去甲肾上腺素包覆的缺陷工程手性分子筛（MOF）在毛细管电色谱中实现了协同的对映体分离

《Talanta》：Norepinephrine-Coated Defect-Engineered Chiral MOF Enables Synergistic Enantioseparation in Capillary Electrochromatography

缺陷工程修饰的UiO-66-l-Pro金属有机框架通过功能化毛细管壁原位生长，并辅以Fe2+催化聚甲基去甲肾上腺素分子印迹层，显著提升毛细管电色谱中色氨酸对映体的分离效率（4.18）与稳定性，为高选择性手性分离柱开发提供新策略。

翟振华|郭春燕|梁乐|杜帅静|杜英翔

中国药科大学理学院，南京210009，中华人民共和国

摘要

手性缺陷工程提供了一种多功能策略，用于构建具有可调结构和手性识别能力的手性金属有机框架（CMOFs），从而提高对映体分离的分辨率。然而，将经过缺陷工程处理的CMOFs稳定地固定在毛细管内表面上——这对于制造高效的手性分离柱至关重要——仍然是一个挑战。在本研究中，通过接枝GLYMO-IDA-硅烷（由3-甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GLYMO）和亚氨基二乙酸（IDA）合成）来对毛细管壁进行功能化处理。在此基础上，在HCl调控下，将缺陷工程处理的手性MOFs（UiO-66-l-Pro）原位生长在改性表面上。随后，在温和的中性条件下，通过Fe²⁺催化的聚合反应，涂覆了一种基于多巴胺（PNE）的分子印迹聚合物（MIP），从而显著提高了固定相的稳定性和对映选择性。所得到的MIP@UiO-66-l-Pro固定相在色氨酸的对映体分离中实现了显著提高的分辨率（4.18），并在实际样品的定量分析中表现出可靠的性能。这种手性缺陷工程处理过的MOFs与分子印迹聚合物的协同整合，为构建高性能的手性固定相提供了一种新颖而有效的策略。

引言

手性指的是彼此为镜像且不能重叠的结构，例如左手和右手，它们具有相同的组成但在空间排列上有所不同。[1] 这种立体化学性质赋予生物活性分子独特的、有时是不利的生理和药理性质。[2],[3] 对于色氨酸而言，l-色氨酸（l-Trp）是生物体内的必需氨基酸，是血清素和褪黑素合成的关键前体，同时也是多种疾病的生物标志物。[4] 相反，d-色氨酸（d-Trp）天然存在于某些植物和微生物中，但在人体中的含量要少得多。[5] d-Trp还调节TGF-β信号通路和上皮-间充质转化（EMT），在癌症治疗、伤口愈合和器官发育等相关领域具有广泛的应用前景。[6] 鉴于色氨酸对映体在生理上的显著差异，在生物基质中进行可靠的手性分离和定量分析对于研究和诊断目的至关重要。已经有多种分析技术被用于色氨酸外消旋体的分析，包括荧光光谱法、[7] 电化学、[8] 高效液相色谱（HPLC）、[9] 气相色谱（GC）[10] 和毛细管电色谱（CEC）。[11],[12] 然而，HPLC和GC柱的成本远高于CEC柱，而荧光和电化学检测方法常常受到共存物质的干扰。

手性金属有机框架（CMOFs）由于其可调的孔隙率和官能团，已被用作CEC的手性固定相。[13],[14] 研究人员通过各种方法将手性基团引入MOFs，并将其进一步涂覆在毛细管柱上以实现对手性对映体的分离。[15] Sun等人将NH₂-MIL-53原位生长在羧基化的毛细管内壁上，随后通过后合成修饰将其转化为手性的l-His-NH-MIL-53，用于药物对映体的分离。[16] Fu等人通过戊二醛介导的Schiff碱反应将手性的l-Arg共价固定在UiO-66-NH₂上，构建了UiO-66-NH-l-Arg@capillary，用于有效分离氨基酸。[17]

缺陷工程是一种有意识的策略，利用调节剂来控制MOFs中结构缺陷的形成，包括缺失连接键和缺失簇的缺陷。[18],[19] 通过将手性分子作为缺陷调节剂引入MOFs，可以同时引入手性中心和扩大的缺陷孔隙。[20] 例如，Zaworotko等人报道了一种缺陷CMOF（CMOM-3S），将其通过动态涂覆过程加载到毛细管柱上，并用作GC中的手性固定相，以实现醇和腈的外消旋混合物的对映体分离。[21]

