白 璟, 林子俺

(食品安全與生物分析教育部重點實驗室, 福建省食品安全分析與檢測重點實驗室, 福州大學化學學院, 福建 福州 350116)

共價有機骨架(COFs)作為一種新興的晶體多孔材料,是由C、H、O、N、B等輕原子構成,以共價鍵連接的二維或三維晶體多孔結構。2005年Yaghi及其同事[1]基于硼酸分子的脫水反應,首次開發(fā)了這種多孔、有晶型的共價有機骨架,打破了人們對有機分子連接構筑的晶體結構的認知。與傳統(tǒng)晶體材料相比,COFs具有比表面積大、化學和熱穩(wěn)定性好、孔徑可調、低密度,以及可功能化修飾等優(yōu)點。正是這樣一個集諸多優(yōu)點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已經被廣泛用于氣體儲存、光學器件、催化等各領域[2]。

近年來,共價有機骨架材料因為其獨特的結構和性質,也被廣泛應用于分析化學領域,如樣品前處理。樣品前處理技術作為分析化學痕量分析的關鍵步驟,吸附劑材料顯得尤為重要,比如吸附劑性質、孔結構等對萃取行為起著重要作用。COFs材料優(yōu)良的物理化學性質賦予了其在樣品前處理方面的開發(fā)潛力,有望成為一種理想的吸附材料。本文簡要概述了近年來COFs在樣品預處理中的研究進展。

1 共價有機骨架

1.1 分類

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

嗪基類共價有機骨架(CTFs)是基于氰基的三聚反應形成的。Kuhn等[5]受到硼基COFs的啟發(fā),開發(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有機骨架材料。CTFs具備良好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性,但是存在晶型差,且反應可逆性差的缺點。

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

1.2 合成方法

通過文獻的查閱[8],我們可以推測熱力學平衡是形成高度有序的共價鍵骨架的關鍵。為了形成熱力學穩(wěn)定的晶型骨架,應當充分考慮反應的媒介和條件,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

溶劑熱法是構筑COFs基元最常用的方法,其制備過程如下: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,恒溫加熱一段時間,通常在48 h以上;反應結束后,用合適的溶劑洗脫未反應完全的單體,真空干燥箱干燥可得產物。2013年,Kandambeth等[9]用卟啉作為氨基單體分別和2,5-二甲氧基對苯二甲醛、2,5-二羥基對苯二甲醛120 ℃反應3天,得到兩種新的COFs(DmaTph和DhaTph);其中,基團之間有氫鍵作用的DhaTph顯示出較好的晶型和化學穩(wěn)定性,具體表現為在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]用單步無模板法合成了一種具有介孔外壁的中空球形共價有機骨架,由于該材料的介孔結構、化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢,因此用于酶固定化,大大提高了酶活度。Chen等[11]通過研究共價有機骨架材料內部的π電子自我互補作用力來控制材料的晶型和多孔性。研究發(fā)現氟取代和未取代芳香環(huán)構筑的COFs顯示出較大的差異,前者具備較強的電子自我互補相互作用,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能級間隙,對后續(xù)的COFs合成具有指導性意義。

1.2.2微波輔助法

與傳統(tǒng)的加熱方式相比,微波輔助法在現代有機合成過程中具有高效(反應時間從天到小時,從分鐘到秒)、高產以及溫度壓力可控監(jiān)測等優(yōu)點[12]。該方法被廣泛地應用于有機聚合物的合成,近年來也被用于金屬有機骨架(MOFs)多孔材料的制備[13-17],以及隨后發(fā)展起來的COFs材料。Campbell等[18]利用200 W微波反應器100 ℃反應20 min成功合成了COF-5[1]和COF-102[19],大大縮短了反應時間(72 h縮短為20 min), FTIR、PXRD均與已報道的文獻相符,同時BET模型發(fā)現其比表面積明顯高于文獻報道,可能歸因于超聲有利于反應物的純化。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有機骨架材料。對比實驗表明,微波輔助法能夠加速共價鍵的形成和提高TaPa-COF聚合度,且產率高、時間短、比表面積高。另外,嗪基類CTFs聚合反應必須在高溫(400～700 ℃)下進行,反應時間長,因此,亟須一種高效、簡單的方法生成這些高度多孔且堅固的有機框架。Zhang等[21]基于以上考慮,開發(fā)了一種微波增強的高溫離子熱方法,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,這種簡單、經濟的合成方法有望在工業(yè)大規(guī)模的生產中得到應用。

