水熱碳材料在分離分析中的應(yīng)用研究進(jìn)展

趙興云, 張紅燕, 牛 歡, 吳仁安*

(1.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 遼寧 大連 116023; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

1 水熱碳材料簡介

水熱碳材料(hydrothermal carbon)由于可以由生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為碳材料、以水為反應(yīng)介質(zhì)、綠色可持續(xù)的特點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。水熱碳材料是在密閉容器中以糖類或含碳有機(jī)物為原料,在一定的溫度(130～250 ℃)和自產(chǎn)生的壓力下,經(jīng)過一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成的膠狀碳材料。早在1913年,Bergius等[1]為了研究煤的形成機(jī)理,首次利用水熱法處理纖維素得到了黑色的殘渣,水熱碳材料開始被關(guān)注。至21世紀(jì),Wang等[2]首次利用蔗糖為碳源,一步水熱法制備出粒徑均勻的碳微球,該微球表面具有大量的納米空隙和比表面,可作為金屬鋰的載體。隨后許多碳水化合物原料被用于水熱碳的合成中,比如葡萄糖[3]、果糖[4]、蔗糖[5]、環(huán)糊精[6]、甲基纖維素[7]、淀粉[8,9]、木質(zhì)素[10]、酚類化合物[11]等。隨著研究的進(jìn)一步深入,許多原始生物質(zhì)材料,如果皮[12]、樹葉[13]、貝殼[14]、蝦皮[15,16]等也被用于水熱碳材料的制備過程中。所合成的碳材料表面含有豐富的羥基、羧基、羰基等官能團(tuán),因此具有較好的親水性,這些官能團(tuán)提供了豐富的修飾位點(diǎn),可通過原位反應(yīng)修飾或合成后修飾的方法對其進(jìn)行表面改性。原位反應(yīng)修飾通過在反應(yīng)液中加入羥乙基磺酸[17]、丙烯酸[18]、卵清蛋白[19]、氨水[20]、葡糖胺[21]、硫酸銨[22]等添加劑,直接引入磺酸基、羧酸基或含氮基團(tuán);合成后修飾通過胺[23]、半胱氨酸[24]、4-氨基苯甲酰胺[25]、尿素[26]等與合成的碳球通過表面化學(xué)反應(yīng)而修飾。

圖1 葡萄糖衍生水熱碳球的生長模型機(jī)理圖[3]

