彭 坤，吳慧慧，李 林，王啟欽，于 沛，江正瑾*

(1.暨南大學 藥學院 藥物分析研究中心，廣東 廣州 510632；2.暨南大學 藥學院 新藥研究所，廣東 廣州 510632；3.安徽省第二人民醫(yī)院(安徽省職業(yè)病防治院)，安徽 合肥 230022)

液相色譜作為一種重要的分離分析手段，廣泛應(yīng)用于化學、生命科學和藥學中。近年來，隨著分離理論和分析軟件硬件的快速發(fā)展，各種液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)手段越來越先進。但由于新藥研發(fā)、蛋白質(zhì)組學分析、中藥有效成分分析等領(lǐng)域的快速發(fā)展，色譜分析技術(shù)仍面臨眾多新的挑戰(zhàn)。色譜柱作為色譜分析技術(shù)的核心，一直是色譜領(lǐng)域的重要研究對象。傳統(tǒng)硅膠基質(zhì)填充色譜柱(粒徑為3～5 μm)存在pH適用范圍窄(pH=2.0～8.0)、傳質(zhì)阻力大、通透性較差、制備工藝復雜及成本高等不足；近年來，粒徑為1～2 μm的填料迅速普及，它可顯著提高柱效和縮短分析時間，但隨填料粒徑的減小柱背壓急劇上升[1]。因此，開發(fā)高效快速、高選擇性且制備方法簡單的新型色譜分離材料，仍然是分析科學及材料科學等領(lǐng)域的重點研究方向。

整體固定相是采用有機或無機聚合方法在色譜柱內(nèi)進行原位聚合的連續(xù)床固定相，與傳統(tǒng)硅膠固定相相比，具有制備工藝簡單、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、通透性好、傳質(zhì)速度快、pH適用范圍寬、易于修飾和可進行高效快速分離等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于微徑液相色譜(CLC)、電驅(qū)動色譜(CEC)及樣品前處理等方面，因此被稱為繼多聚糖、交聯(lián)與涂漬及單分散固定相后的“第四代色譜材料”[2]。基于材質(zhì)的不同，目前整體柱可分為硅膠基質(zhì)整體柱、有機聚合物基質(zhì)整體柱及有機無機雜化基質(zhì)整體柱。20世紀90年代初，Tanaka教授課題組通過溶膠-凝膠法制備出無機基質(zhì)的整體柱[3]，其具有機械強度高、化學性能穩(wěn)定、比表面積大等特點；尤其是其骨架分布均勻且結(jié)構(gòu)接近灌流色譜填料，通孔和介孔可分步控制，同時具備高通透性和高柱效的特性，因此可用于復雜樣品中小分子和生物大分子的高效快速分離[4]。然而，硅膠基質(zhì)整體柱存在制備過程復雜耗時、在生物樣品分離分析時拖尾現(xiàn)象及吸附作用較嚴重等不足，且其制備技術(shù)被少數(shù)研究人員掌握，并存在嚴格的專利壁壘，從而限制了其進一步發(fā)展與應(yīng)用。2000年，Hayes等[5]首次通過溶膠-凝膠法制備出有機無機雜化整體柱，該類整體柱結(jié)合了硅膠整體柱和有機聚合物整體柱的優(yōu)點，成為整體柱未來發(fā)展的重要方向之一[6-10]。但其研究仍處于探索階段，如反相作用機理的雜化整體柱對復雜樣品的分析能力尚不足，因此需發(fā)展新型制備方法和功能單體來改善其形貌均勻性、提高柱效及對酶解產(chǎn)物或代謝物等復雜樣品的分離分析能力。

有機聚合物基質(zhì)整體柱是由功能性單體、生孔劑、交聯(lián)劑及引發(fā)劑的混合物在預(yù)烯基化的毛細管柱內(nèi)部通過自由基引發(fā)原位聚合而成的連續(xù)床固定相，反應(yīng)完成后通過高壓泵泵入甲醇等極性溶劑去除未反應(yīng)的試劑，最終得到具有通孔和中孔的聚合物整體柱(圖1)[11-14]。理想的有機聚合物整體柱內(nèi)部通常呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)骨架和多孔結(jié)構(gòu)。有機聚合物整體柱的孔尺寸大小和分布[15]、骨架結(jié)構(gòu)等均與聚合溶液的組成及反應(yīng)時間和溫度密切相關(guān)，制備過程中需對這些影響因素進行系統(tǒng)優(yōu)化。

