劉婧怡，趙海田,，姚 磊

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086）

共價有機骨架材料（covalent organic frameworks，COFs）是一類由有機基元通過共價鍵連接而形成的晶態(tài)有機多孔聚合物，其骨架僅由C、H、O、N、B等輕元素組成，具有很低的密度。自2005年Yaghi教授課題組于Science雜志首次報道了這種新型多孔材料[1]，COFs便因其簡單的制備方法、獨特的共價結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能脫穎而出，引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。

與金屬有機框架（metal organic frameworks，MOFs）結(jié)構(gòu)[2]類似，COFs是一類長程有序結(jié)構(gòu)的多孔聚合物。COFs是由有機基元經(jīng)熱力學(xué)控制的可逆聚合而成，可以通過合成過程中的自糾錯和自修復(fù)而得到納米尺度范圍內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)。因此，相比其他共價有機多孔聚合物如共軛微孔聚合物、自具微孔聚合物以及超交聯(lián)聚合物等無定形材料[3]，COFs具有顯著的結(jié)構(gòu)規(guī)則、孔徑均一等特性。

近十年來，COFs領(lǐng)域在開發(fā)新結(jié)構(gòu)和新應(yīng)用等方面發(fā)展迅速，目前COFs材料已經(jīng)發(fā)展到上百種。雖然COFs材料種類眾多，但是按照共價鍵形成的類型區(qū)分，最常見的有三大類：含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs。COFs已廣泛應(yīng)用于氣體儲存、催化、光電傳感、分離和藥物遞送等諸多領(lǐng)域[4]，近年來，在食品安全檢測領(lǐng)域也有良好的應(yīng)用發(fā)展趨勢。本文介紹了COFs（含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs）的材料特性及其應(yīng)用的優(yōu)勢與限制，并總結(jié)分析了COFs在食品中有毒有害物質(zhì)檢測方面的應(yīng)用進展，以期對COFs在食品安全檢測新技術(shù)方面的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 COFs的主要類型及特性

一般認為合成COFs的化學(xué)反應(yīng)必須是熱力學(xué)可逆的，因此，目前應(yīng)用于COFs合成的方法很有限，按其形成的共價鍵類型可將其分為3 類，包括含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs[5]。以上3 類COFs的合成主要涉及6 種可逆反應(yīng)，如圖1所示。含硼COFs：包括硼酸三聚脫水生成硼酸酐反應(yīng)（A）、硼酸和酚類脫水生成硼酸酯反應(yīng)（B）以及硼酸與硅烷醇生成硼硅酸鹽反應(yīng)（C）；三嗪COFs：腈基三聚環(huán)化生成共價三嗪基骨架反應(yīng)（D）；亞胺COFs：醛胺脫水縮合席夫堿反應(yīng)（E）、醛與酰肼生成腙反應(yīng)（F）。由于生成可逆共價鍵的構(gòu)建單元不同，3 種COFs合成工藝及特性也存在一定的區(qū)別。

目前，常見的COFs合成方法主要有：溶劑熱合成法、離子熱合成法、微波合成法以及室溫法[6]。其中以溶劑熱合成法最為普遍，其合成通常需要在密封容器內(nèi)高溫（80～120 ℃）加熱2～9 d，通過對溶劑、反應(yīng)時間、溫度、催化劑等條件的調(diào)控可以獲得不同結(jié)晶度、形貌特征、粒徑的COFs[7]。離子熱法多應(yīng)用于三嗪類COFs，限于條件難以把握而目前應(yīng)用并不廣泛；微波合成法的最大優(yōu)勢是反應(yīng)時間短，Campbell等[8]成功應(yīng)用微波輔助制備了2D COF-5，反應(yīng)時間不到20 min；研究報道，在室溫和常壓下合成了亞胺類COFs[9]，這為COFs材料的量化生產(chǎn)提供了可能。

圖1 COFs可逆共價鍵形成的6 種主要反應(yīng)途徑[6]Fig. 1 Six major reaction pathways for forming reversible covalent bonds of COFs[6]