1.1 水熱碳材料形成機(jī)理

目前研究[27-29]認(rèn)為,水熱碳微球具有由高芳香內(nèi)核和親水表面組成的核-殼化學(xué)結(jié)構(gòu),其表面含有多種反應(yīng)性的含氧基團(tuán)(羧基、羰基、酯基、羥基等)。因此,與其他方法制備的碳材料的惰性表面相比,水熱碳材料更易改性。生物質(zhì)水熱碳分解的中間產(chǎn)物為各種糠醛類化合物,由于該過程復(fù)雜,難以檢測,研究人員對其形成機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。目前,已有研究基于傅里葉變換紅外、X射線光電子能譜、拉曼光譜、核磁共振波譜等表征,認(rèn)為碳球的生長和形成符合LaMer模型的晶核生長理論,其形成過程主要可分為兩個階段:初期的成核過程和后期的生長過程。如Sun等[27]制備葡萄糖水熱碳球時發(fā)現(xiàn)微球的直徑受反應(yīng)時間、溫度、初始濃度的影響,其中反應(yīng)時間影響最大,濃度和溫度一定時葡萄糖濃度為0.5 mol/L,反應(yīng)溫度為160 ℃,反應(yīng)時間從2 h增加到10 h,碳微球的直徑從200 nm增加到1 500 nm;當(dāng)葡萄糖濃度為0.5 mol/L、反應(yīng)溫度低于140 ℃或者反應(yīng)時間小于1 h時,并沒有固體顆粒產(chǎn)生。據(jù)此認(rèn)為碳微球的形成機(jī)理符合LaMer模型,當(dāng)葡萄糖水溶液達(dá)到臨界過飽和點(diǎn)便發(fā)生驟然成核現(xiàn)象,后續(xù)經(jīng)過脫水和交聯(lián)聚合反應(yīng),溶液中的化合物會向顆粒聚集并在其表面均勻生長,形成水熱碳球,其過程見圖1。隨后Sevilla等[28]以蔗糖和淀粉為原料,研究了不同水熱溫度、水熱反應(yīng)時間、糖類濃度、糖類類型等條件下形成微米碳球的過程機(jī)理,通過元素分析、紅外光譜、拉曼光譜和光電子能譜表征,認(rèn)為水熱碳是一種核殼結(jié)構(gòu),核為芳香烴聚合而成,外殼富含多種含氧官能團(tuán)(羥基、酚羥基、羰基、羧基等)。以淀粉為例,淀粉水解主要形成麥芽糖和葡萄糖,在水熱條件下,高含量的離子產(chǎn)物如氫離子、氫氧根離子,誘發(fā)了水解反應(yīng);另一方面,這些單糖會形成有機(jī)酸,如乙酸、乳酸、丙烯酸、乙酰丙酸和甲酸,使pH快速降低到3以下,單糖發(fā)生脫水及分子鍵斷裂(開環(huán)及C-C鍵斷裂)生成一些可溶性中間產(chǎn)物,例如糠醛類化合物(糠醛、5-羥甲基糠醛、5-甲基糠醛)、有機(jī)酸、醛等。糠醛類化合物會進(jìn)一步發(fā)生聚合、縮合等反應(yīng)形成可溶性大分子,最后大分子產(chǎn)物芳構(gòu)化(羥基脫水形成：C=O,中間產(chǎn)物發(fā)生酮-烯醇互變異構(gòu)或者分子內(nèi)脫水形成C=C)形成了碳微球的疏水芳核,邊緣富含有羥基、羰基、羧基等多種功能基團(tuán)的親水殼層材料。Falco等[29]也研究了簡單碳水化合物葡萄糖和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的水熱轉(zhuǎn)變過程,得到了類似的結(jié)論,認(rèn)為初始階段葡萄糖主要脫水生成5-羥甲基糠醛,并進(jìn)一步通過聚合縮聚反應(yīng)生成聚呋喃類化合物,成核階段呋喃環(huán)類化合物進(jìn)一步生成聚合物相從水中分離,生成固體水熱碳材料。研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)溫度對該水熱碳轉(zhuǎn)化過程有較大影響。一方面,調(diào)控溫度可以控制生成粒子的尺寸和大小分布,當(dāng)葡萄糖在低于160 ℃下進(jìn)行水熱反應(yīng)時則沒有固體產(chǎn)物產(chǎn)生;另一方面,水熱反應(yīng)產(chǎn)生的碳材料的芳構(gòu)化程度高度依賴于水熱反應(yīng)的溫度,高溫有利于生成芳構(gòu)化程度高的水熱碳產(chǎn)物。

表1 水熱碳材料的制備及應(yīng)用

F127: poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol) diacrylate; VPA: vinylphosphonic acid; MSA: [2-(methacryloyloxy)ethyl]dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide; MPC: 2-methacryloyloxyethylphosphoryl-choline; BET: brunauer-emmett-teller; Ti-IMAC: Ti-immobilized metal ion affinity chromatography.

不同生物質(zhì)原料,其反應(yīng)機(jī)理也有差異。Kang等[30]分別以D-木糖、木質(zhì)素、纖維素和木屑作為碳源在225～265 ℃之間進(jìn)行水熱反應(yīng),針對不同糖源,提出了對應(yīng)的水熱碳形成機(jī)理:D-木糖水熱條件下會脫水形成糠醛,然后聚合為形狀完好的碳微球;木質(zhì)素由于溫度限制很難分解,反應(yīng)以固固反應(yīng)為主,未溶解的木質(zhì)素異構(gòu)熱解生成多環(huán)芳烴,溶于水的木質(zhì)素降解重新聚合為酚醛樹脂類的水熱碳;纖維素主要通過兩條路徑,一是溶解了的纖維素水解為葡萄糖,進(jìn)而生成水熱碳球,另外也有部分纖維素直接熱解轉(zhuǎn)變?yōu)樗疅崽?。木屑在水熱條件下主要降解為半纖維素,半纖維素溶于水聚合生成水熱碳。他們計算了4種原料的水熱碳產(chǎn)率,均在45%～60%之間,比較發(fā)現(xiàn)產(chǎn)率最高的是木質(zhì)素。