圖1 有機聚合物基質(zhì)整體柱的制備流程Fig.1 Schematic diagram for the preparation process of polymer monolithic column

由于具有制備過程簡單可控、通透性好、傳質(zhì)速度快、生物兼容性好、極端pH條件下穩(wěn)定、可供選擇的單體種類豐富、易于修飾等優(yōu)點，目前有機聚合物整體柱的制備及應(yīng)用研究在整體柱研究中占很大比重，并已被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學分析、生物大分子分離富集、臨床化學和環(huán)境污染物分析等領(lǐng)域[1]。

根據(jù)制備所用單體和交聯(lián)劑化學結(jié)構(gòu)的不同，有機聚合物整體柱可分為：聚丙烯酰胺類整體柱、聚苯乙烯類整體柱、聚甲基丙烯酸酯類整體柱[16]。其中，聚甲基丙烯酸酯類整體柱的功能性單體選擇范圍廣，且在pH 2.0～12.0范圍內(nèi)穩(wěn)定性良好，從而更易獲得最佳的色譜性能和廣闊的應(yīng)用范圍，成為當前研究最為廣泛的有機聚合物基質(zhì)整體柱[17]。

Svec教授[18]認為當下整體柱發(fā)展的主要方向為：(1)開發(fā)新的制備方法以獲得高柱效的整體柱；(2)開發(fā)不同功能化的新型整體柱；(3)拓寬整體柱的應(yīng)用范圍。其中，整體柱的功能化是保障其高柱效和應(yīng)用范圍的基石。在以往20年中，伴隨著有機化學等領(lǐng)域的高速發(fā)展，越來越多不同種類的新單體或功能性化合物被開發(fā)，極大地促進了功能化整體柱的研究進展。本文對近年來有機聚合物整體柱的功能化研究進行了綜述。

1 有機聚合物基質(zhì)整體柱的功能化研究

隨著各種不同官能團修飾單體或修飾方法的出現(xiàn)，有機聚合物整體柱的功能化研究進展順利，反相整體柱、親水整體柱、手性整體柱及親和整體柱等已有大量報道，并成功應(yīng)用于生物醫(yī)藥、食品分析等研究領(lǐng)域[18- 19]。

1.1 反相整體柱

根據(jù)流動相和固定相的相對極性不同,可將液相色譜分為正相色譜和反相色譜。流動相極性大于固定相極性的情況，稱為反相色譜，非極性鍵合相色譜常被作為反相色譜。反相色譜在現(xiàn)代液相色譜中應(yīng)用最廣泛，目前70%以上的液相色譜分析是在反相色譜固定相上進行。常見的反相色譜固定相有C18柱、C8、C4、苯基和氰基柱等，通常用于疏水性物質(zhì)分析[20]。但由于硅膠顆粒在pH>8.0時不穩(wěn)定，同時硅醇基對生物大分子的非特異性吸附嚴重，因此有機聚合物反相整體柱的研究首先得到了迅速發(fā)展。1993年，聚(苯乙烯-二乙烯基苯)整體柱被開發(fā)用于生物大分子分離，至今已有含不同非極性官能團(乙烯基、苯乙烯基、丙烯?；?、甲基丙烯酰基、丙烯酰胺等)的整體材料被報道[21-24]。Svec教授等[25]以甲基丙烯酸丁酯(BMA)為功能性單體、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)為交聯(lián)劑，光引發(fā)聚合制備了poly(BMA-co-EDMA)整體柱，發(fā)現(xiàn)其可在40 s內(nèi)快速分離細胞色素c、肌紅蛋白、核糖核酸酶A和卵清白蛋白。該柱現(xiàn)已被Thermo公司商業(yè)化，促進了反相聚合物整體柱的發(fā)展。

