纳米粒子指的是至少一维尺寸在1~100 nm范围内的材料, 由于纳米粒子的量子尺寸效应使其具有特殊的物理化学性质, 被广泛应用于物理、化学、材料学和医学等领域[1]。其中, 金纳米粒子(GNPs)由于比表积大、制备方法简单、稳定性好、生物相容性好、表面易修饰等优点, 被大量应用于分离学科中分离选择性的提高[2]。在分离学科中, GNPs既能作为流动相添加剂, 也能作为固定相固载到基质柱的表面, 起到改善分离的作用。由于GNPs自身具有较强的紫外吸收, 用作添加剂对GNPs的浓度要求比较严格, 而作为固定相则紫外检测不受干扰, 并且可以循环使用。同时, 由于GNPs表面易与含巯基、氨基、氰基官能团的化合物特异性结合, 导致GNPs能轻易固载到含上述活性官能团的基质柱上, 因而GNPs作为固定相应用非常广泛。
近年来, Svec课题组[3-8]发表了多篇关于将GNPs修饰到聚合物毛细管整体柱中作为固定相分离多种不同化合物的文章, GNPs的表面后续修饰上含巯基的长链烷烃、极性化合物以及离子化合物, 可用于反相、亲水以及离子交换等色谱分离模式, 进一步扩大了色谱柱的应用范围。由于GNPs的引入, 色谱柱对蛋白核糖核酸酶A、细胞色素c、肌红蛋白、多肽类以及核苷酸等生物分子均获得了较好的分离结果。2011年, Sykora等[9, 10]将GNPs固载到巯基衍生化的毛细管开管柱中, 在电色谱条件下成功地分离了多环芳烃萘、芴、菲、蒽混合物以及多肽混合物。2012年, Lu等[11]将GNPs修饰到毛细管硅胶整体柱内, 在电色谱条件下对中性小分子烷基苯类、多环芳烃类、酸性小分子苯酚类以及碱性小分子苯胺类实现了快速高效的分离, 与未修饰GNPs相比, GNPs的引入显著提高了固定相的分离选择性。
由于手性药物的对映异构体在生物体内能发挥不同的药理学和药效学效应, 因而手性拆分一直是分离领域中的重点。近年来, GNPs在手性拆分领域中的应用也取得了一定的进展。Li等[12, 13]合成了金纳米粒子环糊精结合物(GNP-CD)并分别将其固载到毛细管开管柱和聚合物整体柱基质中, 基线分离了佐匹克隆、托吡卡胺、氯苯那敏手性药物。2016年, Li等[14]将GNP-CD结合物修饰到液相硅胶填充柱中, 对普萘洛尔异构体实现了基线分离。2011年, Lu等[15]将GNP-牛血清白蛋白(BSA)结合物修饰到巯基衍生化的硅胶整体柱中, 拆分了9对异硫氰酸苯酯(PITC)衍生化的氨基酸。GNP-BSA结合物主要通过物理吸附法将BSA固载到GNPs的表面, BSA的固载量及稳定性均会受到影响, 因而在拆分氨基酸异构体时需要柱前衍生化步骤。
毛细管电色谱(CEC)具有毛细管电泳(CE)和高效液相色谱(HPLC)的双重分离性能, 因而被广泛地应用于手性拆分、小分子物质及生物样品分析[16, 17]。本文通过引入3-巯基丙酸作为活性中间链, 在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDCI)催化偶联下, 将BSA通过化学键合的方法固载到GNPs的表面作为CEC手性固定相拆分手性化合物。通过在GNPs的表面引入巯基试剂作为间隔臂, 柱外键载蛋白质的方法在文献中已有介绍, 蛋白质固载效率高且稳定性良好[18, 19]。本试验尝试在色谱柱内通过化学键合法将BSA固载到GNPs的表面用做手性固定相, 用于解决物理吸附法蛋白质易流失以及样品柱前衍生化操作繁琐的问题。通过优化色谱柱的制柱条件及运行条件, 制备了性能稳定的新型手性固定相, 此制柱方案为其他手性选择剂的引入提供了良好的思路。
HP3D CE 7100毛细管电泳仪、二极管阵列检测器(DAD)、Agilent 1200高效液相色谱仪(美国Agilent公司); GC-14B气相色谱柱温箱、UV-1800紫外可见分光光度计(日本Shimadzu公司); S-3400N Ⅱ扫描电子显微镜、X-射线能谱分析仪(EDS, 日本Hitachi公司); FEI Tecnai-12透射电子显微镜(荷兰Philips公司); Micromeritic ASAP 2020全自动比表面积及孔隙度分析仪(美国Micromeritic公司); 石英毛细管(75 μm i. d., 365 μm o. d., 河北永年光导纤维厂)。
