2016 年 11 月 Vol.34 No.11 October 2016 Chinese Journal of Chromatography 1022 ~ 1030 专论与综述 DOI: 10.3724 / SP.J.1123.2016.07018 聚多巴胺表面改性技术在分离科学领域中的应用 柴微波 1, 王会娟 1, 安学涵 1 1,2,3, 丁国生 (1. 天津大学药物科学与技术学院, 天津 300072; 2. 药物化学生物学国家重点实验室 ( 南开大学 ), 天津 300071; 3. 天津大学分析测试中心, 天津 300072) 摘要 : 聚多巴胺作为新型仿生材料, 具有制备过程简单 环保和适用面广 ( 可用于各种类型基质表面改性 ) 等优点, 已被广泛应用于化学 生物医学 药学 传感器和电池制造等领域 在分离科学领域, 聚多巴胺不仅可用于制备色 谱固定相, 也可用于制备新型的富集材料 该文对聚多巴胺的形成机理研究现状进行了简单介绍, 主要综述了近 年来聚多巴胺在色谱分离和富集领域的应用, 包括毛细管电泳 / 电色谱 液相色谱 分子印迹固相萃取 分散固相微 萃取和固相微萃取等技术领域 关键词 : 聚多巴胺 ; 色谱分离 ; 富集 ; 综述 中图分类号 :O658 文献标识码 :A 文章编号 :1000 8713(2016)11 1022 09 Applications of polydopamine surface modification technique in separation science CHAI Weibo 1, WANG Huijuan 1, AN Xuehan 1, DING Guosheng 1,2,3 (1. School of Pharmaceutical Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. State Key Laboratory of Medicinal Chemical Biology (Nankai University), Tianjin 300071, China; 3. Analysis Center, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: As a novel bio inspired material, polydopamine ( PDA) coatings are easily formed in environmentally friendly conditions on virtually all kinds of inorganic and organic substrates. PDA has been applied in many areas such as chemical, biomedical, pharmaceutical, sensor and battery manufacturing, etc. In the field of separation science, PDA can be used to prepare new enrichment materials, as well as stationary phases for chromatographic separation. In this review, the research status of the formation mechanism of PDA is introduced firstly; emphases are put on the recent applications of PDA in the areas of separation and enrichment, such as capillary electrophoresis, liquid chromatography, molecularly imprinted solid phase extraction, dispersive solid phase microextraction and solid phase microextraction, etc. Key words: polydopamine ( PDA); chromatographic separation; enrichment; review 新型分离和富集材料的制备一直以来都是分离科学的研究重点, 通过合理调控基体材料表面结构和组成, 可以达到改善材料性能的目的 目前, 表面改性方法众多, 但发展一种适用面广 操作简单且绿色环保的表面改性方法仍是极具挑战性的课题 近些年来, 海洋生物贻贝能够牢固地附着于各种基体材料表面的能力引起了人们的广泛关注 研究表明, 贻贝可分泌出特殊的黏附蛋白, 而此蛋白中富含 左旋多巴 (3,4 二羟基 L 苯丙氨酸,L DOPA) [1-3], L DOPA 是使黏附蛋白具有黏附特性的决定性因素, 其结构中的邻苯二酚可氧化形成邻苯醌, 进而促使其自身产生交联 [4,5] 基于仿生学原理, 研究和开发合成方法简单 造价低廉 环境友好且性能稳定的黏合材料已成为相关领域的研究热点 多巴胺 (3,4 二羟基 β 苯乙胺,dopamine, DA) 是一种同时含有邻苯二酚结构和氨基的小分子, 作为 DOPA 收稿日期 :2016 07 15 通讯联系人.E mail:dgs@ tju.edu.cn. 基金项目 : 国家自然科学基金 (21005054); 药物化学生物学国家重点实验室开放基金 (201603004). Foundation item: National Natural Science Foundation of China ( No. 21005054); State Key Laboratory of Medicinal Chemical Biology ( No. 201603004).
