白 璟, 林子俺

(食品安全與生物分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建省食品安全分析與檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350116)

共價(jià)有機(jī)骨架(COFs)作為一種新興的晶體多孔材料,是由C、H、O、N、B等輕原子構(gòu)成,以共價(jià)鍵連接的二維或三維晶體多孔結(jié)構(gòu)。2005年Yaghi及其同事[1]基于硼酸分子的脫水反應(yīng),首次開(kāi)發(fā)了這種多孔、有晶型的共價(jià)有機(jī)骨架,打破了人們對(duì)有機(jī)分子連接構(gòu)筑的晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。與傳統(tǒng)晶體材料相比,COFs具有比表面積大、化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、孔徑可調(diào)、低密度,以及可功能化修飾等優(yōu)點(diǎn)。正是這樣一個(gè)集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身的晶體多孔材料,成功引起了研究者的注意。到目前為止,COFs已經(jīng)被廣泛用于氣體儲(chǔ)存、光學(xué)器件、催化等各領(lǐng)域[2]。

近年來(lái),共價(jià)有機(jī)骨架材料因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),也被廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)領(lǐng)域,如樣品前處理。樣品前處理技術(shù)作為分析化學(xué)痕量分析的關(guān)鍵步驟,吸附劑材料顯得尤為重要,比如吸附劑性質(zhì)、孔結(jié)構(gòu)等對(duì)萃取行為起著重要作用。COFs材料優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)賦予了其在樣品前處理方面的開(kāi)發(fā)潛力,有望成為一種理想的吸附材料。本文簡(jiǎn)要概述了近年來(lái)COFs在樣品預(yù)處理中的研究進(jìn)展。

1 共價(jià)有機(jī)骨架

1.1 分類

根據(jù)形成共價(jià)鍵的官能團(tuán)不同,COFs材料分為3類:(1)含硼類;(2)三嗪類;(3)亞胺類。

嗪基類共價(jià)有機(jī)骨架(CTFs)是基于氰基的三聚反應(yīng)形成的。Kuhn等[5]受到硼基COFs的啟發(fā),開(kāi)發(fā)了一種新的多孔晶型材料。采用熔融離子熱法,ZnCl2作為催化劑,1,4-二氰基苯作為單體,成功制備了三嗪基共價(jià)有機(jī)骨架材料。CTFs具備良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性,但是存在晶型差,且反應(yīng)可逆性差的缺點(diǎn)。

于是有了另一類COFs材料的誕生,亞胺類COFs是通過(guò)Schiff-base反應(yīng)醛胺縮合而形成。Uribe-Romo等[6]首次合成了一種完全由C-C和C-N共價(jià)鍵構(gòu)成的晶體三維骨架材料。隨后Uribe-Romo等[7]又通過(guò)酰肼和醛基反應(yīng)形成腙鍵連接的COF-42和COF-43,新的官能團(tuán)引入孔道,促進(jìn)了對(duì)COFs材料性質(zhì)的探索。相比于上兩種類型的共價(jià)有機(jī)骨架材料,亞胺類COFs表現(xiàn)出了較好的晶型和穩(wěn)定性。此外,由于其合成方法溫和,得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 合成方法

通過(guò)文獻(xiàn)的查閱[8],我們可以推測(cè)熱力學(xué)平衡是形成高度有序的共價(jià)鍵骨架的關(guān)鍵。為了形成熱力學(xué)穩(wěn)定的晶型骨架,應(yīng)當(dāng)充分考慮反應(yīng)的媒介和條件,比如溶劑體系、溫度、壓力等。目前,COFs材料合成方法主要有溶劑熱法、微波輔助法和室溫合成法。

1.2.1溶劑熱法

溶劑熱法是構(gòu)筑COFs基元最常用的方法,其制備過(guò)程如下:將單體和溶劑放于耐壓耐熱管,循環(huán)泵抽真空后充惰性氣體,密封,恒溫加熱一段時(shí)間,通常在48 h以上;反應(yīng)結(jié)束后,用合適的溶劑洗脫未反應(yīng)完全的單體,真空干燥箱干燥可得產(chǎn)物。2013年,Kandambeth等[9]用卟啉作為氨基單體分別和2,5-二甲氧基對(duì)苯二甲醛、2,5-二羥基對(duì)苯二甲醛120 ℃反應(yīng)3天,得到兩種新的COFs(DmaTph和DhaTph);其中,基團(tuán)之間有氫鍵作用的DhaTph顯示出較好的晶型和化學(xué)穩(wěn)定性,具體表現(xiàn)為在3 mol/L HCl和去離子水中浸泡一周后依然保持晶型。隨后該課題組[10]用單步無(wú)模板法合成了一種具有介孔外壁的中空球形共價(jià)有機(jī)骨架,由于該材料的介孔結(jié)構(gòu)、化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì),因此用于酶固定化,大大提高了酶活度。Chen等[11]通過(guò)研究共價(jià)有機(jī)骨架材料內(nèi)部的π電子自我互補(bǔ)作用力來(lái)控制材料的晶型和多孔性。研究發(fā)現(xiàn)氟取代和未取代芳香環(huán)構(gòu)筑的COFs顯示出較大的差異,前者具備較強(qiáng)的電子自我互補(bǔ)相互作用,這種相互作用改變了框架中的π電子分布以及降低了HOMO-LUMO能級(jí)間隙,對(duì)后續(xù)的COFs合成具有指導(dǎo)性意義。