四甲氧基硅烷(TMOS, 纯度98%)、聚乙二醇(PEG 10000)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES, 纯度99%)、3-巯基丙酸(3-MPA, 纯度98%)、EDCI、色氨酸、阿替洛尔、麻黄碱(上海Aladdin公司); 氯金酸(纯度98%, 上海化学试剂有限公司); 柠檬酸钠、尿素、二甲基甲酰胺(DMF)、醋酸、甲苯、盐酸、磷酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠(南京化学试剂有限公司); BSA(纯度≥98%, 美国Sigma-Aldrich公司)。以上试剂除特别标注外均为分析纯。
色氨酸、阿替洛尔和麻黄碱用蒸馏水溶解成1 g/L的水溶液, 配制的所有溶液需用0.22 μm有机滤膜过滤。
参照Grabar等[20]的制备方法, 量取1 mmol/L的氯金酸溶液50 mL到圆底烧瓶中, 加热搅拌至沸腾后, 迅速加入5 mL 38.8 mmol/L的柠檬酸钠溶液, 持续加热搅拌10 min后, 除去热源, 持续搅拌至室温, 最后得到金纳米粒子胶体溶液, 放置于冰箱内4 ℃保存。反应前, 实验所用的玻璃仪器需用新鲜配制的王水溶液浸泡过夜。
硅胶基质整体柱(CSM)的制备采用溶胶-凝胶法, 方法参照文献[21], 制备得到的CSM柱经1 mol/L的HCl活化3 h, 接着取体积分数为10%的APTES的甲苯溶液灌注到酸化处理的CSM柱内, 置于GC柱温箱中, 于110 ℃反应6 h, 即可得到氨基改性的硅胶整体柱。用液相泵将制备的GNPs溶液以5 μL/min的流速灌注到氨基化的CSM柱内, 直至柱体全部变红(约16.5 cm), 流出液变粉, 即灌注达到饱和, 用蒸馏水冲洗, 即可得到金纳米粒子修饰的硅胶整体柱(GNPs-CSM)。
将10 mmol/L的3-MPA乙醇溶液灌注到GNPs-CSM柱内, 反应12 h。接着将20 mmol/L的EDCI溶液灌注到毛细管柱内活化1 h, 之后将质量浓度为15 g/L的BSA磷酸盐缓冲液(PBS, pH 5.0) 灌入柱内, 反应10 h。最后用流动相(10 mmol/L PBS)平衡1 h, 即可得到BSA修饰的手性硅胶整体柱(BSA-GNP-CSM), 制备流程图见图 1。
制备的毛细管柱长度为16.5 cm, 运行时需用特氟龙管连接16.5 cm长的空管柱, 采用在空管柱上烧检测窗的方法, 可以有效地避免固定相基质产生的紫外吸收干扰, 提高检测灵敏度。同时, 毛细管柱长的设计使特氟龙接口恰好处于毛细管卡套的水平位置, 使接口部位紧密连接, 降低死体积的产生。缓冲液为PBS, 用磷酸和氢氧化钠溶液调节pH。所有流动相预先用超声仪脱气15 min。色谱柱进样前用流动相平衡30 min以上, 至基线平稳。进样条件为3 kV、2 s, 检测波长为214 nm, 运行电压为15 kV, 柱温为25 ℃。
制备得到的金纳米粒子经紫外检测器测定, 约在520 nm处有最大吸收峰, 经透射电子显微镜(TEM)测定, 金纳米粒子分散性良好, 平均直径约为15 nm, 表征结果见图 2。
由于GNPs能与含氨基、巯基、氰基官能团的化合物特异性结合, 本试验通过引入APTES对硅胶整体柱进行氨基衍生化, 进而特异性结合GNPs, 故APTES的浓度能直接影响GNPs的引入量, 从而影响蛋白质的固载量。考察下列4种不同体积分数(0、5%、10%、15%)的APTES的甲苯溶液, BSA的反应质量浓度为15 g/L, 制备相应的BSA-GNP-CSM手性整体柱, 对模板分子色氨酸的拆分结果见表 1。