1.2.3室溫合成法

室溫合成法具有反應條件溫和、操作簡單、反應快速、合成產物晶型好的特點,在推進COFs在各領域應用的過程中具有重要作用。

Biswal等[22]首次通過室溫無溶劑機械研磨成功合成3種穩(wěn)定性良好的亞胺連接的COFs材料,直接將兩種構筑基元混合加入研缽中研磨即可,操作簡單。研磨不同時間觀察到顏色變化,推測可能是聚合物和骨架的形成過程,45 min后可得產物。材料在沸水、9 mol/L HCl和3 mol/L NaOH中均表現出顯著的穩(wěn)定性,同時,與溶劑熱合成的COFs相比,機械化學合成的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。作者在不同的基質上,通過調控COFs質量、蒸汽類型等合成了含有可調厚度的苯并二噻吩BDT-COF和COF-5的高質量薄膜。幾微米厚的BDT-COF薄膜表現出中孔隙率和結構孔隙率,而較薄的BDT-COF膜表現為黏性致密層,將為后續(xù)的應用研究做鋪墊。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,利用軟光刻技術和噴墨印刷技術,實現了RT-COF-1高效、快速、簡單的合成。Yang等[25]報道了一種簡單、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)和聯苯胺(BD)作為構筑基元,在室溫下在30 min內合成球形TpBD。該材料不僅在水、有機溶劑中,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,被應用于高分辨率色譜研究。

2 COFs材料在樣品前處理的應用

2.1 分散固相萃取

分散固相萃取(DSPE)作為一種簡單快速的樣品前處理技術。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分析物,然后用洗脫液洗脫,從而達到富集目標物的目的。COFs材料由于其獨特的物理/化學性質,可以作為一種良好的吸附劑。

早在2008年,Kuhn等[26]設計了3種不同的三嗪基共價有機骨架(BP[27]、DCB1[28]、DCB2[28])用于水溶液中4種染料(甲基橙、甲基藍、活性藍2、黃3G-P)吸附。經典的熱力學吸附模型數據表明,該材料對染料吸附較快,1 h內可達到平衡。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合到孔結構中,并且吸附量可以高達1 300 mg/g,而活性炭通常具有30～300 mg/g吸附量[29,30]。另外,實驗發(fā)現每種材料對染料的特異性很大,比如對于最小的染料亞甲藍,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。實驗證明這種多級微/中孔結構的碳質聚合物網絡具有優(yōu)異容量、結合強度和吸附動力學,可能成為一種強大的富集工具。

2012年,Liu等[31]系統(tǒng)地評估了CTFs材料對芳香類化合物的吸附性質和影響因素。獨特的剛性,均一的CTFs框架納米多孔結構使其成為各種芳香族有機污染物的優(yōu)良吸附劑,具有高吸附能力、快速吸附/解吸動力學和完全吸附可逆性。吸附過程涉及疏水作用、氫鍵作用(氨基和羥基取代物)、靜電相互作用(陰陽離子化合物)和π-π電子給/受相互作用。此外,通過精確調節(jié)孔道尺寸和通過功能化CTFs的孔表面,可以實現高吸附選擇性。研究結果表明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)境相關應用,如用于色譜分析和化學傳感器的固定相。

圖1 (a)在溶劑熱條件下通過共縮合合成COF-LZU8的示意圖，(b)各物質的熒光光譜和(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]首次設計了硫醚官能化的熒光COF-LZU8,用于選擇性感應和有效去除有毒的金屬離子Hg2+。實時熒光響應顯示在添加Hg2+時COF-LZU8的有效猝滅,成為Hg2+檢測的有力手段(見圖1)。由于腙鍵的高穩(wěn)定性,以及COF-LZU8中硫醚基團在表面及孔道內密集分布,COF-LZU8實現了同時檢測和去除有毒的Hg2+。Huang等[33]選用2,5-雙(甲硫基)對苯二甲醛(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顯示出高金屬負載能力以及對釹(Ⅲ)的出色吸附選擇性,對鍶(Ⅱ)和鐵(Ⅲ)離子則沒有。其原因是Nd3+相對于Sr2+的有更大電荷密度,并且相對于Fe3+的離子半徑較大,因此對3D-COOH-COF內的羧基活性位點具有更強的相互作用力,這將有利于解決環(huán)境方面的相關問題。

后來,Sun等[35]后合成修飾制備了具有明確中孔結構的二維共價有機骨架:首先選擇2,5-二乙烯基對苯二甲醛(DVa)和TAPB亞胺縮合反應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-烯點擊”得到硫基螯合的COF-S-SH。通過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了硫醇和硫醚基團成功地接枝到COF-V上。Hg2+吸附研究表明,COF-S-SH對Hg2+表現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Hg2+具有非常強的親和力(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),這個水平遠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,同時也揭示了COFs作為環(huán)境修復吸附劑材料構建平臺的巨大潛力。