1.2 親水整體柱

親水作用液相色譜(HILIC)被稱為“反反相”色譜，與傳統(tǒng)的反相色譜法相反，其固定相為極性物質(zhì)，流動相中的水相表現(xiàn)為強溶劑。HILIC是目前保留和分離極性化合物最成功的方法。近10年中，受到制藥行業(yè)中極性藥物開發(fā)以及代謝組學領(lǐng)域的推動，HILIC已變得日益流行(圖2)。各種商業(yè)化和自制的HILIC材料日益豐富，其中有機聚合物HILIC整體柱因具有制備工藝簡單可控、通透性好、傳質(zhì)阻力低等優(yōu)點成為新一代HILIC柱中的佼佼者[26]。目前已有一系列含不同極性官能團(如羥基、氨基、氰基、磺酸根、羧酸根、兩性離子等)的有機聚合物HILIC整體柱被開發(fā)，并成功應(yīng)用于蛋白質(zhì)、多肽、DNA、核苷酸、糖類、小分子極性化合物甚至蛋白質(zhì)消解物的分離分析[27]。

圖2 HILIC整體柱的發(fā)展趨勢和分離機理Fig.2 Development trend and separation mechanism of HILIC monolithic column

HILIC整體柱的發(fā)展早期，丙烯酰胺類[28]整體固定相已有報道，但因單體可變性小且大部分存在類似商品化填充柱，因此未受關(guān)注。相對于丙烯酰胺類HILIC整體柱，甲基丙烯酸酯基質(zhì)的HILIC整體柱具有以下優(yōu)勢：商業(yè)化親水性單體選擇范圍寬；整體柱表面可通過不同方法進行改性從而提高材料表面的親水性。常見的親水性功能性單體有甲基丙烯酸羥乙酯[29]、2-甲基丙甲酸[30]、4-乙烯基苯硼酸[31]、甲基丙烯酸縮水甘油酯[32]、N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酸鹽酸鹽[33]、3-磺丙基甲基丙烯酸酯[34]等。近年來，其他新型功能化HILIC柱也被開發(fā)，尤其是兩性離子官能團修飾的有機聚合物HILIC整體柱因存在高效、高選擇性的親水作用及與帶電分析物之間的弱靜電作用而備受關(guān)注，其中具有代表性的是甜菜堿[35]和磷脂酰膽堿類功能性單體[36]。本課題組近年來采用不同兩性離子功能單體[37-41](圖3)，制備了一系列有機聚合物HILIC整體柱。課題組還研究了不同交聯(lián)劑制備甜菜堿功能化HILIC整體柱的差異，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)劑的極性對所制備整體柱的親水性、選擇性及柱效等影響顯著。除甜菜堿類化合物外，磷脂酰膽堿類單體是另一種非常重要的兩性離子化合物。本課題組以2-甲基丙烯酰羥乙基磷酰膽堿(MPC)、2-甲基丙烯酰氧乙基膽堿磷酸丁酯(MBP)為功能單體，EDMA為交聯(lián)劑分別制備了poly(MPC-co-EDMA)和poly(MBP-co-EDMA)整體柱，已成功應(yīng)用于極性化合物的分離，并進行了選擇性和色譜性能的對比[40-41]。

圖3 兩性離子功能單體Fig.3 Zwitterionic functional monomers

盡管已有一系列商品化的硅膠基質(zhì)HILIC固定相和各種功能化的HILIC整體材料被報道，但由于HILIC作用機制的復雜性和多樣性，其分離理論尚不明確。發(fā)展新型HILIC固定相，探究HILIC的作用機理，是HILIC整體材料未來發(fā)展的方向之一。

1.3 手性整體柱

在新藥研發(fā)中，超過50%的藥物活性成分有光學活性[42]。盡管手性對映體具有相同的物理化學性質(zhì)，但它們的藥理和毒理作用通常不同甚至相反。因此，手性對映體的定性定量分析受到了科學家和監(jiān)管部門的高度重視。近年來已有蛋白質(zhì)、纖維素、環(huán)糊精、大環(huán)抗生素、氨基酸及MOFs等聚合物手性整體柱被開發(fā)用于手性樣品的分離分析[43]。