第 11 期柴微波, 等 : 聚多巴胺表面改性技术在分离科学领域中的应用 1023 的结构类似物, 通过简单的自聚反应可在各种不同 性质的有机 无机材料表面形成强黏附性的聚多巴 胺 (polydopamine, PDA) 薄膜, 目前 PDA 已广泛应 用于各种基体材料的表面修饰和改性 [6] 在色谱分析过程中, 色谱柱 吸附材料的选择 ( 或制备 ) 是整个分析方法的关键 与传统的基质 改性和功能化方法相比,PDA 形成过程条件温和 环保, 且操作简单 ; 同时,PDA 膜表面富含的各种官 能团 ( 如酚羟基 醌基和胺等 ) 可在适当条件下与有 机分子进一步发生反应 [7], 从而实现对材料的进一 步改性 由于具有以上特点,PDA 在色谱分离和富 集方面的应用已受到色谱工作者的广泛关注 本文 就近十年来 PDA 在色谱分离和富集方面的应用进 行综述, 并对该领域今后的发展进行了展望 1 PDA 的形成机理 PDA 由 DA 在简单 温和的反应条件下氧化自 聚获得, 对于其形成过程中所涉及的机理, 人们还没 有完全认识, 直到今天仍是科学工作者们研究和争 论的焦点 目前, 大多数研究者推断其形成过程类 似于有机体中黑色素的生成过程 ( 见图 1) DA 在 碱性条件下先氧化成多巴胺醌, 通过 1,4 迈克尔加 成分子内环化成无色的 5,6 二羟基吲哚啉 ( LDC), 继续氧化重排成 5,6 二羟基吲哚 ( DHI), 再氧化成 5,6 吲哚醌 ( IDQ) 反应产物 DHI 和 IDQ 还能够 发生支化反应, 导致多种异构二聚体的形成, 进而形 成聚合度较高的低聚体, 再通过儿茶酚与邻醌之间 的反歧化反应自组装得到交联的 PDA [8-10] [11] 在此基础上,Hong 等提出在 PDA 形成过程 中 DA 的共价聚合和非共价自组装同时存在 该研 究小组通过色谱和质谱等手段证实, 在 PDA 中有相 当一部分未聚合的 DA 与其氧化产物 DHI 自组装 形成 (DA) 2 / DHI, 这种通过物理作用自组装形成的 复合物被紧紧包裹在 PDA 中 这一物理过程所涉 及的分子间作用力主要有氢键作用 T 型作用和阳 离子 π 相互作用等 最近几年, 人们开始借助更多的现代分析手段 如核磁共振 ( NMR) 高分辨质谱 ( HRMS) X 射线 光电子能谱 (XPS) 和红外光谱 (FTIR) 等研究 PDA [12] 形成的机理 Liebscher 等通过实验证明, 具有 不同不饱和度的 DHI 和吲哚醌单元可通过它们结 构中苯环之间的 C-C 键共价连接 ; 通过密度泛函理 论 (DFT) 算法模拟, 推测几条 PDA 链间存在着平 行或反向平行方式的醌 氢醌型相互作用 ; 此外, 实 验中还证实了 PDA 结构中未聚合 DA 单元的存在 [13] Vecchia 等通过 13 C NMR 15 N NMR 和 UV Vis 光 谱等手段对 PDA 进行研究, 认为 PDA 形成过程中 涉及 3 个主要的竞争途径 ( 见图 2) 路径 a 中, 多 巴胺二聚形成非环化联苯型结构, 然后经历进一步 的氧化和分子内环化过程 ; 路径 b 中,DA 沿典型的 黑色素形成途径形成 DHI, 然后经过氧化和裂变反 应形成吡咯羧酸类物质 ; 路径 c 形成 DA 的混合低 聚物 从这些反应路径可以看出, 共价作用在 PDA 形成初期起着至关重要的作用, 而非共价键则是在 低聚反应大部分完成后开始发挥作用 因此,PDA 结构中富含多种官能团 ( 或结构 ), 如平面吲哚结 构 氨基 羧酸基 邻苯二酚 / 苯醌 吲哚 / 邻苯二酚 π 系统等 此外, 研究还发现,PDA 的结构与制备条 件关系密切, 制备过程中的具体条件, 如多巴胺的初 始浓度 缓冲溶液的种类 ph 值以及所用的氧化剂 类型等, 都会对最终所形成的 PDA 结构产生影响 2 PDA 在色谱分离中的应用 图 1 多巴胺类黑色素氧化自聚反应示意图 Fig. 1 Scheme of oxidative polymerization of dopamine which is similar to the for mation of melanin 分离材料是色谱分离技术的核心, 新型分离材料的出现对于解决复杂样品分离分析问题具有决定性的意义 进入 21 世纪以来, 随着人类研究领域和分析对象的不断拓展, 色谱分析技术也面临新的机遇和挑战 通过简易 高效的方法制备适用于各类不同样品的分离材料一直是色谱领域的研究热点, 而材料表面功能化 ( 或改性 ) 则是其中的一个重要方面 [14] 2.1 毛细管电泳 / 毛细管电色谱 ( CE / CEC) 技术中的应用 CE / CEC 技术由于具有分离效率高 操作灵活 样品和试剂用量少等优点, 自 20 世纪 80 年代以
