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应用化工 Applied Chemical Industry ISSN 1671-3206,CN 61-1370/TQ 应用化工网络首发论文应用化工网络首发论文 题目：金属有机框架 MIL-101 吸附穿心莲内酯研究 作者：徐伟，姜宁，陈波，程建，唐毅，祝玉林，毛敏，程纯儒 DOI：10.16581/ki.issn1671-3206.20240528.001 网络首发日期：2024-05-28 引用格式：徐伟，姜宁，陈波，程建，唐毅，祝玉林，毛敏，程纯儒 金属有机框架 MIL-101吸附穿心莲内酯研究J/OL应用化工.https:/doi.org/10.16581/ki.issn1671-3206.20240528.001 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。应用化工 金属有机框架 MIL-101 吸附穿心莲内酯研究 徐伟 姜宁 陈波 程建 唐毅 祝玉林 毛敏 程纯儒（四川轻化工大学 化学工程学院，四川 自贡 643000）通信作者 姜宁，博士，E-mail：；程纯儒，博士，E-mail： 摘要 用水热法合成 MIL-101（Cr），通过 PXRD、SEM 表征其物相结构及微观形貌，制备出 BET 达 2800 m/g 的MIL-101 吸附剂。静态吸附实验表明，MIL-101 在 60%甲醇水溶液中对穿心莲内酯和脱水穿心莲内酯的饱和质量吸附率分别达到 8.36%、7.05%；将 MIL-101 负载于层析硅胶制成制备色谱柱（4.6mm250mm），分别测定其对两种内酯的穿透曲线及对内酯混合物的在线分离性能，结果表明，实验制备色谱柱对穿心莲内酯和脱水穿心莲内酯分离度达1.9，分离效率99%，可实现在线高效分离。关键词 金属有机框架；MIL-101；穿心莲内酯；脱水穿心莲内酯；吸附分离 中图分类号 TQ028；TB34 文献标志码 A Study on the adsorption of andrographolide by metal organic framework MIL-101 XU Wei,JIANG Ning,CHEN Bo,CHENG Jian,TANG Yi,ZHU Yu-lin,MAO Min,CHENG Chun-ru(School of Chemical Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Zigong 643000,China)Abstract MIL-101(Cr)was synthesized by hydrothermal method,and its phase structure and microstructure were characterized by PXRD and SEM,resulting in a BET of 2800 m /g of MIL-101 adsorbent.The static adsorption experiment showed that MIL-101 had saturated mass adsorption rates of 8.36%and 7.05%for andrographolide and dehydrated andrographolide in a 60%methanol aqueous solution,respectively;MIL-101 was loaded onto chromatographic silica gel to prepare a chromatographic column(4.6mm 250mm),and its penetration curves for two types of lactones and online separation performance for lactone mixtures were measured.The results showed that the experimental prepared chromatographic column had a separation degree of 1.9 for andrographolide and dehydrated andrographolide,with a separation efficiency of99%,achieving online efficient separation.Key words Metal Organic Framework;MIL-101;Andrographolide;Dehydrated andrographolide;Adsorptive and separation 穿心莲内酯（Andrographolide）是爵床科植物穿心莲的主要活性成分，具有抗癌1、抗病毒2等多种生物活性。当前，研究主要集中在穿心莲内酯的提取方法，而对其分离纯化的研究较少，通常采用传统的重结晶3和大孔树脂4等方法。