综述：开管毛细管电色谱在手性分离中的设计和应用新进展

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Recent advances in the design and application of open tubular capillary electrochromatography for enantioseparation

本综述系统总结了开管毛细管电色谱（OT-CEC）在手性分离领域的最新进展，重点聚焦于多种涂层材料（如MOFs、COFs、纳米颗粒等）的开发、应用及其手性识别机制，详细探讨了共价涂层、原位涂层、物理吸附和层层自组装等毛细管内表面修饰技术，并介绍了OT-CEC与手性配体交换策略结合在 chiral drugs、chiral pesticides、D,L-amino acids 分离、食品分析、酶动力学及代谢研究中的应用，最后对未来发展面临的挑战和前景进行了展望。

手性分离的重要性

手性在药物、农业、工业和生物系统等多个领域起着基础性作用。许多生物分子，包括药物和氨基酸，都以对映体形式存在。它们具有相同的物理化学性质，但生物活性往往截然不同。手性分子与生物靶点之间的立体选择性相互作用，使得对映体纯度成为影响药物安全性、有效性和监管批准的关键因素。在许多情况下，只有一种对映体表现出所需的治疗效果，而另一种可能无效甚至有害。因此，分离活性对映体对于确保药物和氨基酸的安全性与有效性至关重要。

毛细管电色谱（CEC）的优势

为满足这些需求，开发高效、可靠的手性分离技术已成为药物、食品科学、环境监测和临床诊断等多个科学领域的焦点。在高效液相色谱（HPLC）、气相色谱、薄层色谱、亲和膜色谱和毛细管电泳（CE）等多种分离技术中，毛细管电色谱（CEC）结合了CE和HPLC的优点。它通过电渗流（EOF）实现高分离度，并最大限度地减少谱带展宽，从而为复杂混合物提供增强的分离能力。此外，CEC具有样品和溶剂消耗少、成本效益高、环境友好等优点，同时在固定相设计方面具有高度灵活性，允许引入多种手性选择剂以提高对映选择性。均匀的EOF确保了优异的重现性，而其液相操作方式适用于热不稳定和非挥发性化合物。凭借其微型化潜力和高通量能力，CEC成为一种高效、多功能且可持续的先进手性分离平台。

开管毛细管电色谱（OT-CEC）的地位

作为一种混合技术，CEC依赖于固定相和流动相之间的保留差异，并由EOF驱动。CEC中的毛细管柱主要分为三种类型：开管柱（OT-columns）、整体柱（M-column）和填充柱（P-columns）。与P-columns和M-columns相比，OT-CEC具有柱效高、高压下机械稳定性更好、制备过程更简单等优势。这些优点使得OT-CEC在分离科学中的应用日益广泛。尽管存在相比率低和样品负载量有限等局限性，但近年来毛细管内壁设计的进展显著扩展了OT-CEC的能力。

涂层材料的进展

各种涂层材料的发展，包括金属-有机框架（MOFs）、共价-有机框架（COFs）、纳米颗粒（NPs）、聚合物、生物材料以及杂化材料，提升了OT-CEC的选择性、稳定性和手性分离性能。这些进步不仅改善了对 chiral drugs 和 D,L-amino acids 的分离，还将OT-CEC的应用拓宽至食品分析、酶动力学和代谢研究。

涂层协议

OT-CEC中的涂层协议主要分为四类：物理吸附、共价键合、原位合成和层层自组装。这种分类是基于涂层与毛细管壁之间锚定相互作用的性质。涂层技术的选择取决于涂层材料的化学性质，以及在制备简便性和涂层稳定性之间的权衡。

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  共价涂层：通过形成牢固的化学键将涂层材料固定在毛细管内壁，通常提供卓越的稳定性和耐用性。
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  原位涂层：涂层材料直接在毛细管内表面合成或聚合，可以实现均匀覆盖并与基底形成强结合。
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  物理吸附：依靠范德华力、静电力或疏水相互作用等物理作用力将涂层吸附在壁上，方法简单但稳定性可能相对较差。
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  层层自组装：通过交替吸附带相反电荷的聚电解质或功能分子来构建多层薄膜，可以精确控制涂层厚度和组成。

手性OT-CEC的分离机制

OT-CEC中的分离受多种因素共同控制，包括分析物的电泳迁移率、EOF以及分析物与毛细管涂层之间的色谱相互作用。对于MOFs和COFs等多孔材料，分离效率很大程度上取决于孔径、通道几何形状和分子相互作用。分析物与多孔框架之间合适的尺寸和形状匹配可显著增强手性识别和对映选择性。相比之下，对于基于聚合物或生物材料的涂层，手性识别主要依赖于特定的分子相互作用，例如氢键、π-π相互作用、立体位阻和疏水效应。

将OT-CEC与手性配体交换（CLE）策略相结合，通过分析物与固定在涂层上的手性配体以及流动相中的金属离子形成三元络合物，进一步增强了对映体分离能力。这种协同效应为分离氨基酸等化合物提供了强大的工具。

应用领域

OT-CEC已成为一种多功能分析技术，在分离复杂混合物方面显示出卓越的效率。通过精心设计和制造定制化涂层，OT-CEC将其应用范围扩展到手性分离、食品分析、代谢组学和酶动力学研究。

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  手性药物和农药分离：OT-CEC已成功应用于多种手性药物和农药对映体的分离，这对于药理学研究和环境监测至关重要。
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  D,L-氨基酸分析：在生命科学和医药领域，氨基酸对映体的分离分析具有重要意义，OT-CEC结合CLE策略在此表现出独特优势。
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  食品分析：用于检测食品中的手性污染物或添加剂，确保食品安全。
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  酶动力学研究：通过监测对映选择性酶促反应过程，为酶学机制研究提供支持。
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  代谢研究：有助于分析生物体内手性代谢物的变化，深入了解代谢途径。

结论与展望

受先进功能材料作为涂层的启发，OT-CEC近年来在手性分离领域引起了越来越多的关注，并展现出巨大潜力。值得注意的是，超过三分之二的最新应用利用了先进涂层，包括多孔材料、纳米颗粒和生物材料。这一发展超越了经典的环糊精（CDs），引入了诸如刺激响应聚合物和分子印迹聚合物等有前景的新类别。关键的OT-CEC分离机制涉及基于尺寸排阻、分子相互作用和手性识别的协同效应。然而，该技术仍面临一些挑战，例如提高涂层稳定性、增加样品容量以及扩展可分离分析物的范围。未来的发展可能集中在开发新型智能涂层材料、与其他分析技术联用、以及推动其在精准医学和高通量筛选中的应用。通过解决这些挑战，OT-CEC有望在手性分离和相关生命科学领域发挥更加重要的作用。