1.2 水熱碳材料應(yīng)用進(jìn)展

水熱碳材料目前在不同領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用(見表1)。由于水熱碳材料可直接通過空氣煅燒去除,因此常被用于制備空心材料的模板劑[31,32],去除水熱碳材料以后的空心結(jié)構(gòu)材料可應(yīng)用于催化和藥物控釋[33,34];因其具有豐富的空隙、比表面和良好導(dǎo)電性特點(diǎn)也被廣泛用于超級電容器材料[35]。水熱碳因其具有快速吸附動力學(xué)和高吸附容量,且其表面成分和性質(zhì)可通過化學(xué)處理從而增加其吸附容量,而用作吸附劑,很多報道表明該材料可以去除水中的金屬離子(銅、鉛、鎘、鉻)、染料分子及放射性元素鈾等。如Li等[36]通過水熱法制備出葡萄糖碳納米球,并將其負(fù)載到蒙脫土上,合成了蒙脫土負(fù)載碳球的蒙脫土吸附劑(montmorillonite supported carbon nanosphere adsorbent, Mt-spC)用于除去水溶液中的鉻離子,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該材料的吸附量達(dá)到156.25 mg/g,遠(yuǎn)大于蒙脫土和其他吸附劑。Demir-Cakan等[18]在水熱過程中加入丙烯酸,合成了羧基修飾的水熱碳,對重金屬離子鉛和鎘離子的吸附量有顯著提高,分別達(dá)到351.4和88.8 mg/g,可作為廉價吸附劑在溫和條件實(shí)現(xiàn)對水的純化。Song等[37]使用氫氧化鈉對葡萄糖碳基微球進(jìn)行活化,然后將其用于亞甲基藍(lán)、龍膽紫、孔雀石綠等堿性染料的吸附,結(jié)果表明該材料對3種染料有良好的吸附性能,其吸附量分別達(dá)到了682、395和310 mg/g。而且該材料可以再生,經(jīng)過7次循環(huán)使用,仍保持96%的吸附容量。對于放射性鈾的吸附研究,劉云海等在水熱碳合成過程中添加少量乙烯基功能化單體,制備了磷酸化水熱碳微球(HTC-PO4)[38]、偕胺肟化水熱碳微球(HTC-AO)[39]和酰胺化水熱碳微球(HTC-AM)[40],極大地提高了水熱碳微球?qū)︹?VI)的吸附容量和選擇性,在最佳條件下其吸附容量分別為434.78、724.6和588.2 mg/g。研究表明,對鈾的吸附都是以化學(xué)吸附為主的自發(fā)吸熱過程,其中磷酸化后的水熱碳微球?qū)︹櫟倪x擇性有較大的提高。

圖2 表面季銨化基團(tuán)修飾的蔗糖水熱碳球應(yīng)用于離子色譜固定相[47]

上述結(jié)果均表明水熱碳材料可與多種分子離子發(fā)生相互作用,其表面豐富的含氧官能團(tuán)以及易于修飾的特點(diǎn)可有效調(diào)控其吸附容量和吸附選擇性。除吸附劑之外,近年來,水熱碳材料在分子和離子的高效分離富集分析中作為固相基質(zhì)材料也得到了初步的應(yīng)用(見表1)。下文重點(diǎn)對近年來水熱碳材料在離子化合物分離、極性化合物分離、磷酸化肽段及糖基化肽段的高效分離分析等方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,并作簡要展望。

2 水熱碳材料在色譜分離分析領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 離子化合物分離

圖3 環(huán)糊精水熱碳修飾硅膠固定相的合成示意圖[43]