1.2.2微波輔助法

與傳統(tǒng)的加熱方式相比,微波輔助法在現(xiàn)代有機(jī)合成過(guò)程中具有高效(反應(yīng)時(shí)間從天到小時(shí),從分鐘到秒)、高產(chǎn)以及溫度壓力可控監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[12]。該方法被廣泛地應(yīng)用于有機(jī)聚合物的合成,近年來(lái)也被用于金屬有機(jī)骨架(MOFs)多孔材料的制備[13-17],以及隨后發(fā)展起來(lái)的COFs材料。Campbell等[18]利用200 W微波反應(yīng)器100 ℃反應(yīng)20 min成功合成了COF-5[1]和COF-102[19],大大縮短了反應(yīng)時(shí)間(72 h縮短為20 min), FTIR、PXRD均與已報(bào)道的文獻(xiàn)相符,同時(shí)BET模型發(fā)現(xiàn)其比表面積明顯高于文獻(xiàn)報(bào)道,可能歸因于超聲有利于反應(yīng)物的純化。Wei等[20]采用微波輔助溶劑熱法合成了一種二維胺連接的共價(jià)有機(jī)骨架材料。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,微波輔助法能夠加速共價(jià)鍵的形成和提高TaPa-COF聚合度,且產(chǎn)率高、時(shí)間短、比表面積高。另外,嗪基類CTFs聚合反應(yīng)必須在高溫(400～700 ℃)下進(jìn)行,反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),因此,亟須一種高效、簡(jiǎn)單的方法生成這些高度多孔且堅(jiān)固的有機(jī)框架。Zhang等[21]基于以上考慮,開(kāi)發(fā)了一種微波增強(qiáng)的高溫離子熱方法,高比表面積(2 390 m2/g)和高孔隙率(2.52 cm3/g)的CTFs可以在10～60 min得到,這種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的合成方法有望在工業(yè)大規(guī)模的生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

1.2.3室溫合成法

室溫合成法具有反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)快速、合成產(chǎn)物晶型好的特點(diǎn),在推進(jìn)COFs在各領(lǐng)域應(yīng)用的過(guò)程中具有重要作用。

Biswal等[22]首次通過(guò)室溫?zé)o溶劑機(jī)械研磨成功合成3種穩(wěn)定性良好的亞胺連接的COFs材料,直接將兩種構(gòu)筑基元混合加入研缽中研磨即可,操作簡(jiǎn)單。研磨不同時(shí)間觀察到顏色變化,推測(cè)可能是聚合物和骨架的形成過(guò)程,45 min后可得產(chǎn)物。材料在沸水、9 mol/L HCl和3 mol/L NaOH中均表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性,同時(shí),與溶劑熱合成的COFs相比,機(jī)械化學(xué)合成的COFs具有類石墨烯層狀形態(tài)(剝離層)。Medina等[23]將蒸汽輔助轉(zhuǎn)化的概念用于合成一系列基于二硼酸和六羥基三亞苯縮合形成的2D COF膜。作者在不同的基質(zhì)上,通過(guò)調(diào)控COFs質(zhì)量、蒸汽類型等合成了含有可調(diào)厚度的苯并二噻吩BDT-COF和COF-5的高質(zhì)量薄膜。幾微米厚的BDT-COF薄膜表現(xiàn)出中孔隙率和結(jié)構(gòu)孔隙率,而較薄的BDT-COF膜表現(xiàn)為黏性致密層,將為后續(xù)的應(yīng)用研究做鋪墊。Ruigómez等[24]選擇1,3,5-三(4-氨苯基)苯(TAPB)和1,3,5-苯三甲醛作為單體,利用軟光刻技術(shù)和噴墨印刷技術(shù),實(shí)現(xiàn)了RT-COF-1高效、快速、簡(jiǎn)單的合成。Yang等[25]報(bào)道了一種簡(jiǎn)單、方便的室溫溶液相方法制備球形COFs,由1,3,5-三甲?；g苯三酚(Tp)和聯(lián)苯胺(BD)作為構(gòu)筑基元,在室溫下在30 min內(nèi)合成球形TpBD。該材料不僅在水、有機(jī)溶劑中,甚至在1 mol/L HCl和0.1 mol/L NaOH中顯示出良好的溶劑穩(wěn)定性,而且還具有高熱穩(wěn)定性。由于其具有良好的溶劑、熱穩(wěn)定性和表面積大等優(yōu)點(diǎn),被應(yīng)用于高分辨率色譜研究。