１０２４ 色 图２ Ｆｉｇ ２ 谱 第 ３４ 卷 可能形成聚多巴胺的反应途径 １３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｒｏｕｔｅｓ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｄｏｐａｍｉｎｅ ＰＤＡ １３ ＤＨＩ ５ ６ ｄｉｈｙｄｒｏｘｙｉｎｄｏｌｅ ＰＴＣＡ ｐｙｒｒｏｌｅ ２ ３ ５ ｔｒｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ ＰＤＣＡ ｐｙｒｒｏｌｅ ２ ３ ｄｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ ｐｐｍ １０ ６ 来得到了人们的广泛关注 已被成功应用于环境 食 品 药学和生命科学等领域 １５ 由于内壁硅羟基的 解离和由此而产生的不可逆吸附 未改性石英毛细 管存在应用范围有限 分析重现性差等一系列问题 因此 在实际应用中石英毛细管柱在使用前常需进 行涂层修饰 Ｙｉｎ 等 首先报道了制备聚多巴 胺涂层柱 将一定浓度的 ＤＡ 碱性溶液充满毛细管 １６ １７ 室温放置数小时 ＤＡ 被溶液中溶解的氧气氧化成 ＰＤＡ 而附着于毛细管内壁 与传统的毛细管涂层 柱制备方法相比 该制备过程既有物理涂层方法简 单 快捷的特点 同时也具备化学修饰涂层稳定性高 的优点 通过改变涂覆的次数 可有效地对涂层的厚 度以及涂层柱的电渗流进行控制 在 ＣＥ 模式下 该涂层柱被成功用于 ４ 种植物生长激素的高效分离 分析 Ｚｅｎｇ 等 １８ 利用 ＰＤＡ 上丰富的官能团与胺功 能化修饰的聚乙二醇 ＰＥＧ 发生迈克尔加成或席 夫碱反应 将 ＰＥＧ 化学修饰到毛细管内壁上 见图 ３ 所形成的涂层柱可有效抑制电渗流 ＥＯＦ 和减 少蛋白的吸附 在较宽 ｐｈ 值范围内 ３ 种碱性蛋白 溶菌酶 细胞色素 Ｃ 和核糖核酸酶 Ａ 可获得快 速 高效分离 涂层柱连续 ２００ 次分离蛋白后 理论 塔板数几乎没有变化 证明这种新型涂层具有较好 的稳定性 Ｃｈｅｎ 等 １９ ２０ 先后合成了磺基甜菜碱丙 烯酸 甲 酯 ＳＢＭＡ 和 ２ 氨 基 乙 基 甲 基 丙 烯 酸 酯 ＡＥＭＡ 组 成 的 新 型 共 聚 物 ｐｏｌｙ ＳＢＭＡ ｃｏ ＡＥＭＡ 以及由聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯和 ＡＥＭＡ 组成的新型刷状共聚物 聚 ＰＥＧＭＡ３００ ｃｏ ＡＥＭＡ 并通过 ＰＤＡ 使其固着于不同材料的表 面 调整 ＡＥＭＡ 在原料中的比率可改善最终涂层 的稳定性 实验证明这种方法也可用于石英毛细管 内壁的修饰 所形成的涂层柱可在 ＣＥ 模式下用于
第 11 期柴微波, 等 : 聚多巴胺表面改性技术在分离科学领域中的应用 1025 [21] 蛋白的分离 Zhang 等采用相似的策略在毛细 管内壁事先形成的 PDA 层上模拟自然界的生物矿 化过程, 形成纳米结构的羟基磷灰石 ( HAP), 并通 过扫描电镜 ( SEM) X 射线能量色散谱 ( EDS) 和 XPS 等手段对形成的涂层材料进行了表征 ; 使用这 种涂层柱在开管电色谱 ( OT CEC) 模式下实现了 苯 苯酚和胺 3 类不同化合物的分离 为提高毛细 [22] 管改性过程中 PDA 的聚合效率, 该课题组在另 外一项研究中先在毛细管内壁原位合成了导电聚合物聚苯胺 (PANI), 然后在其上形成 PDA 层, 通过氧化石墨烯 (GO) 与 PDA 反应将 GO 固着于毛细管内壁 PANI 良好的导电性能有利于促进 PDA 形成过程中的电荷转移, 因此有利于毛细管改性过程, 在一定程度上增加了所形成固定相的表面积 ; 制备的毛细管柱具有反相作用机理, 在 OT CEC 模式下对烷基苯同系物表现出良好的分离能力 图 3 [18] 聚多巴胺接枝的 PEG 涂层的形成过程 Fig. 3 Formation of polydopamine graft polyethylene glycol (PEG) coating [18] 手性是自然界的本质属性 当前, 对不同种类 手性化合物进行拆分已成为 CE / CEC 技术最具特 色的研究和应用领域之一 [23] [24] Liu 等先在聚二 甲基硅氧烷 (PDMS) 微流控芯片的微通道内表面原 位形成了 PDA 涂层, 然后又在其上固着蛋白类手性 选择剂牛血清白蛋白 ( BSA), 从而简便地制得了 BSA 手性固定相 DA 在溶液中氧化自聚形成 PDA 沉积层过程中使微通道内表面粗糙化, 这有利于提 高微通道对 BSA 的负载能力和分析时样品的柱容 量 ; 此外,PDA 具良好的生物相容性, 能更好地保持 BSA 的生物活性, 从而可实现色氨酸 酪氨酸等氨 基酸外消旋体的高效 快速分离 为进一步提高 [25] BSA 的固载量, 该研究组还将 GO 加入 DA 溶液 中, 这样 GO 就会包埋在所形成的 PDA 沉积层中 实验证明, 这种凹凸不平的涂层结构大大增加了后 续实验环节 BSA 的固着量, 从而可在一定程度上提 高分离体系的手性识别能力 近些年来, 具有磁性 内核的纳米粒子 ( MNPs) 因具有超顺磁性 表面易 修饰以及可在外部磁场条件下人为控制等优点得到 了人们的广泛关注 [26] 在外部磁场作用下, 具有手 性识别能力的 MNPs 可作为手性固定相用于手性 [27] 分离 Wang 等制备了具有手性识别能力的分子 印迹磁性纳米粒子, 过程是以 Fe 3 磁性纳米粒子 作为载体, 按一定比例混合作为功能单体的 DA 和 作为模板分子的手性氨基酸 ( 如 L 色氨酸 L 酪氨 酸等 ) 手性药物 ( S 氧氟沙星 ) 利用外部磁场将 印迹磁球固定于 PDMS 微通道内, 可实现目标外消 旋体的快速拆分 2.2 液相色谱技术中的应用 建立在传统高效液相色谱 (HPLC) 技术基础上 的微柱液相色谱 (μ LC) 技术具有高检测灵敏度 低 溶剂消耗 易与质谱等多种检测器联用等特点, 在复 杂体系分离分析方面具有广阔的应用前景 [28] [29] Zhou 等通过向 DA 溶液中加入过硫酸铵以加速 