離子色譜(IC)是在環(huán)境、食品、醫(yī)學(xué)科學(xué)中分析離子型化合物的有力工具,近年來發(fā)展十分迅速。離子色譜分離機(jī)理主要是離子交換,是基于離子交換樹脂上可解離的離子與流動相中具有相同電荷的溶質(zhì)離子之間進(jìn)行的可逆交換,依據(jù)這些離子對交換劑有不同的親和力而被分離,與樹脂親和力較弱的離子優(yōu)先通過柱子,保留時間較短。離子色譜流動相通常為酸堿體系,因此其固定相要求耐酸堿腐蝕。由于聚合物填料耐酸堿有機(jī)溶劑,其中以聚苯乙烯二乙烯苯(PS-DVB)和乙烯基苯二乙烯基苯(EVB-DVB)微球?yàn)榛|(zhì)的固定相發(fā)展迅速,通過在微球表面進(jìn)行不同修飾可實(shí)現(xiàn)不同離子的高效分離,比如磺酸化后可作為陽離子交換固定相[46]。然而,由于這類基質(zhì)的化學(xué)惰性,其修飾方法比較有限。最近,在離子色譜固定相的研究中引入了水熱碳的基體材料,2016年,朱巖課題組[47]利用葡萄糖作為碳源,通過在水熱反應(yīng)中加入聚合物模板劑可控合成微米級且尺寸均勻的水熱碳球。將其用作基體微球且進(jìn)一步季氨基化改性修飾,其碳球合成和修飾過程見下圖2,在0.01 mol/L氫氧化鉀流動相條件下,對常見的7種無機(jī)陰離子(氟離子、甲酸根離子、氯離子、亞硝酸根離子、硫酸根離子、溴離子和硝酸根離子)表現(xiàn)出良好的分離效果,可于13 min內(nèi)完成分離,且色譜峰對稱無拖尾,這是由于水熱碳球有高親水表面和低非特異性吸附的優(yōu)勢。在氫氧根離子洗脫劑沖洗2.5×104柱體積后,依然具有很高的穩(wěn)定性,其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)值小于0.45%,分離柱效為6 800～15 500 N/m,相比于商品化的PS-DVB基質(zhì)球表現(xiàn)了優(yōu)異的親水性和易修飾性能。2017年,Zhao等[48]利用蔗糖作為碳源制備水熱碳球,通過接枝高分子層數(shù)的增加,將離子交換容量從26 μmol提高到92 μmol。進(jìn)一步,對極性陰離子,如硫酸根離子、高氯酸根、磷酸根等有穩(wěn)定的分離特性。對實(shí)際樣品茶葉中氟離子的定量限可以到達(dá)0.16 mg/g。其耐酸堿性、機(jī)械穩(wěn)定性和良好的分離性能結(jié)果顯示了水熱碳材料是極有潛力的離子色譜固定相。2019年Zhao等[49]利用葡萄糖為原料,在制備的水熱碳的基礎(chǔ)上進(jìn)一步合成了多孔碳球(PCNS),經(jīng)過季胺化和環(huán)氧胺反應(yīng)被修飾到磺酸化的聚苯乙烯和二乙烯基苯微球表面形成附聚型離子色譜固定相。該附聚型固定相可通過控制層數(shù)來調(diào)節(jié)柱子峰容量和陰離子的保留時間,附聚層數(shù)越多峰容量越大,陰離子的保留時間越高,并且此種固定相良好的通透性縮短了分析時間,可用于快速分離復(fù)雜樣品,柱效可達(dá)38 400～13 200 N/m,通過8天的測試,其柱效和分離穩(wěn)定性的RSD低于2%。水熱碳材料作為離子色譜固定相依然存在柱效低且修飾方法單一的問題,因此新型水熱碳材料的合成及新的水熱碳修飾方法的研究會為離子色譜固定相的選擇提供新思路。