2 COFs材料在樣品前處理的應(yīng)用

2.1 分散固相萃取

分散固相萃取(DSPE)作為一種簡(jiǎn)單快速的樣品前處理技術(shù)。它的原理是利用固體吸附劑分散在液體樣品中選擇性吸附目標(biāo)分析物,然后用洗脫液洗脫,從而達(dá)到富集目標(biāo)物的目的。COFs材料由于其獨(dú)特的物理/化學(xué)性質(zhì),可以作為一種良好的吸附劑。

早在2008年,Kuhn等[26]設(shè)計(jì)了3種不同的三嗪基共價(jià)有機(jī)骨架(BP[27]、DCB1[28]、DCB2[28])用于水溶液中4種染料(甲基橙、甲基藍(lán)、活性藍(lán)2、黃3G-P)吸附。經(jīng)典的熱力學(xué)吸附模型數(shù)據(jù)表明,該材料對(duì)染料吸附較快,1 h內(nèi)可達(dá)到平衡。即使這些聚合物骨架是非官能化的,它們也可以將大量染料結(jié)合到孔結(jié)構(gòu)中,并且吸附量可以高達(dá)1 300 mg/g,而活性炭通常具有30～300 mg/g吸附量[29,30]。另外,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每種材料對(duì)染料的特異性很大,比如對(duì)于最小的染料亞甲藍(lán),聚合物骨架的表面積越大,吸附量越大;而甲基橙可以區(qū)分DCB和BP支架,但不能區(qū)分兩種DCB。實(shí)驗(yàn)證明這種多級(jí)微/中孔結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)聚合物網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)異容量、結(jié)合強(qiáng)度和吸附動(dòng)力學(xué),可能成為一種強(qiáng)大的富集工具。

2012年,Liu等[31]系統(tǒng)地評(píng)估了CTFs材料對(duì)芳香類化合物的吸附性質(zhì)和影響因素。獨(dú)特的剛性,均一的CTFs框架納米多孔結(jié)構(gòu)使其成為各種芳香族有機(jī)污染物的優(yōu)良吸附劑,具有高吸附能力、快速吸附/解吸動(dòng)力學(xué)和完全吸附可逆性。吸附過(guò)程涉及疏水作用、氫鍵作用(氨基和羥基取代物)、靜電相互作用(陰陽(yáng)離子化合物)和π-π電子給/受相互作用。此外,通過(guò)精確調(diào)節(jié)孔道尺寸和通過(guò)功能化CTFs的孔表面,可以實(shí)現(xiàn)高吸附選擇性。研究結(jié)果表明CTFs有作為高效和選擇性吸附劑的潛力,可用于許多吸附/耦合環(huán)境相關(guān)應(yīng)用,如用于色譜分析和化學(xué)傳感器的固定相。

圖1 (a)在溶劑熱條件下通過(guò)共縮合合成COF-LZU8的示意圖，(b)各物質(zhì)的熒光光譜和(c)逐漸加入Hg2+后分散在乙腈中的COF-LZU8的熒光滴定(λex=390 nm)[32]

Ding等[32]首次設(shè)計(jì)了硫醚官能化的熒光COF-LZU8,用于選擇性感應(yīng)和有效去除有毒的金屬離子Hg2+。實(shí)時(shí)熒光響應(yīng)顯示在添加Hg2+時(shí)COF-LZU8的有效猝滅,成為Hg2+檢測(cè)的有力手段(見(jiàn)圖1)。由于腙鍵的高穩(wěn)定性,以及COF-LZU8中硫醚基團(tuán)在表面及孔道內(nèi)密集分布,COF-LZU8實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)和去除有毒的Hg2+。Huang等[33]選用2,5-雙(甲硫基)對(duì)苯二甲醛(BMTTPA)和TAPB合成含S的COFs用于水溶液中Hg(Ⅱ)去除。Hu等[34]報(bào)道了羥基官能化COFs后合成修飾制備3D羧基官能化COFs,羧基官能化COFs顯示出高金屬負(fù)載能力以及對(duì)釹(Ⅲ)的出色吸附選擇性,對(duì)鍶(Ⅱ)和鐵(Ⅲ)離子則沒(méi)有。其原因是Nd3+相對(duì)于Sr2+的有更大電荷密度,并且相對(duì)于Fe3+的離子半徑較大,因此對(duì)3D-COOH-COF內(nèi)的羧基活性位點(diǎn)具有更強(qiáng)的相互作用力,這將有利于解決環(huán)境方面的相關(guān)問(wèn)題。