1.1 含硼COFs

含硼COFs是基于硼酸或硼酸酯與其他單體（如硅烷醇、酚等）通過可逆反應(yīng)生成B—O鍵而構(gòu)建的一類COFs材料。由于硼酸和硼酸酯的引入，含硼COFs也表現(xiàn)出各種獨特的“含硼”材料特性[10]。硼原子摻入到碳骨架中，不僅可以增加對H2的攝取，還可以降低費米能級，提高材料的電化學(xué)性能[11]，此外，硼原子還可以有效地抑制金屬聚集[12]。因此含硼COFs可以作為優(yōu)異的儲氫材料，或者結(jié)合金屬原子制備超級電容材料。Deshmukh等[13]通過構(gòu)建摻雜金屬原子的含硼COFs可以將材料的儲氫容量提高至7.5%。Wang Ruining等[14]研究發(fā)現(xiàn)，基于硼氧六環(huán)連接構(gòu)建的COFs是半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)顯示出平帶特征，通過改變硼氧六環(huán)之間連接的苯環(huán)個數(shù)可調(diào)控帶隙，并可在較大的壓縮應(yīng)變下保持平面特征，表明含硼COFs有望成為柔性電子設(shè)備中的優(yōu)選材料[15]。

含硼COFs也具有一定的局限性，B—O鍵的鍵能較低，缺電子硼位點易受親核試劑（如水分子）的攻擊，導(dǎo)致其在水中不穩(wěn)定，甚至在空氣濕度較大的環(huán)境中也經(jīng)常易于水解，導(dǎo)致孔道坍塌繼而結(jié)構(gòu)被破壞，大幅限制了其應(yīng)用。針對這一局限性，學(xué)界也開展了一系列相關(guān)研究。Lanni等[16]通過將疏水性烷基鏈引入COFs孔中構(gòu)建了“烷基化孔”，可以減緩水解對含硼COFs的影響。Du Ya等[17]通過形成螺硼酸鹽鍵構(gòu)建了一種新型離子COFs，該COFs浸入水或堿性溶液中兩天后仍保持完整，顯示出優(yōu)異的抗水解性。Singh等[18]將含硼COFs骨架中的硼酯鍵與水分子相互作用的局限性加以利用，制備了相對濕度實時測定傳感器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然材料的結(jié)晶度會在實際應(yīng)用中發(fā)生變化，但其70 d的測定標準偏差僅為2.3%，具有一定的實用性。

1.2 三嗪COFs

三嗪COFs是基于腈基的三聚環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建的COFs，具有很強的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性與機械穩(wěn)定性[19]。三嗪COFs因含1,3,5-三嗪環(huán)這種芳香性的平面π-共軛結(jié)構(gòu)而具有一些獨特的光電性質(zhì)；另外，其中大量氮原子摻雜會賦予此類材料對小分子氣體更高的結(jié)合力[20]。Li Yajuan等[21]開發(fā)了一類以四氰基對苯醌二甲烷和4 個π-共軛腈作為三聚單體的新型富氮微孔三嗪COFs，當合成溫度為800 ℃時，具有最佳的比表面積（3 663 m2/g）和氮相對含量（8.13%）。該材料在離子中，具有42.8 Wh/kg能量密度，在10 000 次循環(huán)后沒有任何電容退化，作為電化學(xué)儲能系統(tǒng)的高性能電極材料具有巨大的潛力。Wang Keke等[22]報道了一種具有超微孔高氮含量（27.64%）的三嗪COFs，所合成的材料在298 K下，對CO2的最高吸附容量為57.2 cm3/g，CO2/CH4平衡吸附量比值高達102.4，具有優(yōu)異的選擇性捕獲CO2的能力。

三嗪COFs的主要局限性是其制備條件較為苛刻，合成較為困難。三嗪COFs合成多采用離子熱法，即利用熔融的ZnCl2作為熔融溶劑和催化劑，在高溫（一般400～700 ℃）環(huán)境長時間（一般40 h）反應(yīng)，促使腈環(huán)三聚。此外，三嗪COFs合成材料的結(jié)晶度有限，大多呈現(xiàn)為無定形材料。Ren Shijie等[23]嘗試了在室溫條件合成三嗪COFs，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用微波輔助處理，可使材料產(chǎn)生一定的結(jié)晶度，但其比表面積、孔隙度不如其他三嗪COFs。