体系的氧化自聚过程, 成功制备了 PDA 功能化修饰 的硅胶毛细管整体柱 在 μ LC 分离模式下, 通过 对不同类型的化合物 ( 烷基苯 多环芳香族烃 芳香 酸 酚类和碱等 ) 的分离, 发现固定相与样品分子间 存在多种相互作用, 如疏水 亲水, 静电和 π π 相互 作用等 近年来, 经过研究人员的不懈努力, 针对蛋 白大分子的分子印迹聚合物 (MIP) 技术取得了长足 的进展 由于蛋白几乎不溶于有机溶剂, 所以分子 印迹过程主要还是依靠水体系中功能单体和模板蛋 白之间的非共价键作用 然而, 水的极性较强, 会在 一定程度上削弱印迹过程中的非共价键作用, 所以 寻找一些新的功能单体和印迹方式就显得尤为重 要 [30] [31] Nematollahzadeh 等借助静电作用先将 人血清白蛋白 (HSA) 吸附于多孔硅球, 然后将其转 入一定浓度的 DA 溶液中, 从而在多孔硅球的孔表 面形成了 HSA 包埋的 PDA 纳米涂层 吸附实验表 明, 通过这种方式所形成的 MIP 涂层厚度约为 8 7 nm 时, 对模板蛋白 HSA 显示出了高吸附能力 在 HPLC 模式下, 用 BSA 和免疫球蛋白 G( IgG) 作为 竞争吸附蛋白的实验表明, 印迹柱对模板蛋白 HSA 显示出高选择性 3 PDA 用于富集 为降低分析方法的检出限 提高检测灵敏度, 在
1026 色谱第 34 卷 样品分析前通常需要对目标组分进行富集, 同时在 一定程度上除去干扰组分, 这在痕量和超痕量分析 领域显得尤为重要 当前, 借助于生物 化学等领域 的相关知识, 开发新的富集材料和方法已成为分析 化学及相关领域的一个研究热点 PDA 具有多种 类型的官能团可以与分析物作用, 同时还可以根据 实际需要对其进一步修饰, 且整个修饰过程简单 环 保 由于 PDA 可以附着于几乎所有类型的材料表 面, 因此作为一种新型的聚合物改性和修饰材料, 它 在富集领域得到了广泛的关注和应用 3.1 分散固相微萃取 分散固相微萃取 ( dspme) 作为新型的萃取技 术自被提出以来已被广泛应用于样品分析之前的预 处理过程 与传统的固相萃取技术 ( SPE) 相比, dspme 具有省时 简便 经济和溶剂消耗少等优 点 [32] 当前, 开发新型的吸附材料是 dspme 技术 的重点 结合磁性吸附材料操作简单 方便的特 点 [33-35] [36], Wang 等成功合成了 Fe 3 @ PDA 分 散固相萃取吸附剂, 利用 PDA 中丰富的苯环可与多 环芳烃 ( PAHs) 类物质发生 π π 相互作用, 借助 HPLC 分离手段实现了环境样品中痕量多环芳烃类 化合物的分析测定, PAHs 的检出限为 0 5 ~ 1 9 [37] ng / L Shi 等使用同种类型的吸附剂, 从药用植 物川柏的树皮萃取物中选择性萃取了小檗碱 尽管 萃取液中存在多种生物碱 ( 如黄柏碱 木兰花碱 等 ), 但这种 PDA 包覆的磁性材料对小檗碱表现出 了更强的吸附能力, 研究认为这可能与小檗碱特有 的平面结构有关 实验采用 dspme 技术最后将含 9 5% 小檗碱的原始提取液纯化至小檗碱含量 91 3%, 富集效果十分显著 最近, 结合 HPLC MS [38] 定量分析技术,McCullum 等用 PDA 包覆的磁纳 米粒子作为固相萃取剂建立了液态食物样品中黄曲 霉素类物质的分析测定方法, 部分物质的检出限低 [39] 达 0 001 2 ng / ml Socas Rodríguez 等采用共 沉淀法合成的 Fe 3 @ PDA, 实现了不同类型水样 中 12 种雌激素的测定, 回收率为 70% ~ 119%, 定量 [40] 限为 0 02 ~ 1 1 μg / L 最近, 我们利用 Fe 3 @ PDA 复合材料中 PDA 涂层具有两亲性的特点, 结 合 HPLC 分离技术建立了 dspme HPLC UV Vis 方 法用于测定食品中的水溶性合成色素,4 种色素的 [41,42] 检出限为 0 20 ~ 0 25 μg / L, 远低于此前文献 中报道的同类色谱分析方法, 这主要归因于所建立 的 dspme 过程对目标物具有较高的富集倍数 ( EF 176) PDA 不仅对多种有机物具有吸附作用, 还可选 [43] 择性吸附无机金属离子 最近,Zhang 等使用粒 径为 150 ~ 200 nm 的 PDA 纳米球建立了去除污染 水中 Hg 2+ 的新方法 研究发现, 室温下 PDA 纳米 球对汞离子的饱和吸附容量高达 1 861 72 mg / g, 且随着温度的升高, 吸附容量会进一步增加 XPS 分析的结果表明,PDA 结构中的氧和氮原子均参与 [44] 了与汞离子的配合 Yu 等研究了 PDA 改性的 天然沸石粉对水溶液中 Cu 2+ 的吸附 通过系统考 察溶液 ph 材料与样品液接触时间以及 Cu 2+ 初始 浓度对吸附的影响, 确立了最佳吸附条件 与修饰 前的天然沸石粉饱和吸附容量 (14 93 mg / g) 相比, PDA 改性沸石粉对 Cu 2+ 的最大饱和吸附容量为 28 58 mg / g, 增加了 91 4%, 这可能主要归因于沸石 表面 PDA 对 Cu 2+ [45] 的络合能力强 Hong 等在实 验室合成的纳米纤维垫上涂覆 PDA, 制备了新型的 纳米纤维材料并用之吸附水溶液中三价镧离子 这 种新型纳米材料对镧离子的最大饱和吸附量达 59 5 mg / g (0 43 mmol / g), 吸附符合朗缪尔等温 