后來(lái),Sun等[35]后合成修飾制備了具有明確中孔結(jié)構(gòu)的二維共價(jià)有機(jī)骨架:首先選擇2,5-二乙烯基對(duì)苯二甲醛(DVa)和TAPB亞胺縮合反應(yīng)形成乙烯基官能化骨架材料(COF-V),然后在偶氮二異丁腈(AIBN)引發(fā)下引入1,2-乙二硫醇,“巰-烯點(diǎn)擊”得到硫基螯合的COF-S-SH。通過(guò)X射線光電子能譜(XPS)、FT-IR、固態(tài)13C NMR研究和元素分析證實(shí)了硫醇和硫醚基團(tuán)成功地接枝到COF-V上。Hg2+吸附研究表明,COF-S-SH對(duì)Hg2+表現(xiàn)出非常陡峭的吸附曲線,接近理想的I型等溫線形狀,因此表明COF-S-SH對(duì)Hg2+具有非常強(qiáng)的親和力(每克吸附劑約1 350 mg Hg2+)。另外,COF-S-SH可以有效地將Hg2+濃度從5 ppm(5×10-6)降低到0.1 ppb(0.1×10-9),這個(gè)水平遠(yuǎn)低于飲用水中可接受的限值(2 ppb)。這種出色的飽和汞吸收能力可歸因于COF-S-SH孔道表面均勻分散的大量高度親和的硫物質(zhì),同時(shí)也揭示了COFs作為環(huán)境修復(fù)吸附劑材料構(gòu)建平臺(tái)的巨大潛力。

Liu等[38]成功合成了新型CTpBD,并作為電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)在線SPE的富集材料,用于各種痕量離子的測(cè)定。以BD和Tp為構(gòu)筑基元,以及將Tp用二甘醇酸酐(DA)功能化修飾上羧基(-COOH),稱為CTp,分別制備TpBD和CTpBD,最后取20 mg COFs填入聚四氟乙烯微柱(內(nèi)徑3 mm,外徑15 mm,長(zhǎng)度30 mm),兩端用玻璃棉填充,防止材料損失。兩種材料對(duì)比發(fā)現(xiàn),CTpBD具有更好的穩(wěn)定性、更好的吸附選擇性和效率,吸附機(jī)理可能是由于它們的大比表面積以及COFs表面上的-COOH基團(tuán)與某些金屬離子的配位反應(yīng)(陽(yáng)離子)。而陰離子預(yù)富集效應(yīng)主要?dú)w因于COFs材料大的比表面積和多孔微結(jié)構(gòu)。CTpBD作為有效吸附劑在復(fù)雜樣品中預(yù)富集痕量/超痕量金屬離子方面顯示出巨大潛力,同時(shí)提高了ICP-MS金屬元素分析的靈敏度。

目前為止,從復(fù)雜的生物混合物中選擇性富集痕量蛋白質(zhì)或肽段對(duì)于基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組研究是必不可少的。COFs材料具備高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、表面積大、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)以及便于后修飾等優(yōu)點(diǎn),可考慮將其作為富集生物分子的一種手段。Wang等[39]利用傳統(tǒng)的金屬離子親和色譜法(IMAC),通過(guò)Ti4+和酮-烯胺基團(tuán)之間的配位反應(yīng)將Ti4+直接固定在TpPa-2 COF骨架中,該材料用于磷酸化肽的富集。永久孔隙度,高比表面積,良好有序的六邊形2D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)酸、堿和沸水的強(qiáng)耐久性使得TpPa-2-Ti4+復(fù)合材料具有高金屬離子負(fù)載密度以及優(yōu)異的質(zhì)量傳遞和富集性能。作者考察了材料的富集可行性、吸附能力、靈敏度、選擇性、重復(fù)性,進(jìn)而對(duì)實(shí)際樣品(酪蛋白、Hela細(xì)胞、脫脂牛奶)中的磷酸化肽進(jìn)行富集測(cè)試,TpPa-2-Ti4+表現(xiàn)出不錯(cuò)的效果。同時(shí),Ma等[40]將一種親水多孔COFs材料(TpPa)用于N-糖肽富集,表明共價(jià)有機(jī)骨架材料在糖肽富集方面具有較大潛能。

2.2 固相微萃取

固相微萃取(SPME)是以某種纖維或者材料作為載體,在其表面涂覆不同性質(zhì)的固定相薄層,通過(guò)直接或頂空萃取方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的吸附、進(jìn)樣和脫附,然后進(jìn)行分離分析的過(guò)程。它具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn),因此在樣品處理中得到廣泛應(yīng)用。