2.2 極性化合物分離

由于極性化合物在反相色譜模式下保留作用弱,其主要依靠親水相互作用色譜(HILIC)模式分離分析。HILIC是一種在高有機(jī)相條件下利用極性固定相與極性化合物的靜電、氫鍵等作用力,分離極性化合物的液相色譜模式[50]。近幾年,各種商品化和學(xué)術(shù)報道的HILIC極性固定相材料種類日益豐富,涵蓋了未衍生硅膠[51]、氨基[52]、氰基[53]、二醇基[54]、酰胺型、聚(琥珀酰亞胺)型[55]、糖型[56]和離子液體[57]鍵合硅膠等,已廣泛應(yīng)用在極性藥物、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)分離分析等方面。其中,將葡萄糖、麥芽糖[58]、環(huán)糊精[59]、環(huán)聚果糖-6[60]、殼寡糖[56]等糖類小分子通過點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)鍵合于硅膠表面是研究應(yīng)用最廣泛的一種,其合成條件苛刻,需使用大量有機(jī)溶劑。由于水熱碳是一種由糖類水熱轉(zhuǎn)變合成的綠色產(chǎn)物,具有親水性和表面多功能基團(tuán)的優(yōu)勢,Zhao等[43]于2019年首次將由環(huán)糊精在低溫水熱條件下衍生的水熱碳材料涂敷于硅膠微球材料(silica@HTC,見圖3),制備了高度均勻且表面親水的基質(zhì)材料,并將其填充于色譜柱中,用于HILIC模式下極性化合物的分離。其柱效相比于硅膠及商品化填料并未損失,而且遠(yuǎn)高于純碳微球色譜固定相。研究者進(jìn)一步考察了在親水模式下對酚類、內(nèi)分泌干擾物(如雌二醇、雙酚A、辛特基酚)等極性化合物的分離能力,均優(yōu)于商品化純硅膠及二醇基和氨基修飾硅膠親水固定相。尤其是對化合物雙酚A,其保留因子(k3=5.25)顯著優(yōu)于商品化氨基修飾硅膠柱(k3=0.66)。該工作利用了色譜硅膠作為內(nèi)核模板,提高了水熱碳材料的分散性和尺寸均勻性,成功將水熱碳材料應(yīng)用于HILIC的固定相研究領(lǐng)域。隨著親水色譜研究的逐步深入,新型高選擇性、高親水性的色譜固定相依然是親水色譜發(fā)展的關(guān)鍵。由于HILIC模式下水熱碳材料與極性化合物的強(qiáng)相互作用,其有望成為HILIC固定相的發(fā)展趨勢。然而,水熱碳材料的制備均勻性和表面孔隙仍需進(jìn)一步調(diào)控,以實(shí)現(xiàn)高效分離分析的需求。此外,有效利用功能化后的水熱碳材料對極性化合物進(jìn)行分離分析,特別是在規(guī)?；苽浼兓矫婢哂袕V闊的應(yīng)用前景。

圖4 表面磷酸基團(tuán)修飾的葡萄糖水熱碳材料的制備流程及人血清磷酸化肽在Ti-IMAC碳材料(a)富集前和(b)富集后的質(zhì)譜圖[44]

2.3 磷酸化肽段分析

固定化金屬離子親和色譜(IMAC)是一類重要的磷酸肽富集分析方法,其富集原理是在親水基質(zhì)表面螯合金屬離子,利用被固定金屬離子剩余位點(diǎn)對磷酸化肽進(jìn)行選擇性分析。傳統(tǒng)的固定化金屬離子親和色譜主要以亞氨基二乙酸、次氨基三乙酸等配合基團(tuán)固定鐵離子、鎵離子等金屬離子,但是該方法的主要缺點(diǎn)是特異性不高,在富集磷酸肽的同時酸性肽段也會被富集[61,62]。鄒漢法等[63]發(fā)展了一種以磷酸基團(tuán)為配合基團(tuán)的新一代固定化金屬離子親和色譜材料。在該方法中,磷酸基團(tuán)以共價鍵連接到固相載體上,而后利用鈦離子、鋯離子與磷酸基團(tuán)之間強(qiáng)的相互作用固載于固相載體表面,被固定的鈦離子、鋯離子上剩余的配合位點(diǎn)可以選擇性地將磷酸化肽富集,該方法已經(jīng)被證明具有非常優(yōu)越的富集性能,比傳統(tǒng)的固定化金屬離子親和色譜、金屬氧化物親和色譜等方法具有更好的富集特異性。