1.3 亞胺COFs

亞胺COFs是醛基單體與氨基單體通過形成亞胺鍵（C＝N）連接而構(gòu)建的一類COFs材料。此類COFs既有類似含硼COFs優(yōu)異的結(jié)晶度，又具有類似三嗪COFs良好的熱穩(wěn)定性，并且合成條件簡單（在室溫條件下即可合成），因此亞胺COFs是目前應(yīng)用最為廣泛的COFs類材料。由于構(gòu)建亞胺COFs的單體含有醛基、氨基等基團，可作為COFs衍生化的位點，實現(xiàn)材料的多樣化、功能化。Kuehl等[24]以六乙基環(huán)己烷和苯四胺為原料，利用溴化反應(yīng)對材料進行官能團化，實現(xiàn)了對孔徑、電荷等條件的直接調(diào)控，借此可制備25 種含帶不同電荷和不同孔徑的功能化COFs，充分驗證了亞胺COFs合成的多樣性。

亞胺COFs由于含有C＝N，在酸、堿環(huán)境下不穩(wěn)定，晶型也會隨之發(fā)生變化而使應(yīng)用受到限制。近年來，研究人員為穩(wěn)定C＝N做出了諸多嘗試，其中較為普遍的方法主要有3 種（圖2）。Kandambeth等利用烯醇-酮結(jié)構(gòu)互變[25]（圖2A）、引入分子內(nèi)氫鍵[26]（圖2B），合成了在酸性條件下具有超高穩(wěn)定性的COFs。Xu Hong等[27]通過將甲氧基結(jié)合到COFs孔壁中來增強層間相互作用（圖2C），以穩(wěn)定亞胺COFs，合成的材料具有出色的酸堿穩(wěn)定性、高結(jié)晶度和孔隙率。

圖2 穩(wěn)定亞胺鍵3 種主要方法的小分子模型反應(yīng)Fig. 2 Small molecular model reactions in three major methods forstabilizing imine bonds

綜上可見，含硼COFs具有一系列“含硼”的獨特性質(zhì)（如結(jié)晶度高、儲氫容量大、可抑制金屬聚集等），但又由于其在水中的不穩(wěn)定性而使其應(yīng)用受到了很大限制；三嗪COFs具有極強的穩(wěn)定性，但又存在著合成條件苛刻，材料結(jié)晶度不高等問題；亞胺COFs除了具有與含硼COFs相似的優(yōu)異結(jié)晶度外，還具有良好的熱穩(wěn)定性，但也存在酸、堿條件下不穩(wěn)定的缺點。因此，構(gòu)建優(yōu)異的COFs材料，可以考慮從單體篩選、COFs改性、不同材料間摻雜等途徑進行研究，進而提高COFs的適用性。

2 COFs在食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

食品中有害殘留物檢測對象主要包括農(nóng)藥獸藥殘留、環(huán)境污染物、非法添加物、食品添加劑、生物毒素等。由于食品基質(zhì)復(fù)雜，且分析物含量通常低至微克乃至納克級，因此，必須經(jīng)過提取、凈化和濃縮等前處理才能進行分析檢測。有效的樣品前處理不僅能夠去除基質(zhì)干擾，而且能夠提高檢測靈敏度[28]。由于COFs具有高比表面積、低密度、高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已被用作吸附劑應(yīng)用在環(huán)境、醫(yī)藥、能源、食品等領(lǐng)域。近幾年，COFs在食品安全分析檢測領(lǐng)域的應(yīng)用也成為研究的熱點，尤其是在抗生素類藥物、生物毒素、添加劑、重金屬以及農(nóng)獸藥等物質(zhì)的分離富集前處理方向已有較多報道（表1）。

表1 COFs在食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用Table 1 Application of COFs in food safety detection