通常來(lái)說(shuō),氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用技術(shù)主要用來(lái)分析復(fù)雜樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)。但是在分析這些類型的樣品前需要預(yù)富集,將揮發(fā)物從基質(zhì)中分離出來(lái),而頂空萃取由于避免了基質(zhì)對(duì)目標(biāo)物的干擾,且無(wú)需有機(jī)溶劑萃取,成為分析揮發(fā)性物質(zhì)的有力手段[41]。Wu等[42]開(kāi)發(fā)了一種聚多巴胺(PDA)方法,將腙鍵連接的COFs固定在不銹鋼纖維(SSF)上進(jìn)行頂空固相微萃取(HS-SPME)。通過(guò)與氣相色譜-電子捕獲檢測(cè)器(GC-ECD)偶聯(lián),纖維用于預(yù)富集擬除蟲(chóng)菊酯。首先考慮到COFs自身具有較強(qiáng)的疏水作用,原則上可以富集疏水性的擬除蟲(chóng)菊酯;其次COFs含有豐富的苯環(huán)和-C=N官能團(tuán),提供了強(qiáng)的π-π堆積作用;除此之外,擬除蟲(chóng)菊酯和COFs有氫鍵作用。這些因素使得COFs對(duì)其具有較好的富集效率。為了進(jìn)一步評(píng)估自制的COFs涂覆的SSF對(duì)目標(biāo)物的靈敏度和選擇性,研究者對(duì)比了3種商品化萃取纖維,結(jié)果表明,COFs纖維表現(xiàn)出更高的萃取能力,富集因子高達(dá)307～2 327倍。隨后他們[43]又利用“巰-烯點(diǎn)擊”合成了網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的COFs,涂覆于纖維,預(yù)富集農(nóng)藥殘留,并獲得了不錯(cuò)的效果。

Wu等[44]通過(guò)機(jī)械研磨法制備得到TpBDMC,然后溶膠-凝膠的方法將COFs涂覆到經(jīng)過(guò)化學(xué)刻蝕的不銹鋼絲表面作為SPME纖維涂層,用來(lái)預(yù)處理氯酚(CPs)的乙?；苌?見(jiàn)圖2)。采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法同時(shí)測(cè)定蜂蜜和罐裝黃桃樣品中的7種CPs。具體操作是將涂有TpBDMC的纖維暴露于樣品溶液上方的頂部空間。萃取35 min后,將纖維從小瓶中取出,然后插入GC進(jìn)樣口,在250 ℃下以不分流模式進(jìn)行熱解吸,進(jìn)行GC分析。將TpBDMC的提取性能與其他纖維(溶劑熱制備的TpBD(TpBDST)、三甲氧硅烷纖維(MTMOS)和商品化的聚丙烯酸酯(PA)、聚二甲基硅烷(PDMS)和PDMS/二乙烯基苯(DVB))的提取性能進(jìn)行比較,顯示出更好的SPME效率。并且,將其用于確定4種食品樣品中的7種CPs,表明該方法具有良好的準(zhǔn)確性和精確性。

圖2 TpBDMC的纖維制備和應(yīng)用示意圖[44]

Liu等[45]采用改良的溶劑熱方法合成TpPa-1,將經(jīng)過(guò)處理的不銹鋼絲插入硅膠中立即取出,然后外面包裹上COFs粉末立即取出,空氣中干燥12 h,最后將涂有TpPa-1的不銹鋼絲組裝成5 μL GC進(jìn)樣針。與常用的商業(yè)涂料相比,多孔TpPa-1涂層纖維對(duì)芳香多溴聯(lián)苯醚的富集能力顯著高于PDMS(5.2～7.1倍)和DVB/碳分子篩(CAR)/PDMS(6.1～21.1倍)。為了評(píng)估建立的濃縮方法的實(shí)際樣可行性,分析從地下水、飲用水和池塘水中排放的多溴聯(lián)苯醚含量,獲得了令人滿意的回收率。

除此之外,Zhong等[46]以溶膠凝膠的方式引入CTF-1,制備了PDMS/CTFs涂覆的攪拌棒,用于直接吸附萃取水樣中的8種苯酚,萃取后的樣品用HPLC紫外檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè),實(shí)驗(yàn)探討了萃取時(shí)間、pH、離子強(qiáng)度等影響萃取效率的因素。在最優(yōu)條件下,檢測(cè)限范圍0.08～0.30 μg/L,日間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在4.3%～9.4%范圍內(nèi),富集因子可達(dá)64.9～145.6。相比于商業(yè)的涂覆攪拌棒PDMS/Gerstel和PEG/Gerstel, PDMS/CTFs表現(xiàn)出更好的萃取效率,可能是由于CTFs材料的疏水作用、π-π共價(jià)和分子間氫鍵作用。

2.3 磁性固相萃取

2.3.1環(huán)境污染物應(yīng)用

Zhang等[49]選用1,4-二氰基苯和FeCl3·6H2O作為復(fù)合對(duì)象,ZnCl2作為催化劑,微波輔助法首次合成了CTF/Fe2O3復(fù)合物,實(shí)驗(yàn)以甲基橙(MO)作為模型污染物來(lái)證明復(fù)合物的吸附行為,用朗繆爾吸附模型擬合吸附曲線,表明材料對(duì)MO吸附能力可達(dá)291 mg/g,且具有快的吸附行為(二級(jí)吸附速率常數(shù)k2=4.31 m2/(mg·min))。He等[50]受到滿天星花束的啟發(fā),設(shè)計(jì)了一種新型花束狀的磁性TpPa-1,由核-殼磁性“花”和多孔“樹(shù)干”通過(guò)共價(jià)連接組成花束?；ㄊ未判訲pPa-1與單核殼結(jié)構(gòu)相比具有顯著的富集能力,歸因于較高比例的TpPa-1,即較多的吸附位點(diǎn)。由于TpPa-1富有較多N、O元素和大的π-π骨架,可以用來(lái)萃取包含苯環(huán)、氨基、羥基基團(tuán)的目標(biāo)有機(jī)物,最后,選用6種多環(huán)芳烴(PAHs)為目標(biāo)物進(jìn)行萃取實(shí)驗(yàn),對(duì)吸附劑用量、樣品體積、pH、離子強(qiáng)度、抗腐殖酸干擾能力等進(jìn)行評(píng)估優(yōu)化,結(jié)果表明,萃取過(guò)程中該材料不受pH影響,且具有良好的耐鹽性、抗干擾能力。該方法成功應(yīng)用于實(shí)際水樣(自來(lái)水、湖水、河水)中PAHs的濃度分析。

