聚合物刷复合纳米金属有机骨架超长开管柱的制备与分离选择性研究

Preparation of novel open-tube column with high peak capacity, column efficiency and selectivity for the separation of complex biological sample is of profound significance for in-depth proteomic analysis. In this research, we incorporate nanosacle metal-organic frameworks (NMOFs) into polymethyl methacrylate (PMMA) brushes to produce a new composite, and fabricate of hybrid NMOFs-PMMA coated capillary to prepare ultra-long (>5m) open-tube LC column with small diameter (<20 μm). Firstly, functionalized PMMA brushes in-situ grow on the rough surface of capillary. Subsequently, NMOFs such as MIL-53, MIL-101 are incorporated via covalent bonding and steric effect to construct capillary LC separation system with multiple separation modes. The morphology of NMOF particles on the inner surface of capillary and the conformation relationship bettween NMOF and polymer brush will change with mobile phase, which reflects the change of separation mode and selectivity. The ultra-long open-tube column with small diameter combines the advanges of high phase ratio, multiple active sites, screening ability from polymer brushes and charateristics of high specific area, size exclusion and rich structure patterns from MOFs, which helps to achieve unification of high column efficiency, peak capacity and selectivity as well as increase sample capacity. The analysis method against protein samples with different modification and structure will be develped and applied into identifaiction of low abundante proteins in minute of samples.

高柱效、高峰容量、高选择性色谱柱是深入分析复杂生物样品的必要工具。本项目以聚合物刷复合具有特殊表面和孔结构的纳米金属有机骨架材料作为分离介质，制备长度超过5 m、内径小于20 μm的超长细内径开管色谱柱。采用活性自由基聚合法在毛细管粗糙内表面原位修饰波浪形聚合物刷，并通过化学键合和位阻作用嵌入MIL-53、MIL-101等纳米金属有机骨架材料，构建成多分离模式混合的毛细管液相色谱分离柱系统。随着流动相的改变，纳米颗粒在管壁上的形态及其与聚合物刷的构象关系也随之改变，导致分离模式权重的变化。新型开管色谱柱充分结合聚合物刷高相比、多活性位点和筛分性能以及纳米金属有机骨架材料高比表面积、孔尺寸排阻和结构丰富的特点，在有效提高样品容量的同时，实现高柱效、高峰容量和高选择性的统一。针对不同修饰和结构的蛋白样品，发展高选择性分离分析方法，并用于微量生物样品中特殊结构低丰度蛋白质的鉴定。

以聚合物/有机金属框架材料（MOFs）复合材料作为开管毛细管液相色谱柱的分离介质，可以充分利用MOFs的巨大比表面积和开管柱反压低的特征。通过制备超长柱达到高的绝对分离柱效，有效改善柱系统的分离性能，极大地拓宽毛细管液相色谱的应用领域。本项目在修饰聚合物开管毛细管色谱柱的基础上，将IRMOF-3, ZIF-8, MIL-100(Fe), UiO-66, MIL-101(Cr)等多种MOFs材料与聚合物复合，制备成开管毛细管柱，并将其应用于毛细管液相色谱的分离研究。.基于优化的聚合物修饰方法和MOF材料功能化方案，分别采用化学键合法、原位生长法和掺杂法将MOFs材料与聚合物复合，使其在毛细管内壁形成具有特殊分离性能的分离介质，并极大地提高其样品容量。MOFs的复合也同时改善了开管柱的分离性能，使绝对分离柱效得到较大提高。其中1m 长NH2-MIL-101(Cr)掺杂的两性聚合物开管毛细管液相色谱柱绝对柱效可达146,181 plates。 MOF的加入，也同时引入的相应的特征基团，改善固定相的色谱分离选择性，使其能够在不同的分离模式下操作，以完成不同的分离目的。除了疏水作用、氢键、亲水相互作用，π-π堆积相互作用等相互作用外，未饱和金属离子的配位作用也有助于分析物的分离。通过考察不同流动相条件下，酸性、中性、碱性分子分离特征，评价多分离模式混合的毛细管液相色谱分离柱系统性能。核酸碱基、核苷及BSA酶解液的成功分离说明该类柱在生物样品分离方面有着广泛的应用前景。