨烯与不锈钢丝表面PDA中的氨基反应, 得到了表面修饰石墨烯材料的不锈钢丝(G-SSW)。石墨烯层的厚度可以通过层-层自组装的方式控制, 以提高材料对目标物的萃取能力。实验数据表明, G-SSW用作搅拌棒对污染物多环芳烃(PAHs)具有良好的提取效率, 富集因子高达1.00×104～1.69×104, 结合HPLC技术可实现土壤和食物样品中痕量PAHs的测定。Ni等[49]通过PDA层将谷胱甘肽(GSH)结合在磁球上形成GSH修饰的磁球, 借助谷胱甘肽S-转移酶(GST)和磁球表面GSH之间特异性的酶-底物相互作用, 实现了GST标记的绿色荧光蛋白(GFP)的纯化。
磷酸化作用是最重要的蛋白翻译后修饰方式之一, 它也是蛋白质组学的一个重要分支。由于蛋白磷酸化具有高度的动态性和低化学计量性, 因此在质谱分析前对磷酸化肽进行富集具有重大意义。Yan等[50, 51]通过DA的氧化自聚反应分别在Fe3O4磁球和氧化石墨烯的表面形成PDA包覆层, 随后借助于PDA结构中羟基所具有的螯合作用将Ti4+固定于材料表面。实验证明, 这种新类型的材料在固定化金属离子亲和色谱(IMAC)模式下可用于复杂样品如蛋白酶解液和实际血清样品中磷酸化肽的高选择性富集, 在蛋白富集和纯化方面具有应用前景(见图 4)。在后续的研究工作中, 该研究组还先后制备了固定有Cu2+的多巴胺包覆磁性石墨烯复合材料magG@PDA@Cu2+[52]和固定有Nb5+的多巴胺包覆Fe3O4磁球Fe3O4@PDA@Cu2+[53], 并将之成功用于选择性富集尿液、血清中低丰度的磷酸化肽。近年来, 金属氧化物亲和色谱(MOAC)材料在磷酸化蛋白组学的研究中也发挥了重要的作用[54]。Yan等[55]通过简单的水热处理过程, 在PDA包覆的石墨烯表面形成了氧化钛纳米粒子层。PDA层不仅作为氧化钛和石墨烯之间的连结剂, 也增强了所形成的纳米复合材料G@PDA@TiO2的亲水性和生物兼容性。以此纳米复合材料作为吸附剂, 借助MALDI-TOF MS手段, 该研究组从小鼠脑蛋白中确定了556个磷酸化位点。在对低丰度磷酸化肽进行分析前, 有必要去除共存的大分子蛋白的干扰。Sun等[56]成功制备了具有尺寸排阻作用的磁性石墨烯/介孔二氧化硅复合材料, 并通过后续的PDA包覆和Ti4+固定合成了一种新型的IMAC吸附材料Ti4+-MGMSs，成功应用于富集人血清和唾液中的内源性磷酸化肽。亲水性PDA的引入大大简化了材料的制备过程, 而介孔二氧化硅的有序介孔通道则有利于内源性磷酸化肽的捕获, 同时大尺寸的蛋白则被排除在外。金属有机骨架化合物(MOFs)是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与有机配体通过自组装相互连接而形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料, Zhao等[57]首次将锆基MOFs材料修饰于PDA涂覆的磁性微球表面，制备了磁性有机-无机复合材料Fe3O4@PDA@Zr-MOF, 将其作为新型的IMAC吸附材料成功用于磷酸化蛋白的研究。研究结果表明, 材料中的MOFs外壳由于较大的比表面积, 有利于磷酸化肽和Zr4+离子之间的相互作用, 具有比其他类型的IMAC材料更大的吸附容量和富集效率。最近, Zhang等[58]尝试将沸石咪唑酯骨架-锌苯并咪唑(ZIFs-7)与PDA涂覆的磁性纳米粒子于样品溶液中混合, 由于PDA中的部分官能团(-OH和-NH2)可通过非共价吸附及共价作用结合ZIFs-7, 所以简单的混合过程就同时一步实现了ZIFs的磁化与PAHs的dSPME萃取。结合GC-MS分析方法, PAHs检出限可达0.71～5.79 ng/L, 所建方法已成功用于水样及空气样品中PAHs的分析。表 1对PDA功能化的吸附剂在dSPME中的典型应用进行了简要概括。
分子印迹技术是在聚合物材料的制备过程中构建与模板分子在大小、形状和结构功能上都互补的特异性结合位点, 以实现材料对模板分子的选择性识别或结合。Mao等[59]通过表面引发原子转移自由基聚合(ATRP)反应, 制备了磁性的核-壳型磺胺二甲嘧啶(SMZ)分子印迹聚合物。实验中先在磁球表面形成PDA层, 然后将ATRP的溴化物引发剂接枝到PDA表面, 在有机金属催化下加入功能单体和交联剂。通过这种方式所形成的分子印迹聚合物层可实现食品中SMZ的高选择性吸附。