吸附类型 XPS 实验数据表明, 吸附过程涉及三价 镧离子与 PDA 结构中的氧原子形成配位 [46] Zhao 等通过硅烷化反应将 C 8 基团嫁接到 PDA 包裹的磁性石墨烯上, 成功制备了 C 8 官能化 的磁性石墨烯复合材料 所制备的纳米材料结合了 石墨烯 磁性微球 PDA 和 C 8 链等的优点, 因此拥 有高比表面积 强磁响应 良好的可分散性, 该磁性 复合材料可结合 MALDI TOF MS 技术用于富集和 鉴定样品中低丰度的内源性肽 ( 检出限低至 50 pmol / L), 富集作用主要是材料与肽之间的强疏水 [47] 疏水相互作用 Zhang 等借助 PDA 附着力强和 易于衍生的特性, 发展了在不锈钢丝上固定交联聚 合物的方法 通过氧化自聚反应, 在不锈钢丝表面 氧化自聚形成 PDA 层, 然后以丙烯酰胺 ( AA) 作为 官能单体 乙二醇二甲基丙烯酸酯 ( EGDMA) 作为 交联剂, 在 PDA 表面引发自由基聚合反应形成聚合 物层 研究发现, 这种 EGDMA AA 修饰的不锈钢 在搅拌 超声 有机溶剂 强酸和碱等条件下均表现 出较高的稳定性和良好的耐受性, 在搅拌棒吸附萃 取 (SBSE) 模式下对原小檗碱类物质表现出较高的 提取效率, 富集因子达 19 ~ 42 所建立的方法可应 用于测定药草和大鼠血浆样品中原小檗碱的含量, [48] 加标回收率为 88 53% ~ 114 61% 该课题组还 利用氧化石墨烯与不锈钢丝表面 PDA 中的氨基反 应, 得到了表面修饰石墨烯材料的不锈钢丝 ( G SSW) 石墨烯层的厚度可以通过层 层自组装的方 式控制, 以提高材料对目标物的萃取能力 实验数
第 11 期柴微波, 等 : 聚多巴胺表面改性技术在分离科学领域中的应用 1027 据表明, G SSW 用作搅拌棒对污染物多环芳烃 (PAHs) 具有良好的提取效率, 富集因子高达 1 00 10 4 ~ 1 69 10 4, 结合 HPLC 技术可实现土壤和食物 [49] 样品中痕量 PAHs 的测定 Ni 等通过 PDA 层将 谷胱甘肽 (GSH) 结合在磁球上形成 GSH 修饰的磁 球, 借助谷胱甘肽 S 转移酶 (GST) 和磁球表面 GSH 之间特异性的酶 底物相互作用, 实现了 GST 标记 的绿色荧光蛋白 (GFP) 的纯化 磷酸化作用是最重要的蛋白翻译后修饰方式之 一, 它也是蛋白质组学的一个重要分支 由于蛋白 磷酸化具有高度的动态性和低化学计量性, 因此在 质谱分析前对磷酸化肽进行富集具有重大意义 [50,51] Yan 等通过 DA 的氧化自聚反应分别在 Fe 3 磁球和氧化石墨烯的表面形成 PDA 包覆层, 随后借 助于 PDA 结构中羟基所具有的螯合作用将 Ti 4+ 固 定于材料表面 实验证明, 这种新类型的材料在固 定化金属离子亲和色谱 ( IMAC) 模式下可用于复杂 样品如蛋白酶解液和实际血清样品中磷酸化肽的高 选择性富集, 在蛋白富集和纯化方面具有应用前景 ( 见图 4) 在后续的研究工作中, 该研究组还先后 制备了固定有 Cu 2+ 的多巴胺包覆磁性石墨烯复合 2+ [52] 材料 magg@ PDA@ Cu 和固定有 Nb 5+ 的多巴 胺包覆 Fe 3 磁球 Fe 3 @ PDA@ Cu 2+ [53], 并将之 成功用于选择性富集尿液 血清中低丰度的磷酸化 肽 近年来, 金属氧化物亲和色谱 ( MOAC) 材料在 磷酸化蛋白组学的研究中也发挥了重要的作用 [54] [55] Yan 等通过简单的水热处理过程, 在 PDA 包覆 图 4 Ti 4+ [51] G@PDA 制备及其富集磷酸化肽过程的示意图 Fig. 4 Schematic procedure for the preparation of Ti 4+ G @ PDA and enrichment of phos phopeptides [51] Ti 4+ G@ PDA: polydopamine coated on the surface of gra phene and functionalized with titanium ions. 的石墨烯表面形成了氧化钛纳米粒子层 PDA 层 不仅作为氧化钛和石墨烯之间的连结剂, 也增强了 所形成的纳米复合材料 G@ PDA@ TiO 2 的亲水性 和生物兼容性 以此纳米复合材料作为吸附剂, 借 助 MALDI TOF MS 手段, 该研究组从小鼠脑蛋白中 确定了 556 个磷酸化位点 在对低丰度磷酸化肽进 行分析前, 有必要去除共存的大分子蛋白的干扰 [56] Sun 等成功制备了具有尺寸排阻作用的磁性石 墨烯 / 介孔二氧化硅复合材料, 并通过后续的 PDA 包覆和 Ti 4+ 固定合成了一种新型的 IMAC 吸附材料 Ti 4+ MGMSs, 成功应用于富集人血清和唾液中的内 源性磷酸化肽 亲水性 PDA 的引入大大简化了材 料的制备过程, 而介孔二氧化硅的有序介孔通道则 有利于内源性磷酸化肽的捕获, 同时大尺寸的蛋白 则被排除在外 金属有机骨架化合物 (MOFs) 是由 无机金属中心 ( 金属离子或金属簇 ) 与有机配体通 过自组装相互连接而形成的一类具有周期性网络结 [57] 构的晶态多孔材料,Zhao 等首次将锆基 MOFs 材料修饰于 PDA 涂覆的磁性微球表面, 制备了磁性 有机 无机复合材料 Fe 3 @ PDA@ Zr MOF, 将其 作为新型的 IMAC 吸附材料成功用于磷酸化蛋白的 研究 研究结果表明, 