1.3.1蛋白質(zhì)手性整體柱目前，以不同蛋白質(zhì)(HSA、BSA、AGP等)為手性選擇劑的聚合物整體柱已有不少研究報道[44]。其制備過程常采用poly(GMA-co-EDMA)為基質(zhì)整體柱，然后通過開環(huán)反應(yīng)在基質(zhì)柱表面鍵合上目標蛋白作為手性固定相，這些手性整體柱已成功應(yīng)用于DL-氨基酸等手性化合物的拆分[45]。但蛋白質(zhì)聚合物整體柱存在手性識別機理復雜、聚合物表面蛋白鍵合量低等缺點,限制了其進一步發(fā)展。

1.3.2多糖手性整體柱在早期研究中，幾種多糖衍生物，如三(3，5-二甲基苯基氨基甲酸酯)纖維素(CDMPC)等被最先制備成硅膠整體柱用于CEC或CLC手性分離[46-47]。為克服硅膠整體柱的不足，鄒漢法等[48]將CDMPC涂覆到有機聚合物基質(zhì)材料上，制備出的纖維素修飾的聚合物手性整體材料表現(xiàn)出良好的化學穩(wěn)定性和手性拆分能力。但是由于多糖雜化基質(zhì)手性整體柱的快速發(fā)展[49]，其聚合物基質(zhì)整體柱的研究比較有限。

1.3.3環(huán)糊精手性整體柱環(huán)糊精(CD)特別是β-CD及其衍生物是色譜固定相中發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的一類手性選擇劑，并已衍生出多種商品柱。其手性識別機制通常涉及CD疏水空腔包埋作用、葡萄糖單元的手性識別作用及衍生化基團與分析物之間的額外增量等[50]。1998年，Koide和Ueno[51]開創(chuàng)性地制備出首款β-CD修飾的有機聚合物整體柱，在CEC模式下用于陽離子和中性化合物的手性分離。隨后，為提高環(huán)糊精整體柱的手性識別能力和柱效，整體柱的制備方法、聚合物基底與單體之間連接鏈的長度與種類、環(huán)糊精的改性修飾和交聯(lián)劑種類等多個因素均被考察[52-55]。至今，已有不同種類環(huán)糊精功能化整體柱被開發(fā)[56-59]。但相對于硅膠填充柱，環(huán)糊精修飾聚合物整體柱的手性識別能力較為有限，需對上述各影響因素進行深入研究。

1.3.4其他手性整體柱大環(huán)抗生素常作為一類有效的手性選擇劑，用于HPLC、CE及CEC中[60]。萬古霉素[61]、瑞斯托霉素、替考拉寧等已被制備成相應(yīng)的聚合物手性整體柱。2001年Korny?ova等首次制備了萬古霉素修飾的手性整體柱，在10 min內(nèi)即可實現(xiàn)沙利度胺對映體的快速拆分，柱效高達120 000 plates/m[62]，但該色譜柱無法實現(xiàn)大部分β-阻斷劑的手性拆分[63]。此外，冠醚[64]、氨基酸[65]、分子印跡[66]或配體交換[67]類的聚合物手性整體柱近年來也有報道。

1.4 親和色譜柱

圖4 親和色譜的典型洗脫策略[70]Fig.4 A typical on/off elution scheme used in affinity chromatograph[70]