作为生物物质基础的蛋白与生物体的各种生命活动密切联系在一起。由于蛋白相对分子质量高、体积庞大且构型复杂, 所以选择合适的功能单体和印迹方式实现蛋白分子印迹既具有理论意义和实际应用价值, 又具有很高的挑战性[60]。Ouyang等[61]用修饰有环氧基的多孔氧化铝膜作为基体材料, 通过环氧基与氨基的反应固着模板蛋白, 然后以DA作为功能单体在中性pH值条件下氧化自聚形成PDA聚合物网络, 溶解氧化铝膜和去除模板蛋白后得到了目标蛋白印迹的纳米线, 后续实验表明材料对目标蛋白具有特异性的识别能力和高结合容量。与传统的蛋白分子印迹方式相比, 这种以DA为功能单体的体系具有条件温和、过程简单等优点。Xia等[62]采用相似的策略, 以牛血红蛋白(BHb)为模板分子、DA为功能单体, 在二氧化硅纳米粒子载体上制备了BHb印迹纳米材料。在模拟生理条件下, 印迹材料对模板分子表现出很高的亲和力, 可用于混合蛋白样品中模板蛋白的选择性吸附, 同时材料还具有很好的稳定性和再生性, 可多次重复使用。Zhang等[63]以羧基官能化的Fe3O4NPs作内核, 制备了溶菌酶印迹的PDA层。PDA壳层的厚度可通过调节Fe3O4NPs和多巴胺的质量比来控制, 实验结果表明PDA壳层厚度对溶菌酶的最大结合容量影响甚大。Liu等[64]以木瓜蛋白酶为模板分子、DA为功能单体, 在弱碱性条件下与多壁碳纳米管混合, 通过这种简单的方法在碳纳米管表面一步制得了木瓜蛋白酶印迹的PDA膜, 吸附实验表明所制得的MWNTs@MIPs材料对模板蛋白表现出高选择性、高结合容量及快速的动力学特征。Lin等[65]利用糖蛋白可与硼酸基可逆共价结合的特性, 制备了对糖蛋白具有特异性识别能力的整体柱。实验中, 首先将糖蛋白辣根过氧化物酶(HRP)通过硼酸基亲和作用固定于4-乙烯基苯基硼酸(VPBA)修饰的整体柱表面, 然后加入DA发生氧化自聚反应。由于硼酸基亲和与DA表面印迹的同时作用, 去除HRP后可在制备的印迹整体柱中得到稳定的可识别位点, 这有利于HRP的重新结合, 同时提供了良好的再现性和较高的使用寿命。对比实验结果表明, 与VPBA修饰整体柱、非印迹整体柱相比, HRP印迹整体柱对HRP分子表现出更高的特异性识别能力。
固相微萃取(SPME)集采样、萃取、浓缩和进样于一体, 作为一种绿色萃取方法, 具有小型化、自动化和快速等优点。然而, 经常用作SPME萃取头的石英纤维具有易折、涂层易脱落和使用寿命短等缺陷[66]。Feng[67]等用PDA作为黏合层, 经由迈克尔加成或席夫碱反应将胺官能化的多壁碳纳米管固着于不锈钢丝表面。以此材料作为SPME萃取头, 考察了其对水样中6种酚类物质的萃取能力。研究结果表明, 这种新型的萃取头结实耐用, 对酚类物质具有极佳的富集能力, 6种酚类物质的检出限范围为0.02～0.10 μ g/L, 远低于商品化和实验室早期自制的纤维萃取头。Zhang等[68]建立了基于聚醚醚酮(PEEK)管的固相微萃取-HPLC方法。研究中首先使用PDA对化学惰性的PEEK管进行改性, 而后在管内原位合成了聚(丙烯酰胺-二甲基丙烯酸乙二醇酯)整体柱。整体柱可通过一六通阀与HPLC分析系统在线联用, 从而实现水样中3种原小檗碱类物质的在线富集与分离, 富集倍数可高达400。该课题组[69]还提出了一种基于PDA特性来实现石墨烯层-层自组装的新方法:首先在聚四氟乙烯(PTFE)表面形成PDA层, 然后石墨烯通过与PDA共价作用而自组装。通过重复这两个步骤可以得到层数可控的功能化氧化石墨烯(FGO)改性聚四氟乙烯管。研究发现, 当石墨烯层数为3时所形成的材料(FGO-PD)3-PTFE显示出了最高的萃取效率, 对6种PAHs的富集倍数达1 082～2 331。利用此材料所建立的在线SPME-HPLC-荧光检测方法对PAHs的检出限低达0.05～0.1 pg/mL。该课题组[70]还采用类似的策略将类沸石咪唑酯骨架化合物(ZIFs)固定到了PEEK管内, 研究发现PDA层的存在有利于ZIF-8的成核和生长。所建立的在线SPME-HPLC方法用于测定环境样品(自来水和土壤)中6种多环芳烃, 富集倍数达到550～734。
DA通过简单的氧化自聚反应可在几乎所有的材料(如金属、石英、沸石、PDMS和PTFE等)表面形成稳定的PDA膜; PDA具有良好的生物兼容性, 其结构中富含多种官能团(如酚羟基、醌基、胺和羧基等), 具有一定的两亲性能, 不仅可与被分析物发生分子间作用而用于富集和分离, 而且可在一定条件下发生特定的化学反应, 为各种材料的进一步修饰和改性提供可能。PDA的这些特性使其成为分离科学领域一种理想的表面改性功能材料。
尽管目前PDA已经在分离科学领域得到了一些实际应用, 然而对于PDA的形成机理仍需进一步探讨和深入的研究。此外, 目前制备的PDA层的厚度较低, 一般单次涂覆的厚度≤50 nm, 涂层形成过程也极易受各种制备条件(如溶液pH值、DA浓度、氧化剂种类和温度等)的影响。多数情况下, 为了达到较好的富集或分离效果需多次涂覆, 这无疑会延长涂层的制备时间, 制备步骤增多也会对涂层的重现性产生不利影响。相信随着各种现代实验表征手段(如NMR、XPS和HRMS等)的采用和理论研究的进一步深入, PDA的聚合机制和精细结构将得到进一步阐明; 不仅可为合成可控的PDA层提供理论和实践上的指导, 还有助于进一步开发出新型的分离和富集材料, 以实现复杂样品的高效分离与分析。
2016,
Vol. 34 Issue (11): 1022-1030
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