缺陷CMOFs的合成和后合成修饰通常使用无机酸作为配位调节剂，这可以减缓配位网络的形成，从而提高框架的结晶度。[22],[23] 到目前为止，只有少数研究探索了将缺陷CMOFs固定在毛细管内表面的方法，其中的关键挑战是实现稳定的固定。硅烷偶联试剂3-甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GLYMO）可以与亚氨基二乙酸（IDA）反应，生成羧基功能化的硅烷偶联剂GLYMO-IDA-硅烷，该试剂可以接枝到毛细管内表面上。[24] 锆离子作为强酸阳离子，容易与羧基形成稳定的配位键，[25] 使其能够固定在GLYMO-IDA-硅烷改性的毛细管壁上。基于此，以结构稳定性著称的锆基MOF UiO-66可以通过盐酸和l-脯氨酸（l-Pro进行修饰，从而实现明显的非对映选择性，为手性分离提供了很大的潜力。[26],[27]

一些MOFs在生理条件下的水分散性较差且稳定性不足，这限制了它们的实际应用。[28] 多巴胺可以在CMOF表面上发生自聚合，形成保护性粘合涂层。[29] 在优化条件下，引入模板分子可以成功形成分子印迹聚合物（MIP）。为了进一步增强这一策略的实用性，最近的研究报道了使用去甲肾上腺素（多巴胺的衍生物）作为纳米粒子表面的涂层。[30] 值得注意的是，超薄且光滑的基于多巴胺的分子印迹聚合物（PNE）涂层表现出很强的抗非特异性蛋白质吸附能力，从而提高了稳定性和分子识别性能。[31]

在这项工作中，我们通过将手性缺陷MOF（UiO-66-l-Pro）与分子印迹PNE层结合，开发了一种涂覆的毛细管柱（图1）。值得注意的是，UiO-66-l-Pro是在无机酸调控下原位生长在毛细管内壁上的，使得可以直接在表面上形成手性缺陷结构——这种策略在毛细管系统中很少有报道。此外，基于PNE的MIP在中性条件下，在FeSO₄催化下在MOF表面上聚合，克服了之前只能在碱性环境下实现去甲肾上腺素聚合的限制。所得到的混合涂层实现了色氨酸对映体的有效分离和定量。此外，还进行了分子对接、密度泛函理论（DFT）计算以及基于Hirshfeld分配的IGMH（独立梯度模型）分析，提供了对对映选择性识别机制的可视化理解。因此，这项工作建立了一种将酸修饰的手性MOFs固定在毛细管表面的多功能方法，并展示了PNE/UiO-66-l-Pro界面带来的稳定性和对映选择性协同增强效应。

设备片段

仪器

所有CEC分离实验都是在Agilent 3D CE 7100毛细管电泳系统（Agilent，德国）上进行的。表面形态通过S-4800场发射扫描电子显微镜（SEM，Hitachi，日本）进行表征。在SEM观察之前，样品使用E-1045离子溅射镀膜机（Hitachi，日本）进行了金镀膜处理。X射线光电子能谱（XPS）使用ESCALAB 250Xi光谱仪（Thermo Fisher Scientific，美国）进行分析

表征

为了确保毛细管内壁上固定相构建的可控性和结构完整性，在每个修饰阶段都使用了光学显微镜和电子显微镜进行了多尺度形态表征。由于熔融石英毛细管的高透明度，可以在光学显微镜下直接监测固定相在其内表面的加载情况。裸露的毛细管、COOH@capillary、UiO-66-l

结论

在这项研究中，通过在酸性条件下将手性缺陷金属有机框架UiO-66-l-Pro原位生长在毛细管内壁上，随后在中性条件下通过Fe²⁺催化的去甲肾上腺素氧化自聚反应对表面进行修饰，构建了一种新的CEC手性分离系统。该系统被应用于色氨酸对映体的分离。Fe²⁺离子可以催化去甲肾上腺素的氧化自聚

CRediT作者贡献声明

杜英翔：撰写——审稿与编辑、方法学、资金获取、形式分析、概念化。杜帅静：撰写——审稿与编辑、方法学、形式分析。翟振华：撰写——初稿、方法学、研究、形式分析、数据管理、概念化。梁乐：研究、形式分析。郭春燕：方法学、研究

资助

这项工作得到了国家自然科学基金（编号：82073809）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。