材料中的 MOFs 外壳由于较 大的比表面积, 有利于磷酸化肽和 Zr 4+ 离子之间的 相互作用, 具有比其他类型的 IMAC 材料更大的吸 [58] 附容量和富集效率 最近,Zhang 等尝试将沸石 咪唑酯骨架 锌苯并咪唑 (ZIFs 7) 与 PDA 涂覆的磁 性纳米粒子于样品溶液中混合, 由于 PDA 中的部分 官能团 ( -OH 和 -NH 2 ) 可通过非共价吸附及共价作 用结合 ZIFs 7, 所以简单的混合过程就同时一步实 现了 ZIFs 的磁化与 PAHs 的 dspme 萃取 结合 GC MS 分析方法, PAHs 检出限可达 0 71 ~ 5 79 ng / L, 所建方法已成功用于水样及空气样品中 PAHs 的分析 表 1 对 PDA 功能化的吸附剂在 dspme 中的典型应用进行了简要概括 3.2 分子印迹固相萃取 分子印迹技术是在聚合物材料的制备过程中构 建与模板分子在大小 形状和结构功能上都互补的 特异性结合位点, 以实现材料对模板分子的选择性 [59] 识别或结合 Mao 等通过表面引发原子转移自 由基聚合 (ATRP) 反应, 制备了磁性的核 壳型磺胺 二甲嘧啶 ( SMZ) 分子印迹聚合物 实验中先在磁 球表面形成 PDA 层, 然后将 ATRP 的溴化物引发剂 接枝到 PDA 表面, 在有机金属催化下加入功能单体 和交联剂 通过这种方式所形成的分子印迹聚合物 层可实现食品中 SMZ 的高选择性吸附
1028 色谱第 34 卷 Table 1 表 1 聚多巴胺功能化吸附剂在分散固相微萃取中的应用 Applications of adsorbents based on PDA in dispersed solid phase microextraction Adsorbent Analyte Sample Detection technique LOD Reference Fe 3 @ PDA PAHs water HPLC FD 0.5-1.9 ng / L [36] Fe 3 @ PDA aflatoxins red wine HPLC MS 1.2 ng / L [38] Fe 3 @ PDA estrogen water HPLC MS 30-780 ng / L [39] Fe 3 @ PDA colorants beverage HPLC UV Vis 200-250 ng / L [40] PDA sphere Hg 2+ water ICP OES - [43] Fe 3 @ PDA@ C 8 peptides human urine MALDI TOF MS 50 pmol / L [46] SSW@ PDA@ G PAHs soil and food samples HPLC FD 0.2-50 ng / L [48] Fe 3 @ PDA@ Cu 2+ peptides human urine and serum MALDI TOF MS 10 pmol / L [53] Fe 3 @ PDA@ ZIF 7 PAHs rainwater and air samples GC MS 0.71-5.79 ng / L [58] PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons; FD: fluorescence detection; ICP OES: inductively coupled plasma optical emission spec trometry; -: not given in the reference. 作为生物物质基础的蛋白与生物体的各种生命 活动密切联系在一起 由于蛋白相对分子质量高 体积庞大且构型复杂, 所以选择合适的功能单体和 印迹方式实现蛋白分子印迹既具有理论意义和实际 应用价值, 又具有很高的挑战性 [60] [61] Ouyang 等 用修饰有环氧基的多孔氧化铝膜作为基体材料, 通 过环氧基与氨基的反应固着模板蛋白, 然后以 DA 作为功能单体在中性 ph 值条件下氧化自聚形成 PDA 聚合物网络, 溶解氧化铝膜和去除模板蛋白后 得到了目标蛋白印迹的纳米线, 后续实验表明材料 对目标蛋白具有特异性的识别能力和高结合容量 与传统的蛋白分子印迹方式相比, 这种以 DA 为功 能单体的体系具有条件温和 过程简单等优点 Xia [62] 等采用相似的策略, 以牛血红蛋白 (BHb) 为模板 分子 DA 为功能单体, 在二氧化硅纳米粒子载体上 制备了 BHb 印迹纳米材料 在模拟生理条件下, 印 迹材料对模板分子表现出很高的亲和力, 可用于混 合蛋白样品中模板蛋白的选择性吸附, 同时材料还 具有很好的稳定性和再生性, 可多次重复使用 [63] Zhang 等以羧基官能化的 Fe 3 NPs 作内核, 制 备了溶菌酶印迹的 PDA 层 PDA 壳层的厚度可通 过调节 Fe 3 NPs 和多巴胺的质量比来控制, 实验 结果表明 PDA 壳层厚度对溶菌酶的最大结合容量 [64] 影响甚大 Liu 等以木瓜蛋白酶为模板分子 DA 为功能单体, 在弱碱性条件下与多壁碳纳米管混合, 通过这种简单的方法在碳纳米管表面一步制得了木 瓜蛋白酶印迹的 PDA 膜, 吸附实验表明所制得的 MWNTs@ MIPs 材料对模板蛋白表现出高选择性 [65] 高结合容量及快速的动力学特征 Lin 等利用糖 蛋白可与硼酸基可逆共价结合的特性, 制备了对糖 蛋白具有特异性识别能力的整体柱 实验中, 