Li等[51]采用兩步法合成核-殼結(jié)構(gòu)磁性Fe3O4@COF-TpBD,具體為將Fe3O4、四氫呋喃(THF)和BD混合,超聲10 min后50 ℃下攪拌回流30 min,然后以400 μL/min的速率加入Tp繼續(xù)回流12 h,干燥后可得該材料。而后對(duì)該方法在實(shí)際樣品中提取PAHs的潛在應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估,實(shí)際樣包括熏豬肉、野生魚(yú)類、烤魚(yú)、煙熏培根、咖啡和水。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),咖啡中只檢測(cè)到菲,煙熏培根中檢出0.001～0.006 μg/kg范圍的6種PAHs。另外在煙熏豬肉中分別檢測(cè)到質(zhì)量濃度為5.24 μg/kg的芴和2.82 μg/kg的苯并芘,其他樣品也有檢測(cè)到不同種類/濃度的PAHs,證明了該材料在復(fù)雜食物樣品中痕量PAHs分析中具有良好的富集效率和應(yīng)用。

我們課題組[52-54]還將這種核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@COFs應(yīng)用于磁性固相萃取人血清中雙酚化合物、尿樣中痕量雌激素和污水中氯化抗菌劑。采用“一鍋法”將Tb、BD和Fe3O4在二甲基亞砜(DMSO)溶液中超聲混合,加入催化劑超聲攪拌5 min,溫育10 min得到Fe3O4@TbBD復(fù)合物[53]。實(shí)驗(yàn)建立的方法在0.005～10 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好(r>0.997 8),檢出限低(0.2～7.7 ng/L,S/N=3),定量限低(0.6～25.6 ng/L,S/N=10),濃縮因子高(75～197倍),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)良好,日間RSD低于4.8%,日間RSD為6.7%。該方法成功應(yīng)用于孕婦尿樣中痕量雌激素的分析,回收率較高(80.6%～111.6%),證明了Fe3O4@TbBD作為樣品預(yù)處理中的吸附劑具有良好的應(yīng)用前景。

三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)目前已被廣泛用于個(gè)人護(hù)理用品,已經(jīng)對(duì)環(huán)境和人類健康問(wèn)題造成了較大的影響。針對(duì)這一問(wèn)題,Li等[54]報(bào)道了一種原位生長(zhǎng)策略,在Fe3O4表面包覆COFs殼層,通過(guò)一系列表征證明COFs合成及成功包覆,同時(shí)對(duì)吸附條件(吸附劑用量、pH、離子強(qiáng)度、洗脫溶劑等)進(jìn)行優(yōu)化。在最優(yōu)條件下檢測(cè)實(shí)際樣胎牛血清(FBS)加標(biāo)的TCS和TCC,表明材料具有較好的萃取效率。考慮到Fe3O4@COFs具有制備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、易于吸脫附、吸附效率高等優(yōu)點(diǎn),可以考慮其作為環(huán)境污水中氯化抗菌劑的分離和富集,有利于廢水的資源化利用。

Li等[55]發(fā)展了一種單體介導(dǎo)的原位生長(zhǎng)法,制備核殼Fe3O4@TpBD納米球,用于水樣中雙酚類化合物的磁性固相萃取。研究發(fā)現(xiàn),在5 min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)吸附平衡,1 min實(shí)現(xiàn)快速洗脫,以及Fe3O4@TpBD對(duì)雙酚A(BPA)和雙酚AF(BPAF)具有快的吸附行為、大的吸附容量和良好的重復(fù)利用性。Yan等[56]制備了一種親水磁性復(fù)合物Fe3O4@PDA@TbBD, PDA中間層賦予新制備的磁性COF良好的生物相容性和分散性,有利于材料分散在水溶液中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)Fe3O4@PDA@TbBD納米球具有極高的靈敏度和良好的鄰苯二甲酸酯(PAE)檢測(cè)可靠性。特別是在實(shí)際樣品(人血漿)分析中,檢測(cè)到9種PAE。