續(xù)表1

2.1 抗生素

抗生素是目前應(yīng)用十分廣泛的藥物，但由于對其濫用所造成的抗生素污染也一直是食品安全檢測領(lǐng)域關(guān)注的重點。Xu Guiju等[29]合成了一種氮摻雜COFs作為固相萃取柱填料，用于從復(fù)雜樣品中8 種磺胺類抗生素（sulfonamide antibiotics，SAs）的快速分離。結(jié)果表明，該COFs對8 種SAs的吸附量達到130～151 mg/g，相比于對照組（磁性超交聯(lián)聚苯乙烯、磁性表面分子印跡聚合物、碳納米管等）材料，具有最低的檢測限（0.14～2.0 ng/L）。Yan Zhiming等[30]合成了摻入聚丙烯腈納米纖維的COFs作為移液管尖端固相萃取吸附劑，用于預(yù)處理肉樣中的5 種SAs，檢測限為1.7～2.7 ng/mL。Zhou Nan等[31]設(shè)計合成了基于COFs和Ce-MOF的納米復(fù)合物制備的高靈敏度的電化學(xué)傳感器，用于檢測土霉素，檢測限可低至17.4 fg/mL。Liu Xiaokang等[32]利用鈷基金屬有機骨架（Co-MOF）和對苯二甲腈共價有機骨架（TPN-COFs）合成了一種新型納米結(jié)構(gòu)雜化材料Co-MOF @ TPN-COFs，并將其用于青霉素的電化學(xué)檢測傳感器，其線性范圍為0.001～2 000 pg/mL，并顯示出極低的檢出限（0.217 fg/mL）。

2.2 生物毒素

某些食品中天然原料即含有生物毒素或由于加工處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生生物毒素，直接威脅著人類的生命健康。如生物胺類毒素多存在于發(fā)酵肉制品中，易誘發(fā)結(jié)腸癌、直腸癌等[33]。Zhang Dianwei等[34]開發(fā)出基于半導(dǎo)體納米晶體量子點接枝的雙功能分子印跡COFs材料，將其作為吸附劑富集檢測酪胺，實現(xiàn)快速吸附，可在12 min內(nèi)實現(xiàn)95%的回收率。Chang Qingyun等[35]通過室溫?zé)o溶劑機械化學(xué)研磨法合成了功能化COFs用于肉品中8 種生物胺的固相萃取，線性范圍為5.0～800.0 μg/L，并且該固相萃取柱重復(fù)使用50 次以上提取效率無明顯變化，應(yīng)用于實際樣品檢測限為0.92～2.57 μg/L，遠低于傳統(tǒng)的C18材料（100～960 μg/kg）。此外，Salonen等[36]合成了在水中穩(wěn)定存在的COFs用于吸附海水中的岡田酸海洋藻毒素，可以在60 min內(nèi)達到平衡，最大吸附量為61 mg/g。Wei Tianfu等[37]基于酰腙鍵制備了COFs凝膠，并裝入整體柱用于分離富集黃曲霉毒素，發(fā)現(xiàn)其對4 種黃曲霉毒素平均吸附量高達450 pmol/柱，具有良好的預(yù)濃縮能力。

2.3 添加劑

添加劑在食品中的濫用與違規(guī)使用造成食品安全問題已屢見不鮮，如蘇丹紅已經(jīng)被國際癌癥研究機構(gòu)歸類為第3類致癌物[38]，嚴禁用作食品添加劑，但仍時有不法商家使用的案例見諸報道。因此對于食品領(lǐng)域各類添加劑的監(jiān)督檢測是十分必要的。Zhang Ying等[39]基于量子點接枝COFs制備的三維分子印跡聚合物用于檢測水產(chǎn)養(yǎng)殖和牲畜飼料的添加劑喹喔啉-2-羧酸，最佳條件下，在60 min內(nèi)喹喔啉-2-羧酸的回收率為87.9%。Ding Hui等[40]構(gòu)建了一種分子印跡COFs，并用于食品樣品中苯并噁唑熒光增白劑的選擇性固相萃取，吸附量為0.8 mg/g，印跡因子在3.3以上，體現(xiàn)了材料的高度選擇性。Shahvar等[41]制備了磁性三嗪COFs作為吸附劑，檢測4 種對羥基苯甲酸酯，發(fā)現(xiàn)使用6 mg吸附劑即可實現(xiàn)在0.1～500 μg/L范圍內(nèi)，86%～102%的回收率。Zhang Chengjiang等[42]制備了新型腙鍵共價有機聚合物（hydrazone linked-covalent organic polymer，HL-COP），并通過HL-COP微固相萃取，測得6 種蘇丹紅染料的富集因子為305～757，吸附量是3 種常用商業(yè)吸附劑（C18、碳納米管、石墨烯材料）的1.0～11.0 倍，表現(xiàn)出極強的預(yù)濃縮能力。

