一种基于π-共轭聚合物功能化介孔硅纳米颗粒的新型固相萃取方法，用于从肉桂种子仁中纯化异喹啉生物碱

《Journal of Chromatography A》：A Novel Solid-Phase Extraction Approach Based on π-Conjugated Polymer-Functionalized Mesoporous Silica Nanoparticles for Isoquinoline Alkaloid Purification from Cinnamomum camphora Seed Kernels

新型π-共轭聚合物修饰孔性二氧化硅吸附材料及其碳化衍生物对肉桂种子异喹啉类生物碱的高效纯化研究。

　　

杨玉静|余萍|曾哲玲|高先西|高一芳|程丁|曾成|文雪芳|龚德明|严向辉

南昌大学化学与化学工程学院，中国南昌330031

摘要

通过一种简单且低成本的合成策略，开发了一类新型的π-共轭聚合物功能化的多孔二氧化硅吸附剂，包括一种未碳化的材料（SiO₂@π-CP）及其碳化衍生物（SiO₂@C-π-CP）。首次将这些材料应用于固相萃取（SPE）中，以选择性纯化从Cinnamomum camphora种子仁（CCSK）中提取的四种异喹啉生物碱：马格诺弗林（magnoflorine）、劳里福林（laurifoline）、林多尔德明（lindoldhamine）和N-甲基多梅斯蒂西尼姆（N-methyldomesticinium）。π-共轭聚合物与多孔二氧化硅的结合创造了丰富的吸附位点，使得π-π相互作用、静电作用和氢键作用得以增强，从而显著提高了对CCSK生物碱的吸附能力。综合表征证实了功能化的成功以及结构的稳定性。在优化条件下，SiO₂@π-CP和SiO₂@C-π-CP对总CCSK生物碱的吸附容量分别为68.57 mg g?1和97.83 mg g?1，其吸附行为可以用伪二级动力学和Freundlich等温线很好地描述。值得注意的是，碳化处理显著提高了吸附性能、化学稳定性和重复使用性，两种材料在经过八次吸附-解吸循环后仍保持高效。此外，SiO₂@C-π-CP还被成功应用于动态SPE中，其柱吸附行为可以通过Adams-Bohart、Thomas、Yoon-Nelson和BDST模型准确预测，为规模化应用提供了实用基础。经过SPE纯化后，CCSK生物碱的纯度从32.97%提高到了61.59%，产率为73.54%。本研究介绍了一种基于π-共轭聚合物的新型SPE平台，该平台具有高选择性、稳定性和可扩展性，为高效分离植物生物碱提供了有前景的策略。

引言

异喹啉生物碱（IAs）是一类含有氮的杂环化合物，由于其多样的药理活性而受到了广泛的研究关注[1]。最近的研究表明，IAs具有显著的抗肿瘤[2]、抗菌[3]和抗炎[4]作用，显示出在药物开发中的巨大潜力。值得注意的是，几种IAs已经获得了作为治疗剂的监管批准，证实了它们的临床价值。例如，奎宁用于治疗疟疾[5]，小檗碱用于糖尿病管理[6]，辛诺明作为抗炎和免疫抑制药物[7]，以及四氢黄连碱用于抗肿瘤和神经保护治疗[8]。这些批准验证了IAs在治疗多种人类疾病方面的显著药理潜力。

在过去的几十年中，人们投入了大量努力来开发从植物材料中提取IAs的方法，如Thalictrum minus L. [9]、Annona crassiflora Mart [10]和Mahonia imbricata [11]。虽然溶剂萃取是一种常用的技术，但它不具备选择性，常常会伴随杂质一起被提取出来，导致最终产品的纯度较低[12]。此外，有机溶剂的广泛使用引发了关于环境影响和生产成本的担忧。近年来，基于吸附的方法因其经济可行性、丰富的吸附剂来源以及简单的制备过程而成为分离和纯化天然产物的可行替代方案[13]。多种吸附剂已被成功用于各种生物碱的吸附、分离和纯化，包括大孔吸附树脂、介孔碳、硅胶和分子印迹聚合物。这些生物碱包括文多林（vindoline）、卡塔兰丁（catharanthine）和长春碱（vinblastine）[14]、小檗碱（berberine）、秋水仙碱（colchicine）和马托品（matrine）[15]、阿托品（atropine）和东莨菪碱（scopolamine）[16]以及喜树碱（camptothecin）[13]。作为基于吸附过程的核心组成部分，吸附剂在决定富集效率、选择性和回收率方面起着重要作用。因此，开发新型高性能吸附剂成为重要的研究方向[17]。