2.3.2生物分析應(yīng)用

從蛋白質(zhì)組學(xué)領(lǐng)域開(kāi)始,在復(fù)雜的生物樣本中高效、有選擇地捕獲蛋白質(zhì)/肽段,以便早期診斷各種疾病,這是一個(gè)極具吸引力和關(guān)鍵性的課題。由于COFs的良好性能,其可能是捕獲生物分子的潛在候選材料。然而直接使用COFs存在幾個(gè)缺點(diǎn):耗時(shí)、繁瑣的離心吸脫附,以及單一COFs材料對(duì)生物分子的親和力相對(duì)較低,大大降低捕獲效率。因此,具有強(qiáng)磁響應(yīng)和親和力的COFs官能化復(fù)合物的制備對(duì)于快速分離和高度選擇性捕獲蛋白質(zhì)/肽段是必不可少的。

Wang等[57]通過(guò)在磁性石墨烯(MagG)納米顆粒的表面上組裝COF-5來(lái)合成新型共價(jià)有機(jī)骨架功能化磁性石墨烯生物復(fù)合材料(MagG@COF-5),用于有效識(shí)別N-連接的糖肽。由于COFs配體和石墨烯之間強(qiáng)烈的π-π相互作用,以及COFs的自組裝性質(zhì),通過(guò)水熱反應(yīng)即可將COF-5成功地涂覆在磁性石墨烯表面。磁性石墨烯復(fù)合材料獨(dú)特的π-π電子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)磁性能不僅提供了與目標(biāo)物相互作用的親和位點(diǎn),增強(qiáng)了COFs層的吸附力,而且便于快速方便地分離。同時(shí),由于材料孔徑為1.8 nm, COF-5涂層具有較好的排阻效應(yīng),可從復(fù)雜的生物樣品中排除大尺寸的干擾物(蛋白質(zhì)),這極大地提高了復(fù)合材料的實(shí)際能力。因此,親水性多孔MagG@COF-5生物復(fù)合材料具有強(qiáng)磁性、高比表面積、尺寸排阻效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),在人血清中顯示出高水平的N-連接糖肽識(shí)別效率(超低樣品體積:1 μL),檢測(cè)到來(lái)自85種糖蛋白的232個(gè)N-連接的糖肽。

Wang等[58]將Fe3O4、Tp和1,4-二氨基苯(Pa-1)均勻混合,利用溶劑熱法180 ℃反應(yīng)48 h,洗滌干燥得到Fe3O4@TpPa-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,人體IgG酶解液經(jīng)過(guò)富集后,可以檢測(cè)到37條糖肽,檢出限低至28 fmol。該材料也被用于實(shí)際復(fù)雜樣品中的糖肽分析,在3個(gè)獨(dú)立的重復(fù)實(shí)驗(yàn)中,可以從人血清酶解液中檢測(cè)到對(duì)應(yīng)于114種糖蛋白的228種糖肽,這比商品化的HILIC材料具有更高的性能。材料自身豐富的氨基末端和富氮骨架使其在糖肽富集方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。

我們課題組在磁性固相萃取生物分子方面也做了相關(guān)研究,并取得了一定的成果。Lin等[59]以TAPB和對(duì)苯二甲醛(TPA)為COFs構(gòu)筑基元,Fe3O4為磁核,開(kāi)發(fā)了一種室溫合成方法,制備了核-殼結(jié)構(gòu)Fe3O4@COFs, 5 min即可形成。由于所制備的Fe3O4@COFs具有制備簡(jiǎn)單、孔徑均一、磁響應(yīng)強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、比表面積大等特點(diǎn),因此,對(duì)其富集肽段的可行性和蛋白質(zhì)的尺寸排阻效應(yīng)進(jìn)行考察,而后通過(guò)分析摻有25 μg/mL的肽段FGFGF的50倍稀釋的人血清,進(jìn)一步證明了材料對(duì)實(shí)際樣品的應(yīng)用效果。人血清基本上由高相對(duì)分子質(zhì)量的白蛋白、球蛋白和脂質(zhì)等組成,血清中的這些高豐度蛋白質(zhì)嚴(yán)重阻礙了低豐度肽的檢測(cè)。通過(guò)使用Fe3O4@COFs作為吸附劑,幾乎完全從混合物中富集到FGFGF(見(jiàn)圖3)。然而,這些未知蛋白質(zhì)在7～11 min內(nèi)的其余部分的色譜峰值強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化,這意味著這些未知蛋白質(zhì)未被Fe3O4@COFs捕獲。同樣,洗脫后可回收約67%的FGFGF,再次證明了Fe3O4@COFs對(duì)疏水性肽的高選擇性和富集效率。

圖3 (a)Fe3O4@COFs處理之前和之后分離FGFGF和GGFGG; (b)Fe3O4@COFs處理之前和之后分離FGFGF、胰島素和Lyz[59]