親和色譜是一種非常重要的高選擇性分離手段，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于復雜樣品的純化、富集及定性定量分析。其作用機理是目標分析物與色譜載體表面的親和識別配體產(chǎn)生專一的相互作用，從而達到與其它雜質(zhì)分離的目的(圖4)。近年來，孔隙度高、非特異性吸附少的功能化聚合物親和整體柱在生物大分子的特異性富集和純化中受到了廣泛關(guān)注[68- 69]。其中，比較常見的是利用poly(GMA-co-EDMA)基質(zhì)整體柱，通過各種方法將不同親和識別配體(如：抗體、蛋白質(zhì)A/G、凝集素、抗原、L-組氨酸、胰蛋白酶、核酸適配體、親和小肽、染料及血清蛋白等)固定于基質(zhì)柱表面用于識別目標分析物或制備高效固定化酶反應(yīng)器等[70]。其他發(fā)展比較快速的親和色譜材料，如硼酸親和整體柱、固定化金屬親和色譜(IMAC)整體柱等，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于糖蛋白或磷酸化蛋白組學分析等領(lǐng)域。

1.4.1硼酸親和整體柱在糖蛋白組學分析中，由于大量的非糖蛋白與糖蛋白同時存在于樣品中，采用常規(guī)的分離方法進行組學分析時可能會掩蓋低豐度糖蛋白，很難將非糖蛋白除盡，因此需要高特異性的手段對復雜樣品中的低豐度糖蛋白進行純化、富集和再檢測[71]。近年來，基于硼酸及其衍生物可以高選擇性地富集含有順式二醇結(jié)構(gòu)化合物的原理，硼酸功能化親和色譜整體柱的研究成為親和色譜研究領(lǐng)域中的熱點。至今，已有4-乙烯基苯硼酸、3-丙烯酰胺基苯硼酸、4-(3-丁烯基磺?；?苯硼酸、對羥基苯硼酸、3-(二甲基氨甲基)-苯胺-4-硼酸頻哪醇酯、2,4-二氟-3-甲?；交鹚?、間氨基苯硼酸、2,4-二氟-3-甲酰基苯硼酸等不同類型的硼酸功能化親和整體柱被報道，并應(yīng)用于糖蛋白、核苷、糖肽、兒茶酚等順式二醇類化合物的分離和富集中，大大拓展了親和整體柱在復雜樣品分析中的應(yīng)用范圍[72]。但硼酸親和整體材料對均含有順式二醇結(jié)構(gòu)的化合物區(qū)分能力不足，且不能特異性捕獲含特定糖型結(jié)構(gòu)的糖蛋白，因此通常需借助其他特異性高的富集手段(如：凝集素等)來實現(xiàn)特定糖型糖蛋白和糖肽的富集[73]。

1.4.2固定化金屬親和整體柱磷酸化蛋白質(zhì)在細胞功能調(diào)控、信號傳導及代謝調(diào)節(jié)等生命活動中起到重要作用。但磷酸化蛋白/肽在目標樣品中含量通常較低，質(zhì)譜分析時易受到大量非磷酸化蛋白/肽的干擾，因此需對樣品中的磷酸化蛋白/肽進行高特異性純化、富集。

近年來，基于金屬離子與目標分子(如氨基酸、肽、蛋白、核酸等)之間特異性親和作用的固定化金屬親和整體柱在磷酸化蛋白/肽的高選擇性富集中得到了廣泛應(yīng)用[74]。研究發(fā)現(xiàn)，即使在復雜樣品基質(zhì)中固定化金屬整體材料依然表現(xiàn)出良好的富集速率和優(yōu)秀的富集能力。常見的固定化金屬離子有Ni2+、Fe3+、Co2+、Cu2+、Ti4+、Zr4+、Ga3+等[75-76]。但是基于金屬離子與特定官能團之間相互作用的固定化金屬親和色譜法難以區(qū)分含有相同特定官能團的不同蛋白樣品，且存在損壞蛋白骨架結(jié)構(gòu)、金屬離子泄漏產(chǎn)生毒性、蛋白純化后需額外手段脫除組氨酸標簽進而污染最終產(chǎn)物等缺點[77]。