当APTES的浓度为0时, 少量的GNPs能非特性地吸附到硅胶基质柱上, 由于GNPs的含量较低, 固载的蛋白质含量也相对较低, 故对色氨酸仅能实现部分分离, 分离度仅为0.66;当APTES的含量递增(5%~15%)时, 均能对色氨酸实现基线分离(分离度Rs>1.5) 且分离度递减, 保留时间(tR)也递减。主要由于GNPs的修饰量随着APTES含量的增加而增加, 后续修饰的3-MPA和BSA的含量也随之增加, 在pH 7.4的条件下, 3-MPA和BSA分子均带负电, 能产生正向电渗流, 故导致电渗流也随之增大(由1.31×10-4 cm2V-1s-1到2.21×10-4 cm2V-1s-1), 最终表现为固定相与色氨酸的相互作用时间缩短, 色氨酸分离度降低, 保留时间缩短。综合色氨酸的保留时间与分离度的双重影响, 最终选择体积分数为10%的APTES作为最佳的反应条件。
蛋白质的反应浓度直接影响了蛋白质的固载量, 分别考察了由0、5、10、15、20 g/L 5种质量浓度的BSA制备得到的手性柱, 结果如表 2所示。当蛋白质浓度为0时, 色谱柱对色氨酸无任何拆分趋势, 仅呈单峰, 说明手性柱的拆分能力仅由手性选择剂BSA决定。随着BSA反应浓度的增加, 对色氨酸的拆分效果也明显增加, 表现为分离度逐渐增大, 选择因子(α)也逐渐增加。当蛋白质质量浓度为15 g/L时, 已经达到基线分离;当继续增加蛋白质质量浓度为20 g/L时, 由于色氨酸与蛋白质的相互作用时间过长, 导致分离度继续增加, 但柱效降低, 过量的BSA可能对色氨酸产生了吸附作用。所以综合分离度和柱效的双重影响, 最终选定BSA的反应质量浓度为15 g/L。
图 3为用扫描电子显微镜(SEM)观察到的制备的CSM、GNPs-CSM和BSA-GNP-CSM的横截面, 放大1 200倍, 3种固定相的基质与管壁交联度良好。对CSM基质采用氮吸附法测孔径分布, 孔径分布范围宽, 为17~567 nm, 具有中孔和大孔结构, 平均孔径是57 nm, 基质柱渗透性良好。对3种固定相横截面进行EDS分析(见表 3), CSM柱中金元素的含量为0, GNPs-CSM柱中金元素的含量为17.18%, BSA-GNP-CSM柱中金元素的含量为6.36%。由EDS结果可知, GNPs被成功引入到GNPs-CSM柱和BSA-GNP-CSM柱中。蛋白柱相对于金纳米柱的金元素含量降低, 主要是由于固载的金纳米粒子表面后续修饰上大量BSA分子导致金元素的响应降低、同时碳元素的含量显著升高造成的。
以水为流动相, CSM柱和GNPs-CSM柱的柱压均随流速的增加而增加, 且柱压y(Pa)与流速x (mL/min)的线性方程分别是y=1.0×109x-1.9×105(r2>0.99) 和y=1.0×109x-6.4×104(r2>0.99)。在相同流速下, GNPs-CSM柱的柱压仅略高于CSM柱, 说明金纳米粒子的引入对基质柱的渗透性影响不大, 不用担心堵柱现象的产生, 也证明了硅胶基质柱具有良好的渗透性。
随着pH值的增加, 色氨酸的保留时间缩短, 分离度降低(见图 4a)。主要原因是pH值能影响手性选择剂BSA的解离。BSA的pI值约为4.7, 在pH 7.0到7.8的范围内解离带负电, 在正压模式下产生正向电渗流, 故当pH值增大, BSA解离增加, 电渗流也增大, 色氨酸与蛋白质的相互作用减弱, 出峰时间缩短, 分离度降低。当pH=7.0时, 分离度最大达2.47, 但由于与BSA作用过强, 导致色氨酸柱效降低, 尤其是L-色氨酸。综合对分离度、柱效和保留时间的影响, 最终选择pH 7.4为最适pH值, 此时分离度为1.83, D-色氨酸和L-色氨酸的柱效分别为77 678 plates/m和4 484 plates/m。从图 4a中可以看出, L-色氨酸(第二个色氨酸峰)相对于D-色氨酸(第一个色氨酸峰)保留时间长, 峰形拖尾严重。主要原因是L-色氨酸与BSA分子存在一级结合位点, 而D-色氨酸不存在此结合点, 因而导致BSA与L-色氨酸结合过强, 最终导致峰形拖尾严重[15, 22]。