Liu等[38]成功合成了新型CTpBD,并作為電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)在線SPE的富集材料,用于各種痕量離子的測定。以BD和Tp為構筑基元,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(內徑3 mm,外徑15 mm,長度30 mm),兩端用玻璃棉填充,防止材料損失。兩種材料對比發(fā)現,CTpBD具有更好的穩(wěn)定性、更好的吸附選擇性和效率,吸附機理可能是由于它們的大比表面積以及COFs表面上的-COOH基團與某些金屬離子的配位反應(陽離子)。而陰離子預富集效應主要歸因于COFs材料大的比表面積和多孔微結構。CTpBD作為有效吸附劑在復雜樣品中預富集痕量/超痕量金屬離子方面顯示出巨大潛力,同時提高了ICP-MS金屬元素分析的靈敏度。

目前為止,從復雜的生物混合物中選擇性富集痕量蛋白質或肽段對于基于質譜的蛋白質組研究是必不可少的。COFs材料具備高的熱和化學穩(wěn)定性、表面積大、孔結構可調以及便于后修飾等優(yōu)點,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Ti4+和酮-烯胺基團之間的配位反應將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拓撲結構和對酸、堿和沸水的強耐久性使得TpPa-2-Ti4+復合材料具有高金屬離子負載密度以及優(yōu)異的質量傳遞和富集性能。作者考察了材料的富集可行性、吸附能力、靈敏度、選擇性、重復性,進而對實際樣品(酪蛋白、Hela細胞、脫脂牛奶)中的磷酸化肽進行富集測試,TpPa-2-Ti4+表現出不錯的效果。同時,Ma等[40]將一種親水多孔COFs材料(TpPa)用于N-糖肽富集,表明共價有機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的固定相薄層,通過直接或頂空萃取方式,實現對樣品的吸附、進樣和脫附,然后進行分離分析的過程。它具有操作簡單、成本低廉、攜帶方便等優(yōu)點,因此在樣品處理中得到廣泛應用。

通常來說,氣相色譜-質譜(GC-MS)聯用技術主要用來分析復雜樣品中的揮發(fā)性物質。但是在分析這些類型的樣品前需要預富集,將揮發(fā)物從基質中分離出來,而頂空萃取由于避免了基質對目標物的干擾,且無需有機溶劑萃取,成為分析揮發(fā)性物質的有力手段[41]。Wu等[42]開發(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)上進行頂空固相微萃取(HS-SPME)。通過與氣相色譜-電子捕獲檢測器(GC-ECD)偶聯,纖維用于預富集擬除蟲菊酯。首先考慮到COFs自身具有較強的疏水作用,原則上可以富集疏水性的擬除蟲菊酯;其次COFs含有豐富的苯環(huán)和-C=N官能團,提供了強的π-π堆積作用;除此之外,擬除蟲菊酯和COFs有氫鍵作用。這些因素使得COFs對其具有較好的富集效率。為了進一步評估自制的COFs涂覆的SSF對目標物的靈敏度和選擇性,研究者對比了3種商品化萃取纖維,結果表明,COFs纖維表現出更高的萃取能力,富集因子高達307～2 327倍。隨后他們[43]又利用“巰-烯點擊”合成了網絡交聯的COFs,涂覆于纖維,預富集農藥殘留,并獲得了不錯的效果。

Wu等[44]通過機械研磨法制備得到TpBDMC,然后溶膠-凝膠的方法將COFs涂覆到經過化學刻蝕的不銹鋼絲表面作為SPME纖維涂層,用來預處理氯酚(CPs)的乙?；苌?見圖2)。采用頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用法同時測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進樣口,在250 ℃下以不分流模式進行熱解吸,進行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確性和精確性。

圖2 TpBDMC的纖維制備和應用示意圖[44]

Liu等[45]采用改良的溶劑熱方法合成TpPa-1,將經過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進樣針。與常用的商業(yè)涂料相比,多孔TpPa-1涂層纖維對芳香多溴聯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)。為了評估建立的濃縮方法的實際樣可行性,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紫外檢測器進行檢測,實驗探討了萃取時間、pH、離子強度等影響萃取效率的因素。在最優(yōu)條件下,檢測限范圍0.08～0.30 μg/L,日間相對標準偏差在4.3%～9.4%范圍內,富集因子可達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)境污染物應用