MIL-101（Cr）是金属有机框架（MOFs）中性能卓越的晶体材料之一5，因其出色的稳定性、可调控的孔道结构以及化学多功能性而备受关注6-7。在色谱分离领域，MIL-101 已证明对乙苯异构体8、富勒烯9等具有出色的分离效果。本研究旨在探讨 MIL-101 在穿心莲内酯的分离纯化中的潜在应用价值，研究其对穿心莲内酯的静态吸附、动态穿透以及在线分离性能，为天然产物的新型分离纯化技术提供技术支持。基金项目：国家自然科学基金面上项目 (No.22377087)，四川省教育厅重点项目（18ZA0344），自贡市重点科技计划项目（2018YYJC11），四川轻化工大学人才项目（2017RCL67），四川轻化工大学研究生创新基金（Y2022023）作者简介：徐伟（1997-），男（汉），四川西昌人，在读硕士，师从程纯儒教授，主要从事天然产物吸附分离研究。E-mail： 网络首发时间：网络首发地址：2024-05-28 16:39:22https:/ 应用化工 1 实验部分 1.1 材料与仪器 对苯二甲酸（分析纯）、Cr(NO3)3 9H2O（分析纯）、氢氟酸（分析纯）、N,N-二甲基甲酰胺（分析纯）、二氯甲烷（分析纯）、甲醇（色谱纯）、正丁醇（分析纯）、正己烷（分析纯）、穿心莲内酯标准品（分析纯）、脱水穿心莲内酯标准品（分析纯）、层析硅胶（分析纯）。Labtech LC600 型高效液相色谱；色谱柱 Phenomenex C18（250mm4.6mm）；Ohaus AR1140 电子天平；DZF-6050 真空干燥箱；不锈钢高压反应釜。1.2 MIL-101 的制备及表征 采用水热合成法，称取对苯二甲酸 1.67g、Cr(NO3)3 9H2O 4.04g、HF 0.50g、H2O 50.08g 于 100ml内衬聚四氟乙烯内胆不锈钢高压反应釜中，205恒温反应 760 分钟，冷却后取出产物，用 DMF 及二氯甲烷各清洗 6 次，得到墨绿色粉末，130真空干燥 12 小时，得 MIL-101 样品 2.1g。对所制备样品进行测试表征，采用粉末 X 射线衍射仪（日本理学 Rigaku Ultimate IV 型）表征物相结构；比表面及孔隙度分析仪（美国 Micromeritics APSP 24600）测定样品 BET 比表面积，扫描电子显微镜（德国 ZEISS Gemini SEM 300）表征样品粒径及微观形貌。1.3 HPLC 测定穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯 精密称取穿心莲内酯标准品 10.0mg，甲醇-水（60：40）溶解定容于 10ml 容量瓶中，依次稀释定容为 1000g/ml、500g/ml、250g/ml、125g/ml、50g/ml、25g/ml、10g/ml 标准品溶液，备用；另精密称取脱水穿心莲内酯标准品 10.0mg，配制浓度同上的标准品溶液，备用。将所制标准品溶液分别进样 20l，以进样浓度（g/ml）为横坐标（X），峰面积为纵坐标（Y），绘制标准曲线，得穿心莲内酯回归方程 Y1=22879.63X1-8880.02，r2=0.9999，在 10500g/ml 线性关系良好；脱水穿心莲内酯回归方程 Y2=13378.55X2+26142.06，r2=0.9997，在 101000g/ml 线性关系良好（图 1）。色谱条件10：色谱柱，Phenomenex C18 柱（250mm4.6mm）；流动相：甲醇-水（60：40）；检测波长：225nm；柱室温度：35；流速：1ml/min；进样量：20l。图 1 内酯标准曲线 Fig.1 Standard curve of lactones 1.4 静态吸附穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯 取适量穿心莲内酯（脱水穿心莲内酯）标准品溶于 60%甲醇-水溶液中，配制浓度为 5mg/ml 样品溶液，分别取 5ml 样品溶液于 10ml 小瓶中，依次加入 MIL-101 样品 25mg，50mg，125mg，250mg 徐伟等 金属有机框架 MIL-101 吸附穿心莲内酯研究 3 （穿心莲内酯:MIL-101=1:1/1:2/1:5/1:10），室温搅拌 4 小时，离心取上清液。HPLC 检测原样品溶液及吸附后上清液浓度，计算 MIL-101 对穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯质量吸附率。1.5 新型 MIL-101 色谱柱吸附分离穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯 以层析硅胶为载体负载 MIL-101，负载量分别为 0%、5%、10%、20%，取不同负载量的 MIL-101-硅胶填料制成 4.6mm250mm 制备色谱柱，流动相充分清洗平衡后备用。取穿心莲内酯（脱水穿心莲内酯）标准品以正丁醇-正己烷（50:50）溶剂配制浓度为 20 g/ml样品溶液，将样品溶液以流速 1ml/min 分别进样 0%、5%、10%、20%MIL-101 色谱柱，收集流出液，1min/次收集 20 次，将所收集流出液 75烘干，甲醇-水（60:40）定容 1ml，HPLC 测定流出液浓度并绘制穿透曲线。