除了pH值, PBS的离子浓度也是影响色氨酸手性拆分的重要因素。离子浓度升高(由5到20 mmol/L), 离子强度增加, 双电层厚度减小, Zeta电势降低, 电渗流减小(由2.15×10-4 cm2V-1s-1到1.27×10-4 cm2V-1s-1), 色氨酸与BSA相互作用增强, 故分离度逐渐增加(由1.82到5.12, 见图 4b)。但是, 离子浓度过高, 电流增大, 焦耳热增加, 运行过程中易产生气泡, 容易断流, 同时保留时间也大大延长, 峰拖尾严重。综合上述因素, 最终选择10 mmol/L PBS。
电压主要影响电渗流的大小, 电压越大, 电渗流也越大, 色氨酸与BSA的相互作用时间缩短, 故分离度随着电压的增加呈下降的趋势, 保留时间也逐渐减小, 但柱效却呈逐渐增加的趋势(见图 4c)。在15 kV的条件下, 分离度为1.79, 达到基线分离, 且保留时间短, 柱效较高, 故选为最适分离电压。
BSA-GNP-CSM手性柱除了能对色氨酸实现基线分离(Rs=1.79) 外, 对手性药物阿替洛尔和麻黄碱有明显的分离趋势, Rs分别是0.78和1.05(见图 5), 说明制备的手性柱对手性药物的拆分具有潜在研究意义。
此外, 与物理吸附法制备的BSA手性固定相进行比较, 本文制备的两种BSA手性固定相对色氨酸的拆分结果如图 6所示。物理吸附法制备的BSA手性柱对色氨酸手性识别能力差, Rs仅为0.44, 并且柱效极低。由于通过物理吸附法制备的手性柱中金纳米粒子表面固载的BSA含量降低, 手性识别能力下降, 分离度降低, 同时大量裸露的金纳米粒子对色氨酸具有较强的吸附作用, 需要在高压(20 kV)条件下检测; 手性药物阿替洛尔和麻黄碱则被严重地吸附在固定相中, 无法被检测, 主要原因是金纳米粒子能与氨基官能团特异性结合, 导致固定相对碱性含氮化合物产生严重的吸附作用。因此, 相比于物理吸附法, 通过化学键合法制备的BSA手性柱具有手性识别能力强、柱效高、分析时间短等优点。
文献[15]中采用物理吸附法制备的BSA手性固定相仅能对衍生化的氨基酸实现基线分离, 氨基酸需要与PITC试剂进行柱前衍生化步骤, 操作繁琐费时, 分析物保留时间长(10~14 min), 需高比例的甲醇(体积分数为55%~70%)作为流动相洗脱, 对BSA的稳定性及活性可能产生影响。通过化学键合法制备的BSA手性柱, 样品无需柱前衍生化, 对手性药物阿替洛尔和麻黄碱具有明显的拆分趋势, 分析时间短(4~8 min), 柱效高(D-色氨酸的柱效约是物理吸附法的7倍)。这一结果表明, 化学键合法制备的BSA手性固定相具有明显的手性拆分优势。
以色氨酸为分析物, 通过测定色氨酸的保留时间和选择因子的RSD值来考察BSA-GNP-CSM手性柱的重复性及稳定性。从表 4可以看出, 连续进样6针, 保留时间的RSD值≤2.3%, 选择因子的RSD值为0.96%, 色谱柱的进样精密度良好。还考察了色谱柱的日间精密度, 每天连续进样3针, 重复进样3天, 保留时间和选择因子的RSD值均在可接受的范围内。柱间精密度的测定是在相同条件下制备了3根手性柱, 每根色谱柱连续进样3针, 色氨酸的保留时间和选择因子的RSD<5%。将柱子保存在4 ℃缓冲液中, 放置两个月仍能保持良好的手性识别能力, 说明通过化学键合法制备的手性柱具有良好的重复性和稳定性。
本文通过后修饰的方法将金纳米粒子引入氨基化的硅胶整体柱中, 后续键合手性选择剂BSA分子, 制备得到的手性柱用于色氨酸和其他药物对映体的分离。同柱外预先生成GNP-BSA结合物的方法相比, 本实验采用后修饰的方法键载BSA, 可以有效地避免在柱外条件下金纳米粒子由于巯基试剂、BSA的引入而易发生团聚的问题, 有利于金纳米粒子灌入到色谱柱中, 同时也便于后续实验条件的考察。同物理吸附法制备的BSA手性柱相比, 化学键合法制备的手性柱具有明显的拆分优势。由于GNPs修饰的BSA手性固定相在电色谱中的应用还处于初始阶段, 固定相仅能对色氨酸实现基线分离, 对手性药物的识别能力还需加强, 在以后的工作中还需进一步优化色谱柱的制柱条件及运行条件, 进一步提高手性固定相对手性药物的拆分能力。