Zhang等[49]選用1,4-二氰基苯和FeCl3·6H2O作為復合對象,ZnCl2作為催化劑,微波輔助法首次合成了CTF/Fe2O3復合物,實驗以甲基橙(MO)作為模型污染物來證明復合物的吸附行為,用朗繆爾吸附模型擬合吸附曲線,表明材料對MO吸附能力可達291 mg/g,且具有快的吸附行為(二級吸附速率常數k2=4.31 m2/(mg·min))。He等[50]受到滿天星花束的啟發(fā),設計了一種新型花束狀的磁性TpPa-1,由核-殼磁性“花”和多孔“樹干”通過共價連接組成花束?；ㄊ未判訲pPa-1與單核殼結構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。由于TpPa-1富有較多N、O元素和大的π-π骨架,可以用來萃取包含苯環(huán)、氨基、羥基基團的目標有機物,最后,選用6種多環(huán)芳烴(PAHs)為目標物進行萃取實驗,對吸附劑用量、樣品體積、pH、離子強度、抗腐殖酸干擾能力等進行評估優(yōu)化,結果表明,萃取過程中該材料不受pH影響,且具有良好的耐鹽性、抗干擾能力。該方法成功應用于實際水樣(自來水、湖水、河水)中PAHs的濃度分析。

Li等[51]采用兩步法合成核-殼結構磁性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。而后對該方法在實際樣品中提取PAHs的潛在應用進行評估,實際樣包括熏豬肉、野生魚類、烤魚、煙熏培根、咖啡和水。實驗發(fā)現,咖啡中只檢測到菲,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到質量濃度為5.24 μg/kg的芴和2.82 μg/kg的苯并芘,其他樣品也有檢測到不同種類/濃度的PAHs,證明了該材料在復雜食物樣品中痕量PAHs分析中具有良好的富集效率和應用。

我們課題組[52-54]還將這種核殼結構的Fe3O4@COFs應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復合物[53]。實驗建立的方法在0.005～10 μg/L范圍內線性關系良好(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),相對標準偏差(RSD)良好,日間RSD低于4.8%,日間RSD為6.7%。該方法成功應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作為樣品預處理中的吸附劑具有良好的應用前景。

三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)目前已被廣泛用于個人護理用品,已經對環(huán)境和人類健康問題造成了較大的影響。針對這一問題,Li等[54]報道了一種原位生長策略,在Fe3O4表面包覆COFs殼層,通過一系列表征證明COFs合成及成功包覆,同時對吸附條件(吸附劑用量、pH、離子強度、洗脫溶劑等)進行優(yōu)化。在最優(yōu)條件下檢測實際樣胎牛血清(FBS)加標的TCS和TCC,表明材料具有較好的萃取效率?？紤]到Fe3O4@COFs具有制備簡單、操作簡單、易于吸脫附、吸附效率高等優(yōu)點,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)展了一種單體介導的原位生長法,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,在5 min內即可實現吸附平衡,1 min實現快速洗脫,以及Fe3O4@TpBD對雙酚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利用性。Yan等[56]制備了一種親水磁性復合物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。實驗結果發(fā)現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)檢測可靠性。特別是在實際樣品(人血漿)分析中,檢測到9種PAE。

2.3.2生物分析應用

從蛋白質組學領域開始,在復雜的生物樣本中高效、有選擇地捕獲蛋白質/肽段,以便早期診斷各種疾病,這是一個極具吸引力和關鍵性的課題。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存在幾個缺點:耗時、繁瑣的離心吸脫附,以及單一COFs材料對生物分子的親和力相對較低,大大降低捕獲效率。因此,具有強磁響應和親和力的COFs官能化復合物的制備對于快速分離和高度選擇性捕獲蛋白質/肽段是必不可少的。

Wang等[57]通過在磁性石墨烯(MagG)納米顆粒的表面上組裝COF-5來合成新型共價有機骨架功能化磁性石墨烯生物復合材料(MagG@COF-5),用于有效識別N-連接的糖肽。由于COFs配體和石墨烯之間強烈的π-π相互作用,以及COFs的自組裝性質,通過水熱反應即可將COF-5成功地涂覆在磁性石墨烯表面。磁性石墨烯復合材料獨特的π-π電子結構和強磁性能不僅提供了與目標物相互作用的親和位點,增強了COFs層的吸附力,而且便于快速方便地分離。同時,由于材料孔徑為1.8 nm, COF-5涂層具有較好的排阻效應,可從復雜的生物樣品中排除大尺寸的干擾物(蛋白質),這極大地提高了復合材料的實際能力。因此,親水性多孔MagG@COF-5生物復合材料具有強磁性、高比表面積、尺寸排阻效應等優(yōu)點,在人血清中顯示出高水平的N-連接糖肽識別效率(超低樣品體積:1 μL),檢測到來自85種糖蛋白的232個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48 h,洗滌干燥得到Fe3O4@TpPa-1。實驗結果表明,人體IgG酶解液經過富集后,可以檢測到37條糖肽,檢出限低至28 fmol。該材料也被用于實際復雜樣品中的糖肽分析,在3個獨立的重復實驗中,可以從人血清酶解液中檢測到對應于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出較大優(yōu)勢。