2.4 其他

此外，COFs對于多環(huán)芳烴、酚類有害物質(zhì)、重金屬、農(nóng)獸藥等也有著優(yōu)異的吸附特性。Li Ning[43]、Shi Xuexiang[44]和Ma Tiantian[45]等基于雜化COFs測定食品樣品中痕量多環(huán)芳烴均表現(xiàn)出優(yōu)異的富集能力和適用性。已有學(xué)者利用COFs痕量檢測食品中酚類有害物質(zhì)（酚類內(nèi)分泌干擾物[46-47]、苯酚[48]和氯酚[49]）開展了研究，結(jié)果表明其具有檢測限較低、靈敏度高的特點。Xiong Yuhao等[50]通過快速微波-離子熱法合成三嗪COFs用于模擬過氧化物酶骨架，利用比色法檢測銅離子，具有高選擇性、靈敏性和低成本等特點。Liu Jingmin等[51]應(yīng)用COFs作為吸附劑，實現(xiàn)了對自來水、牛奶等實際樣品中10 種痕量重金屬元素的在線預(yù)富集。Wu Mingxue等[52]合成新型腙型COFs，并將其固定在不銹鋼纖維上進行頂空固相微萃取，用于提取檢測水果和蔬菜中的擬除蟲菊酯，結(jié)果表明新型腙型COFs具有良好的線性范圍與低檢測限。Song Yuhong[53]、Zhao Wenjie[54]等利用COFs分別對苯甲酰脲類殺蟲劑和四環(huán)素兩種獸藥的分離富集進行了研究，實驗結(jié)果也體現(xiàn)了COFs材料的優(yōu)異性。

3 結(jié) 語

雖然自首例COFs合成至今僅十幾年，但相關(guān)研究發(fā)展迅速。三大類COFs各有優(yōu)點，如含硼COFs的“含硼”特性、三嗪COFs的強穩(wěn)定性、亞胺COFs的合成簡便性等。近幾年，研究人員針對三大類COFs存在的問題（如含硼COFs在水中的不穩(wěn)定性、三嗪COFs結(jié)晶度低、合成條件苛刻、亞胺COFs酸堿不穩(wěn)定性等）進行了大量研究，也做出了一定的改善。目前，COFs已被逐步引入食品安全檢測領(lǐng)域，用于多種物質(zhì)的檢測分析，并表現(xiàn)出檢測限低、富集能力強、應(yīng)用效果好等諸多優(yōu)點。但是作為新興材料，在投入實際推廣應(yīng)用之前，COFs尚存在選擇性不強、吸附后分離檢測不方便、易受環(huán)境影響等問題需要不斷改進和完善。因此，如何有效地結(jié)合其他技術(shù)開發(fā)各種新型功能性COFs及其衍生物，以增強其對不同性質(zhì)的目標物和各種檢測環(huán)境的適應(yīng)性，是當前研究的熱點，如結(jié)合分子印跡聚合物提高材料的選擇性，結(jié)合磁納米材料簡化分離操作，結(jié)合量子點實現(xiàn)熒光檢測，摻雜MOFs、納米纖維等強化材料性能等。相信隨著國內(nèi)外食品科學(xué)、材料科學(xué)、分析化學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，COFs可以通過功能化有效促進食品安全檢測領(lǐng)域向更靈敏、更高效、更便捷方向發(fā)展，COFs在食品科學(xué)與工程領(lǐng)域中的應(yīng)用前景也將更加廣闊。