首先 将糖蛋白辣根过氧化物酶 ( HRP) 通过硼酸基亲和 作用固定于 4 乙烯基苯基硼酸 (VPBA) 修饰的整体 柱表面, 然后加入 DA 发生氧化自聚反应 由于硼 酸基亲和与 DA 表面印迹的同时作用, 去除 HRP 后 可在制备的印迹整体柱中得到稳定的可识别位点, 这有利于 HRP 的重新结合, 同时提供了良好的再现 性和较高的使用寿命 对比实验结果表明, 与 VPBA 修饰整体柱 非印迹整体柱相比,HRP 印迹整体柱 对 HRP 分子表现出更高的特异性识别能力 3.3 固相微萃取 固相微萃取 (SPME) 集采样 萃取 浓缩和进样 于一体, 作为一种绿色萃取方法, 具有小型化 自动 化和快速等优点 然而, 经常用作 SPME 萃取头的 石英纤维具有易折 涂层易脱落和使用寿命短等缺 陷 [66] Feng [67] 等用 PDA 作为黏合层, 经由迈克尔 加成或席夫碱反应将胺官能化的多壁碳纳米管固着 于不锈钢丝表面 以此材料作为 SPME 萃取头, 考 察了其对水样中 6 种酚类物质的萃取能力 研究结 果表明, 这种新型的萃取头结实耐用, 对酚类物质具 有极佳的富集能力,6 种酚类物质的检出限范围为 0 02 ~ 0 10 μg / L, 远低于商品化和实验室早期自制 [68] 的纤维萃取头 Zhang 等建立了基于聚醚醚酮 (PEEK) 管的固相微萃取 HPLC 方法 研究中首先 使用 PDA 对化学惰性的 PEEK 管进行改性, 而后在 管内原位合成了聚 ( 丙烯酰胺 二甲基丙烯酸乙二醇 酯 ) 整体柱 整体柱可通过一六通阀与 HPLC 分析 系统在线联用, 从而实现水样中 3 种原小檗碱类物 质的在线富集与分离, 富集倍数可高达 400 该课 [69] 题组还提出了一种基于 PDA 特性来实现石墨烯 层 层自组装的新方法 : 首先在聚四氟乙烯 (PTFE) 表面形成 PDA 层, 然后石墨烯通过与 PDA 共价作 用而自组装 通过重复这两个步骤可以得到层数可 控的功能化氧化石墨烯 (FGO) 改性聚四氟乙烯管 研究发现, 当石墨烯层数为 3 时所形成的材料 (FGO PD) 3 PTFE 显示出了最高的萃取效率, 对 6
第 11 期柴微波, 等 : 聚多巴胺表面改性技术在分离科学领域中的应用 1029 种 PAHs 的富集倍数达 1 082 ~ 2 331 利用此材料所 建立的在线 SPME HPLC 荧光检测方法对 PAHs 的 [70] 检出限低达 0 05 ~ 0 1 pg / ml 该课题组还采用 类似的策略将类沸石咪唑酯骨架化合物 ( ZIFs) 固 定到了 PEEK 管内, 研究发现 PDA 层的存在有利于 ZIF 8 的成核和生长 所建立的在线 SPME HPLC 方法用于测定环境样品 ( 自来水和土壤 ) 中 6 种多 环芳烃, 富集倍数达到 550 ~ 734 4 结论与展望 DA 通过简单的氧化自聚反应可在几乎所有的 材料 ( 如金属 石英 沸石 PDMS 和 PTFE 等 ) 表面 形成稳定的 PDA 膜 ;PDA 具有良好的生物兼容性, 其结构中富含多种官能团 ( 如酚羟基 醌基 胺和羧 基等 ), 具有一定的两亲性能, 不仅可与被分析物发 生分子间作用而用于富集和分离, 而且可在一定条 件下发生特定的化学反应, 为各种材料的进一步修 饰和改性提供可能 PDA 的这些特性使其成为分 离科学领域一种理想的表面改性功能材料 尽管目前 PDA 已经在分离科学领域得到了一 些实际应用, 然而对于 PDA 的形成机理仍需进一步 探讨和深入的研究 此外, 目前制备的 PDA 层的厚 度较低, 一般单次涂覆的厚度 50 nm, 涂层形成过 程也极易受各种制备条件 ( 如溶液 ph 值 DA 浓度 氧化剂种类和温度等 ) 的影响 多数情况下, 为了 达到较好的富集或分离效果需多次涂覆, 这无疑会 延长涂层的制备时间, 制备步骤增多也会对涂层的 重现性产生不利影响 相信随着各种现代实验表征 手段 ( 如 NMR XPS 和 HRMS 等 ) 的采用和理论研 究的进一步深入,PDA 的聚合机制和精细结构将得 到进一步阐明 ; 不仅可为合成可控的 PDA 层提供理 论和实践上的指导, 还有助于进一步开发出新型的 分离和富集材料, 以实现复杂样品的高效分离与 分析 参考文献 : [1] Lee H, Lee B P, Messersmith P B. Nature, 2007, 448: 338 [2] Papov V V, Diamond T V, Biemann K, et al. J Biol Chem, 1995, 270: 20183 [3] Waite J H, Qin X X. Biochemistry, 2001, 40: 2887 [4] Yu M, Hwang J, Deming T J. J Am Chem Soc, 1999, 121: 5825 [5] Lee H, Scherer N F, Messersmith P B. P Natl Acad Sci U S A, 2006, 103(35): 12999 [6] Lee H, Dellatore S M, Miller W M, et al. Science, 2007, 318: 426 [7] Matthew J L, Beth L O. Nat Med, 2005, 11: 1214 [8] Herlinger E, Jameson R F, Linert W. J Chem Soc Dalton