1.4.3小肽親和整體柱在抗體富集過程中，傳統(tǒng)的超濾、蛋白沉淀以及固相萃取等純化方法由于特異性不強，在抗體富集中的應(yīng)用報道較少[78]?？乖c抗體的反應(yīng)具有專一性，因此以特異性抗原或抗體藥物靶標蛋白為親和配體，對抗體藥物進行免疫親和純化富集具有很高的選擇性。然而由于特異性抗原難以獲取或價格昂貴，該富集方法實際推廣價值不大。蛋白質(zhì)A和蛋白質(zhì)G價格相對低廉，近年來被用于純化富集含IgG抗體Fc片段的抗體藥物[79]。但蛋白質(zhì)A/G存在易降解、易脫落、對pH值敏感，結(jié)合作用過強易破壞抗體蛋白空間結(jié)構(gòu)，使用壽命短的缺點，且用于樣品前處理時難以消除內(nèi)源性IgG的干擾。

隨著組合化學的發(fā)展以及對組合肽庫的深入探索，科學家發(fā)現(xiàn)一些特異性小肽可作為親和配體固定于整體柱表面，并在生產(chǎn)過程中大量純化IgG或抗體(圖5A)[80]。例如杜開峰[80]報道了一種六肽固定的觸須式聚合物整體柱，能夠很好地從人血漿中分離純化人體IgG。本課題組首次利用金屬螯合多步法制得3,5-二特丁基-4-羥基苯甲酸取代天冬氨酸-天冬氨酸-甘氨酸(DAAG)特異性小肽功能化的親和整體柱，該整體柱可用于赫賽汀細胞培養(yǎng)液中赫賽汀和人血清中IgG的高效富集純化[81]。與生物特異性蛋白親和配體(如蛋白質(zhì)A/G)相比，小肽配體的價格低、化學性質(zhì)穩(wěn)定、不含生物雜質(zhì)、無免疫原性、洗脫條件非常溫和、不破壞抗體蛋白的構(gòu)象、使用壽命長；此外通過分子模擬等方法設(shè)計或篩選與抗體藥物的抗原結(jié)合片段(Fab 區(qū))特異性結(jié)合的親和肽，可解決蛋白質(zhì)A/G 配體對抗體藥物和IgG 區(qū)分能力不足的缺陷[82]。因此，基于高親和小肽配體的親和整體柱有望在抗體藥物純化、富集中得到廣泛應(yīng)用。

圖5 常見的抗體純化方法：親和色譜法(A)[80]；親和沉淀法(B)[76]Fig.5 Common methods for antibody purification:affinity chromatography(A)[80] and affinity precipitation(B)[76]method

2 展 望

至今，不同作用機理的聚合物基質(zhì)整體色譜柱已被設(shè)計開發(fā)，并在藥學、生命科學和環(huán)境科學等領(lǐng)域展現(xiàn)了突出的應(yīng)用價值。聚合物整體色譜柱在微分離系統(tǒng)中應(yīng)用的獨特優(yōu)勢，如：高柱效、高速和高通量，使其特別適用于復雜生物樣品的分離分析，為蛋白質(zhì)組學、代謝組學等領(lǐng)域的發(fā)展提供了高效色譜介質(zhì)。但聚合物整體色譜柱的制備方法、表面官能團的種類和應(yīng)用等方面仍有較大的拓展空間。開發(fā)新型制備方法和手段[83]以確保整體色譜柱的高重現(xiàn)性，豐富整體柱的功能性以滿足復雜基質(zhì)樣品分離分析的需求，拓展聚合物基質(zhì)整體柱的應(yīng)用范圍，成為未來聚合物基質(zhì)整體色譜柱研究的重要方向。例如在聚合物基質(zhì)整體柱改性方面，近年來已有金屬納米粒子(金、銀、鉑、鈀、鐵和γ-氧化鋁等)修飾的聚合物整體柱被用于特異性捕獲含特定官能團的化合物[84]。碳納米管[85-87]，尤其是石墨烯或氧化石墨烯功能化的聚合物整體柱也被開發(fā)；更為值得重視的是，近年來功能多樣性的有機金屬框架材料在整體柱研究領(lǐng)域也得到了快速發(fā)展[88]，有望開拓出整體柱的新發(fā)展方向。綜上所述，通過發(fā)展新的制備手段、優(yōu)化制備條件和過程、開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，聚合物基質(zhì)整體色譜必將大有可為。