為了進(jìn)一步提高抗干擾性能,Zhao等[64]發(fā)展了PEG修飾的高親水基底材料,并在該材料表面進(jìn)一步修飾磷酸根和鈦離子,該材料對磷酸肽的富集選擇性高達(dá)1∶2 000;在此思路上,Zhang等[65]發(fā)展了親水的等級孔整體材料基底,其對磷酸肽的富集選擇性高達(dá)1∶1 000; Peng等[66-68]合成了雙金屬中心有機(jī)骨架化合物親水基底,提高了螯合金屬離子位點(diǎn)數(shù),對磷酸化肽的富集選擇性達(dá)到1∶5 000。這些研究表明,提高基質(zhì)材料的親水性和表面金屬螯合位點(diǎn)可提高對磷酸肽的高效、高特異性富集。鑒于水熱碳材料表面的高親水性和易于修飾等特點(diǎn),2019年,Zhang等[44]發(fā)展了以水熱碳材料為固相載體,通過在合成過程中加入乙烯基磷酸單體,一步制備了磷酸根修飾的水熱碳材料(見圖4)。進(jìn)一步在表面螯合鈦離子制備了Ti-IMAC碳球材料,該材料對標(biāo)準(zhǔn)磷酸化酪蛋白酶解液中的磷酸化肽段實(shí)現(xiàn)了高選擇性富集,檢測限低至5 fmol,抗牛血清白蛋白酶解液的干擾物質(zhì)的量的比可達(dá)到1∶1 000。將該材料應(yīng)用于實(shí)際血清樣品中低豐度磷酸化肽的富集,MALDI質(zhì)譜檢測到4條高信噪比的低豐度磷酸化肽段,表明該材料對于復(fù)雜生物樣品中低豐度磷酸化肽的高抗干擾、高特異性富集能力。水熱碳材料作為一種新型親水富集基質(zhì),其表面性質(zhì)仍可進(jìn)一步調(diào)控,如可在材料制備過程中加入親水功能配體,進(jìn)一步提高表面親水性和離子固載量,提高抗干擾性能和富集效率;將其尺寸調(diào)控至微米級,作為色譜柱填料實(shí)現(xiàn)原位磷酸化肽段富集和檢測;此外,通過在其表面修飾可與多磷酸化肽相互作用的配體可用于多磷酸化肽富集;調(diào)控水熱碳材料的孔隙結(jié)構(gòu),提高比表面積,用于痕量臨床樣本的分析。

圖5 一步法合成兩性離子單體修飾水熱碳HTC-Glc-x% MPC或HTC-Glc-x% MSA的工藝流程及糖基化肽段的富集過程圖[45]

2.4 糖基化肽段分析

蛋白質(zhì)糖基化修飾是一種重要的翻譯后修飾,蛋白質(zhì)糖基化分析對深入認(rèn)識其生物功能和發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物意義重大。然而生物樣品中高濃度的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、鹽等嚴(yán)重干擾了低豐度糖基化多肽的質(zhì)譜分析,因此在糖基化多肽質(zhì)譜分析前對其進(jìn)行高效富集至關(guān)重要。目前糖基化多肽富集策略主要通過富集材料的特異性親和位點(diǎn)對糖基化多肽進(jìn)行富集,其中利用親水作用色譜富集(HILIC)是比較普適性的策略。許多HILIC載體比如介孔硅[69]、磁性納米粒子[70]、金屬有機(jī)骨架[14]、共價有機(jī)骨架[71]、大孔樹脂[72]等廣泛用作糖基化多肽富集分析的基底材料。Wang等[73]報道了一種兩親性的親水介孔材料,將其應(yīng)用于唾液中內(nèi)源性糖基化多肽的分析,LC-MS/MS可檢測到40條內(nèi)源性糖基化肽段。Peng等[74]在親水金屬有機(jī)框架化合物基底上進(jìn)一步通過高親水性的生物分子二磷酸果糖(FDP)對其表面進(jìn)行調(diào)控,結(jié)果顯示該雙親水表面對非糖基化多肽(抗干擾物質(zhì)的量的比1∶5 000)和高分子蛋白質(zhì)(抗干擾物質(zhì)的量的比1∶1 000)具有較高的抗干擾能力,可從5 μL人血漿中鑒定到380條內(nèi)源性糖基化肽段以及180個非冗余糖基化位點(diǎn)。