我們課題組在磁性固相萃取生物分子方面也做了相關研究,并取得了一定的成果。Lin等[59]以TAPB和對苯二甲醛(TPA)為COFs構筑基元,Fe3O4為磁核,開發(fā)了一種室溫合成方法,制備了核-殼結構Fe3O4@COFs, 5 min即可形成。由于所制備的Fe3O4@COFs具有制備簡單、孔徑均一、磁響應強、化學穩(wěn)定性好、比表面積大等特點,因此,對其富集肽段的可行性和蛋白質的尺寸排阻效應進行考察,而后通過分析摻有25 μg/mL的肽段FGFGF的50倍稀釋的人血清,進一步證明了材料對實際樣品的應用效果。人血清基本上由高相對分子質量的白蛋白、球蛋白和脂質等組成,血清中的這些高豐度蛋白質嚴重阻礙了低豐度肽的檢測。通過使用Fe3O4@COFs作為吸附劑,幾乎完全從混合物中富集到FGFGF(見圖3)。然而,這些未知蛋白質在7～11 min內的其余部分的色譜峰值強度幾乎沒有變化,這意味著這些未知蛋白質未被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力學表明,材料對FGFGF具有較好的吸附選擇性和快的吸附行為。為了更好地評估吸附劑的絕對選擇性,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方法進一步分析,證明了Fe3O4@TbBD納米球對疏水性肽的優(yōu)異選擇性和高效率。

蛋白質磷酸化在調節(jié)多種生物過程和多種疾病的參與中起到重要作用。目前,高分辨質譜以其高靈敏度和快速的序列檢測成為識別蛋白質/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抑制等極大地限制了它在分析磷酸化肽中的直接應用[61]。因此,從復雜的生物樣品中富集磷酸化蛋白質/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COFs進行后合成修飾固載Zr4+,制備得到MCNC@COF@Zr4+復合物。由于COFs比表面積大,可修飾的羥基位點較多,有利于Zr4+固載作為富集磷酸化肽的活性位點。經過評估,材料對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,且對于100 μg/mL的β-酪蛋白酶解液,富集后可以檢測到3條磷酸化肽(未富集時檢測到1條),檢測限低至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到6條,以上結果表明這種固載Zr4+的大比表面積規(guī)則介孔結構對磷酸化肽具有較強的親和作用和富集選擇性(見圖4)。同時,材料對復雜的實際樣品酶解液中磷酸化肽的富集同樣表現出不錯的效果,說明其在蛋白質組學相關領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質譜圖[62]

2.4 其他固相萃取

Li等[63]使用合成的多孔共價有機骨架官能化的聚(苯乙烯-二乙烯基苯-縮水甘油基甲基丙烯酸酯)復合物(COF@PS-GMA),在注射器內固相萃取水樣中的非甾體抗炎藥(NSAID),無需進一步的凈化程序,結合超高效液相色譜和紫外檢測器測定環(huán)境水樣中的7種NSAIDs。Yan等[64]提出了一種將COFs結合到聚丙烯腈(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,表現出回收率高、LOD低、精密度高的特點。

3 結論與展望

綜上所述,COFs材料由于可供選擇的構筑基元和合成方法多樣,形成的材料多樣化,以及孔徑可調、可功能化修飾、優(yōu)良的物理/化學穩(wěn)定性、永久孔隙率等優(yōu)點,使其在樣品前處理應用方面成為一種優(yōu)良的吸附材料。比如利用S和金屬的親和作用,設計含有豐富硫元素的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,提供了強的π-π堆積作用,可實現多種環(huán)境污染物富集;也解決了目前復雜樣品中富集生物分子時存在的難題。同時,COFs材料與多種固相萃取方式相結合,特別能突顯其在樣品處理方面的優(yōu)勢。但是也存在一些挑戰(zhàn):(1)從已報道的研究來看,COFs復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,可設計合成管狀、片層等,拓展其應用方向;(3)現有某些合成方法費時、成本高。因此,需要開發(fā)制備簡單、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用。