Cinnamomum camphora（L.）Presl.在中国被广泛种植为园林和观赏树，年种子产量超过三百万吨。Cinnamomum camphora种子仁（CCSK）是一种富含中链脂质（46.29-62.08%）和蛋白质（12.33-22.17%）的宝贵油料作物[18]。特别是CCSK富含多种生物活性化合物，包括酚酸、酚苷、黄酮类化合物以及异喹啉生物碱，如马格诺弗林、劳里福林、林多尔德明和N-甲基多梅斯蒂西尼姆[19]。这些生物碱表现出显著的药理活性，突显了它们在药物开发中的潜力。例如，马格诺弗林具有广泛的药理特性，包括抗糖尿病、抗炎、神经精神药理、免疫调节、降压、抗氧化和抗真菌作用[20]。林多尔德明显示出高水平的乙酰胆碱酯酶抑制活性，被认为是治疗阿尔茨海默病的有前景的药物[21]。然而，由于IAs在自然界中的含量较低，且植物基质中含有碳水化合物、蛋白质和脂质等复杂杂质，因此有效地分离和纯化它们具有挑战性。在我们之前的研究中，使用了市售的HJ-18树脂来富集CCSK中的多酚和生物碱[22]。富集后的组分表现出较高的抗氧化能力和消化酶抑制活性。不幸的是，HJ-18树脂的选择性和富集效率不佳，无法用于分离高纯度的生物碱，从而限制了其实际应用。因此，开发一种高效、经济且环保的方法来从CCSK中分离IAs具有重要的意义。

在过去的几十年中，人们研究了多种新的吸附材料，其中介孔二氧化硅（SiO₂）和π-共轭聚合物（π-CP）显示出巨大潜力。SiO₂颗粒因其内在的介孔结构、较大的孔径和较高的比表面积而被认为是非常稳定的无机材料[23]。这些材料可以很容易地用各种化学基团进行功能化，从而提高其多功能性[24]。例如，氰尿酸修饰的树枝状二氧化硅纳米颗粒已被用于从血清样本中分散固相提取生物碱，包括小檗碱、棕榈碱和黄连碱[25]。类似地，TOCN@DMONs是一种由TEMPO修饰的纤维素纳米晶体（TOCN）和树枝状介孔有机硅纳米颗粒（DMONs）合成的环保复合材料，在分离和纯化生物碱（如马托品）方面显示出显著潜力[26]。同时，π-共轭聚合物（π-CP），特别是那些由1,5-二羟基萘（DHN）和1,3,5-三甲基-1,3,5-三嗪（TMTA）合成的聚合物，由于其独特的性质而受到越来越多的关注[27,28]。这些聚合物可以在不含添加剂的简单溶剂系统中合成，其结构同时含有富电子的芳香基团和富氮基团，这使它们能够与季铵生物碱（如小檗碱）有效相互作用[29]。此外，π-CP可以固定在各种基底上，包括β-乳球蛋白[30]和纳米多孔二氧化硅表面[31]，从而克服了某些应用限制。然而，发现π-CP涂层会部分堵塞二氧化硅载体的孔隙，从而减少吸附剂的有效表面积[32]。据报道，热处理（碳化）可以通过去除极性官能团来缓解这一问题，增强共轭结构并减少孔隙堵塞，从而提高热稳定性[33]。

因此，本研究旨在设计和合成两种新型吸附剂：一种π-共轭聚合物包覆的介孔二氧化硅（SiO₂@π-CP）及其碳化衍生物（SiO₂@C-π-CP）。通过动力学、等温线和热力学分析研究了它们的吸附性能，以阐明其作用机制。此外，优化了关键的固相萃取（SPE）参数，包括流速、床层深度和样品浓度，以建立高效的SPE方法。这项工作可能为IAs的分离提供一种新的技术，并为获得高纯度生物碱化合物提供一种可靠的方法，从而提高CCSK的利用价值。

材料与化学品

马格诺弗林、劳里福林、林多尔德明和N-甲基多梅斯蒂西尼姆是在我们的实验室从CCSK中分离出来的，其HPLC纯度超过99%。四乙基正硅酸盐（TEOS）、氨溶液、甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）、乙腈（ACN）和异丙醇（IPA）均购自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.（中国上海）。1,5-二羟基萘（DHN，>99%）和1,3,5-三甲基六氢-1,3,5-三嗪（TMTA，>98%）购自上海Yuanye Bio-Technology Co.,

DHN和TMTA（n:n，1:1）与SiO₂比例的影响

通过比较CCSKA的吸附和解吸能力来确定DHN和TMTA（n:n，1:1）与SiO₂的比例。如图1A所示，随着DHN和TMTA与SiO₂比例从0增加到15%，吸附和解吸能力均有所提高。这种增加归因于SiO₂表面引入了额外的结合位点，如酚羟基、三嗪氮和π-共轭结构域。然而，当比例进一步超过15%时

结论

开发了两种新型吸附剂SiO₂@π-CP及其碳化形式SiO₂@C-π-CP，用于从CCSK中纯化异喹啉生物碱。表征证实了均匀的聚合物涂层，碳化处理减少了孔隙堵塞并增加了表面积。在静态条件下，两种吸附剂均表现出高重复使用性，吸附行为符合伪二级动力学和Freundlich等温线。此外，SiO₂@C-π-CP已成功应用于SPE柱中，其动态

未引用的参考文献

[65,66]

CRediT作者贡献声明

杨玉静：撰写——原始草案、方法学、研究、概念化。余萍：撰写——审阅与编辑、验证、监督。曾哲玲：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。高先西：验证、软件、数据管理。高一芳：验证、软件。程丁：验证、软件。曾成：撰写——审阅与编辑。文雪芳：验证、软件、数据管理。龚德明：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

所有作者声明与本文无关的利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFF1103502, 2023YFF1103505）和江西省自然科学基金（20252BAC200646, 20252BAC240710）的支持。