兩性離子功能材料因可與糖肽的糖鏈形成多價鍵相互作用,被廣泛用于親水基底材料的表面修飾,以提高對糖肽的特異性識別[75]?；谒疅崽疾牧系母哂H水性,2019年,Li等[45]用葡萄糖作為原料,在水熱反應(yīng)條件下,添加兩性離子如2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(2-methacryloyloxyethylphosphoryl-choline, MPC)和[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氫氧化銨([2-(methacryloyloxy)ethyl]dimethyl-(3-sulfopropyl) ammonium hydroxide, MSA)單體,通過一步法合成了兩性離子修飾的水熱碳HTC-Glc-x%MPC和HTC-Glc-x%MSA材料。此項(xiàng)工作結(jié)果顯示,HTC-Glc-10% MPC對N糖基化肽段具有高特異性靈敏度和選擇性,可從150 fmol免疫球蛋白酶解液里富集到26個信噪比大于20的N糖肽,檢測限達(dá)到5 fmol,對非糖基化的BSA酶解液多肽的選擇性達(dá)到了1∶100,從2 μL人血清中共鑒定到92個糖蛋白中285個N糖基化肽段的175個N糖基化位點(diǎn),這個數(shù)量超過了之前報道的許多材料[76-78]。其材料的合成過程與糖基化肽段富集分析流程見圖5。相比其他富集材料,水熱碳是一種可有效利用生物質(zhì)且合成過程簡單省時的綠色碳材料,其親水表面表現(xiàn)出高效的抗干擾性能和良好的生物相容性,或可更有利于活體在線分析糖基化肽段,為糖肽富集分析的研究提供新思路。

3 總結(jié)與展望

上述研究初步揭示了水熱碳材料在色譜及樣品預(yù)處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景,水熱碳材料作為一種表面親水且易于改性的功能材料,在分離分析領(lǐng)域已得到了初步的嘗試。其表現(xiàn)出的優(yōu)良的抗干擾性能和可修飾性,有望在復(fù)雜樣品分離分析中發(fā)揮獨(dú)特的作用。筆者認(rèn)為當(dāng)前水熱碳的研究面臨的挑戰(zhàn)主要為:(1)作為色譜固定相,其尺寸大小、均勻性和分散性的控制至關(guān)重要。目前合成的水熱碳球粒徑較小,并未廣泛應(yīng)用為色譜固定相;(2)目前合成的水熱碳為無孔或微孔結(jié)構(gòu),發(fā)展介孔及大孔的水熱碳固定相更有利于色譜分離分析;(3)水熱碳比表面積小,因此吸附容量低;(4)當(dāng)前水熱碳種類稀少,需要開發(fā)新的合成及修飾方法,以滿足不同實(shí)際樣品的分離分析需求。隨著水熱碳微球材料形成機(jī)理的進(jìn)一步研究,及對水熱碳材料的粒徑、孔結(jié)構(gòu)、比表面積、合成和修飾方法等的調(diào)節(jié)研究,將促使研究人員開發(fā)更多新的潛在用途。

綜上,水熱碳材料來源于生物質(zhì)的轉(zhuǎn)變,原料廣泛,避免了反應(yīng)過程中有機(jī)溶劑帶來的環(huán)境污染問題,符合綠色環(huán)保的概念,因此具有較大的研究空間;其高度親水和易修飾的特點(diǎn),有利于制備功能多樣性材料及復(fù)合材料,也可滿足更多的應(yīng)用需求,因此開展水熱碳材料的色譜分離和樣品富集分析固定相研究將是一個非常有前景的方向。