Trans, 1995, 2: 259 [9] Faure E, Daudre C F, Jerome C, et al. Prog Polym Sci, 2013, 38: 236 [10] Luczak T. Electrochim Acta, 2008, 53: 5725 [11] Hong S, Na Y S, Choi S, et al. Adv Funct Mater, 2012, 22: 4711 [12] Liebscher J, Mrowczynski R, Scheidt H A, et al. Lang muir, 2013, 29: 10539 [13] Vecchia N F D, Avolio R, Alfe M, et al. Adv Funct Mater, 2013, 23: 1331 [14] Bocian S, Skoczylas M, Buszewski B. J Sep Sci, 2016, 39: 83 [15] Galceran M T, Puignou L. TrAC Trends Anal Chem, 2005, 24 (8): 743 [16] Wang B X, Chai W B, Tang A N, et al. Chinese Journal of Chromatography, 2015, 33(4): 334 王丙香, 柴微波, 唐安娜, 等. 色谱, 2015, 33(4): 334 [17] Yin X B, Liu D Y. J Chromatogr A, 2008,1212: 130 [18] Zeng R J, Luo Z F, Zhou D, et al. Electrophoresis, 2010, 31: 3334 [19] Chen L J, Tan L, Liu S T, et al. J Biomater Sci Polym Ed, 2014, 25(8): 766 [20] Chen L J, Liu G M, Liu S G, et al. J Biomater Sci Polym Ed, 2014, 25(12): 1306 [21] Zhang J, Zhang W P, Bao T, et al. Analyst, 2014, 139: 242 [22] Zhang J, Zhang W P, Bao T, et al. J Chromatogr A, 2014, 1339: 192 [23] Kitagawa F, Otsuka K. J Chromatogr B, 2011, 879 ( 29): 3078 [24] Liu C M, Lang R P, Wang X N, et al. J Chromatogr A, 2013, 1294: 145 [25] Liang R P, Wang X N, Liu C M. J Chromatogr A, 2014, 1323: 135 [26] Alejandro S D, Marta E D G. Anal Chim Acta, 2010, 666: 1 [27] Wang X N, Lang R P, Meng X Y. J Chromatogr A, 2014, 1362: 301 [28] Peng W B, Tan J L, Huang D D. Chromatographia, 2015, 78(23 / 24): 1443 [29] Zhou Q L, Yang P L, Xiao X, et al. J Sep Sci, 2013, 36: 1516 [30] Sun Y J, Luo W Q, Pan J. Acta Pharmaceutica Sinica, 2011, 46(2): 132 孙寅静, 罗文卿, 潘俊. 药学学报, 2011, 46 (2): 132 [31] Nematollahzadeh A, Shojaei A, Abdekhodaie M J. J Colloid Interface Sci, 2013, 404: 117 [32] Tsai W H, Huang T C, Huang J J, et al. J Chromatogr A, 2009, 1216: 2263 [33] Sun H, Lou D W, Lian L L, et al. Chinese Journal of Chro matography, 2016, 34(4): 407 孙红, 娄大伟, 连丽丽, 等. 色谱, 2016, 34(4): 407 [34] Gao Q, Feng Y Q. Chinese Journal of Chromatography, 2015, 33(5): 449 高强, 冯钰锜. 色谱, 2015, 33(5): 449 [35] Ding L, Wang H. Chinese Journal of Chromatography, 2014, 32(10): 1043 丁兰, 王慧. 色谱, 2014, 32(10): 1043 [36] Wang Y X, Wang S H, Niu H Y, et al. J Chromatogr A, 2013, 1283: 20 [37] Shi H L, Peng S L, Sun J, et al. J Sep Sci, 2014, 37: 704
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