隨后,Gao等[60]又開(kāi)發(fā)了一種新型磁性材料Fe3O4@TbBD,一系列表征顯示材料分散性好、穩(wěn)定性高、磁響應(yīng)好。選用4種代表性肽段(FGFGF、GGFGG、YGGFM、YGGFL)研究Fe3O4@TbBD納米球的吸附行為,吸附等溫線和吸附動(dòng)力學(xué)表明,材料對(duì)FGFGF具有較好的吸附選擇性和快的吸附行為。為了更好地評(píng)估吸附劑的絕對(duì)選擇性,將0.5 ng/μL的FGFGF摻入100倍稀釋的人血清中作為混合物溶液,并使用直接Q-TOF/MS方法進(jìn)一步分析,證明了Fe3O4@TbBD納米球?qū)κ杷噪牡膬?yōu)異選擇性和高效率。

蛋白質(zhì)磷酸化在調(diào)節(jié)多種生物過(guò)程和多種疾病的參與中起到重要作用。目前,高分辨質(zhì)譜以其高靈敏度和快速的序列檢測(cè)成為識(shí)別蛋白質(zhì)/肽磷酸化的最有力工具。然而,低電離效率、高豐度非磷酸化肽的信號(hào)抑制等極大地限制了它在分析磷酸化肽中的直接應(yīng)用[61]。因此,從復(fù)雜的生物樣品中富集磷酸化蛋白質(zhì)/肽段顯得尤為重要。于是我們[62]利用磷酸化肽的親和富集原理,對(duì)COFs進(jìn)行后合成修飾固載Zr4+,制備得到MCNC@COF@Zr4+復(fù)合物。由于COFs比表面積大,可修飾的羥基位點(diǎn)較多,有利于Zr4+固載作為富集磷酸化肽的活性位點(diǎn)。經(jīng)過(guò)評(píng)估,材料對(duì)磷酸化肽和非磷酸化肽的飽和吸附容量分別為46.48和5.1 mg/g,且對(duì)于100 μg/mL的β-酪蛋白酶解液,富集后可以檢測(cè)到3條磷酸化肽(未富集時(shí)檢測(cè)到1條),檢測(cè)限低至10 fmol;牛血清白蛋白(BSA)和β-酪蛋白(摩爾比200∶1)混合物酶解液中可以檢測(cè)到6條,以上結(jié)果表明這種固載Zr4+的大比表面積規(guī)則介孔結(jié)構(gòu)對(duì)磷酸化肽具有較強(qiáng)的親和作用和富集選擇性(見(jiàn)圖4)。同時(shí),材料對(duì)復(fù)雜的實(shí)際樣品酶解液中磷酸化肽的富集同樣表現(xiàn)出不錯(cuò)的效果,說(shuō)明其在蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)領(lǐng)域具有較好的潛在利用性。

圖4 β-酪蛋白的胰蛋白酶酶解液MALDI-TOF質(zhì)譜圖[62]

2.4 其他固相萃取

Li等[63]使用合成的多孔共價(jià)有機(jī)骨架官能化的聚(苯乙烯-二乙烯基苯-縮水甘油基甲基丙烯酸酯)復(fù)合物(COF@PS-GMA),在注射器內(nèi)固相萃取水樣中的非甾體抗炎藥(NSAID),無(wú)需進(jìn)一步的凈化程序,結(jié)合超高效液相色譜和紫外檢測(cè)器測(cè)定環(huán)境水樣中的7種NSAIDs。Yan等[64]提出了一種將COFs結(jié)合到聚丙烯腈(PAN)電紡納米纖維中的方法,以移液管尖端固相萃取(PT-SPE)方式萃取肉類樣品中的磺胺類藥物(SAs)。在分析SAs時(shí),表現(xiàn)出回收率高、LOD低、精密度高的特點(diǎn)。

3 結(jié)論與展望

綜上所述,COFs材料由于可供選擇的構(gòu)筑基元和合成方法多樣,形成的材料多樣化,以及孔徑可調(diào)、可功能化修飾、優(yōu)良的物理/化學(xué)穩(wěn)定性、永久孔隙率等優(yōu)點(diǎn),使其在樣品前處理應(yīng)用方面成為一種優(yōu)良的吸附材料。比如利用S和金屬的親和作用,設(shè)計(jì)含有豐富硫元素的COFs去除水樣中有毒金屬離子;另外,COFs豐富的苯環(huán)及其他官能團(tuán),提供了強(qiáng)的π-π堆積作用,可實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境污染物富集;也解決了目前復(fù)雜樣品中富集生物分子時(shí)存在的難題。同時(shí),COFs材料與多種固相萃取方式相結(jié)合,特別能突顯其在樣品處理方面的優(yōu)勢(shì)。但是也存在一些挑戰(zhàn):(1)從已報(bào)道的研究來(lái)看,COFs復(fù)合材料的吸附選擇性有待提高;(2)目前,COFs材料的形式多為不規(guī)則堆積,可設(shè)計(jì)合成管狀、片層等,拓展其應(yīng)用方向;(3)現(xiàn)有某些合成方法費(fèi)時(shí)、成本高。因此,需要開(kāi)發(fā)制備簡(jiǎn)單、選擇性好、萃取效率高的COFs材料,以便在樣品前處理及其他方面有更好的應(yīng)用。