对制备 MIL-101 色谱柱进行内酯混合物在线分离实验，准确称取等量穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯标准品溶解于流动相中，配制浓度为 0.1mg/ml 混合溶液，以正丁醇-正己烷（50:50）为流动相，检测波长为 225nm，柱室温度 35，流速 1ml/min，基线平衡后进样内酯混合溶液，进样量 20l。2 结果与分析 2.1 MIL-101 的表征 对实验制备 MIL-101 进行表征，PXRD 如图 2（a），测试结果与 MIL-101 单晶模拟标准图谱（b）对比，样品具有典型 MIL-101 特征衍射峰，（022）、（113）、（115）、（119）等主要晶面的衍射峰均能体现，（113）晶面衍射峰强度最高，呈明显（113）晶面择优取向生长趋势，与标准图谱衍射峰相对应，表明实验制 MIL-101 结晶度高且物相结构良好；对样品进行微观形貌（SEM）表征（图 3），样品的晶体形貌较为规整，呈现出八面体结构，晶体颗粒分布较为均匀，尺寸介于0.51.5m，此外 77K 下 N2多点 BET 测试，测得样品 BET 比表面积为 2800 m/g。图 2 合成 MIL-101 PXRD 图谱（a）与 MIL-101 单晶模拟标准图谱（b）Fig.2 Synthesis of MIL-101 PXRD spectra(a)and MIL-101 single crystal simulation standard spectra(b)4 应用化工 图 3 合成 MIL-101 SEM 图 Fig.3 SEM image of the sample 2.2 静态吸附穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯 对 MIL-101 静态吸附穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯的实验结果如表 1 所示，随着物料比的增大，吸附后样品溶液中内酯浓度明显降低，物料比增大到 1：10 时，内酯总吸附率46%，单位质量吸附率4.7%，在不同物料比中，对穿心莲内酯的最大质量吸附率达 8.36%，脱水穿心莲内酯的最大质量吸附率达 7.05%，即 1g MIL-101 在 60%甲醇水溶液中能够有效吸附 83.6mg 穿心莲内酯或 70.5mg 脱水穿心莲内酯。结果表明 MIL-101 对穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯具有良好的吸附性能，吸附剂用量为内酯的 12 倍时吸附率较高。表 1 MIL-101对内酯静态吸附率 Table 1 MIL-101 static adsorption rate for lactones 物料比 1:1 1:2 1:5 1:10 穿心莲内酯 总吸附率 6.85%16.57%30.16%46.55%质量吸附率 6.68%8.36%6.11%4.71%脱水穿心莲内酯 总吸附率 7.08%13.07%30.51%49.98%质量吸附率 7.05%6.48%6.09%5.01%物料比：m穿心莲内酯（脱水穿心莲内酯）:m M I L-101=1:1 2.3 新型 MIL-101 色谱柱吸附分离穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯 以正丁醇-正己烷（50:50）内酯溶液为流动相对所制备 MIL-101 色谱柱进行动态吸附穿透，绘制穿透曲线（图 4），由图可知，随着 MIL-101 负载量增大，穿心莲内酯的穿透点由 5min 增加至16min，脱水穿心莲内酯的穿透点由 4min 增加至 13min，对穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯吸附量显著增大。对比同一色谱柱穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯穿透曲线，MIL-101 负载量为 0%-5%时，两种内酯穿透液浓度变化趋势相近，当负载 10%时，穿心莲内酯穿透液浓度上升减缓，色谱柱对其表现出更强的吸附能力，负载 20%时，穿心莲内酯穿透点明显晚于脱水穿心莲内酯，浓度上升趋势差异显著增大，表现出对两种内酯具有分离现象。徐伟等 金属有机框架 MIL-101 吸附穿心莲内酯研究 5 图 4 穿心莲内酯（a）及脱水穿心莲内酯（b）穿透曲线 Fig.4 Penetration curves of andrographolide(a)and dehydrated andrographolide(b)穿透曲线中，制备 MIL-101 色谱柱对两种内酯具有分离现象，进一步测试 MIL-101 色谱柱对两种内酯混合物的在线分离能力。使用流动相为正丁醇-正己烷（50：50），流速 1ml/min，检测波长225nm，对色谱柱分别进样 20l 内酯混合物，分离结果如图 5，由图可知，随着 MIL-101 负载量的增大，对内酯混合物的分离效果越明显，负载 0%即无 MIL-101 时无明显分离作用，负载量为 5%、10%、20%时，MIL-101 色谱柱对内酯混合物的分离度即保留时间 t 之差与两色谱峰峰宽 W（图 5 中w 为半峰宽）均值之比 R 分别为 1.1、1.5、1.9（当 R1 时，两峰有部分重叠，当 R=1.0 时，分离度可达 98%，当 R=1.5 时，分离度可达 99.7%，R=1.5 作为相邻两组分已完全分离的标志），对 0%及10%MIL-101 色谱柱进样内酯标准品于混合物分离图谱对比如图 7，10%MIL-101 色谱柱内酯混合物出峰保留时间分别为 10.098min、23.998min 与标准品出峰保留时间对应，实验记录色谱柱柱压，MIL-101 负载量增加，柱压随之增大，当负载 20%时，柱压大于 25MPa。层析硅胶负载 MIL-101 能有效降低因 MIL-101 粒径小造成的高柱压，制成制备色谱柱对穿心莲内酯与脱水穿心莲内酯具有显著的分离能力，可实现分离效率大于 99%的在线高效分离。6 应用化工 图 5 穿心莲内酯与脱水穿心莲内酯 1:1 混合物的分离（a）及标准品出峰（b）Fig.5 Separation of a 1:1 mixture of andrographolide and dehydrated andrographolide(a)and peak production of standard samples(b)3 结论 制备金属有机框架材料 MIL-101，通过 PXRD、SEM、BET 测试表征其物相结构及外观形貌，样品结晶度高，物相结构良好且形貌较为规整，呈现出八面体结构，比表面积达 2800m2/g。将其应用于天然产物穿心莲内酯的分离中，通过静态吸附测定 MIL-101 对穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯在 60%甲醇-水溶液中的饱和吸附量，质量吸附率分别达到 8.36%、7.05%。将 MIL-101 负载于层析硅胶中制成制备色谱柱，对穿心莲内酯及脱水穿心莲内酯分离度可达 1.9，实现大于 99%的分离效果。可进一步优化 MIL-101 的结构性能及应用方式，为实现天然产物高效便捷的分离纯化，提高药物和化学品的产率和纯度提供新的技术支持，为 MOFs 在生物活性分子分离和纯化领域提供新的见解和方法。参考文献：1 GULSHAN K,SONIA T,JAVEED A T,et al.Site-Selective Synthesis of C-17 Ester Derivatives of Natural Andrographolide for Evaluation as a Potential Anticancer AgentJ.ACS Omega 2023 8(6),6099-6123.2 刘天福，杜枭年，张义福等穿心莲内酯衍生物的合成及活性研究进展J天然产物研究与开发，2022，34（12）：2142-2161 3 唐克军穿心莲内酯和脱水穿心莲内酯的高效分离提取新工艺J企业科技与发展，2020，（4）：33-34 4 涂瑶生，付建武，孙冬梅等穿心莲内酯和脱水穿心莲内酯大孔树脂纯化工艺J中国实验方剂学杂志，2012，18（8）：22-25 徐伟等 金属有机框架 MIL-101 吸附穿心莲内酯研究 7 5 FEREY G,MELLOT-DRAZNIEKS C,SERRE C,et al.A Chromium Terephthalate-Based Solid with Unusually Large Pore Volumes and Surface AreaJ.Science,2005,309(5743):2040-2042.6 张香梅，孙源，杨帅鹏等金属有机骨架材料对单组分 CO2吸附的研究进展J应用化工，2023，52（1）：171-176+180 7 张子昱，胡德皓，孙亮等金属骨架材料（MOFs）在异相芬顿反应中催化去除有机污染物的应用进展 J应用化工，2020，49（3）：724-728 8 YANG C X,YAN X P.Metal-organic framework MIL-101(Cr)for high-performance liquid chromate-graphic separation of substituted aromatics.J.Analytical Chemistry,2011,83(18):71447150.9 YANG,C.-X.CHEN,Y.-J.WANG,H.-F.High-performance separation of fullerenes on metal-organic framework MIL-101(Cr)J.Chemistry:A European journal,2011,17(42),11734 11737.10 国家药典委员会中华人民共和国药典：一部M 北京：中国医药科技出版社，2020：280