孫曉瑋,王 曉,2,紀文華,2*

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 山東省分析測試中心 山東省大型精密分析儀器應用技術重點實驗室,山東 濟南 250014;2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 藥學院,山東 濟南 250014)

共價有機骨架(COFs)是一類由有機單體通過共價鍵連接而成的新型多功能結晶有機聚合物[1]。自2005年由Yaghi課題組首次報道后[2],引起了專家學者的強烈關注。作為新型多孔材料的典型代表之一,COFs具有低密度、大比表面積、高穩(wěn)定性和永久多孔性等優(yōu)點。COFs是在動態(tài)共價化學的基礎上合成的,能夠對反應體系進行“錯誤檢查”和“校對”,而這兩個步驟是形成晶體有序結構的關鍵過程[3-5]。COFs可以通過在二維和三維空間上對單體的篩選,對骨架結構進行控制。COFs獨特的結構特性使之在氣體儲存[6]、傳感[7]、催化[8]和藥物輸送[9]方面顯示出巨大的潛力,這些固有特性使得COFs材料同樣適用于精確分離這一具有挑戰(zhàn)性的研究領域[10-14]。Li等[10]介紹了COFs的各種制備方法,并綜述了COFs作為一種新型吸附劑在從復雜樣品中提取多種目標分析物(如多環(huán)芳烴、酚類、擬除蟲菊酯和農(nóng)藥)中的應用。Zhang等[11]綜述了多孔有機框架材料在設計和合成方面的重要進展,討論了它們在分析化學中的最新應用。Qian等[12]綜述了COFs及其復合材料在分析分離科學中的應用現(xiàn)狀。Chen等[13]全面綜述了COFs及其在分離(固相萃取、膜分離和色譜分離)和分析(化學傳感、光譜檢測和視覺檢測)中的應用。Wang等[14]著重介紹了COFs在水處理、氣體混合物和有機分子(包括手性和異構化合物)分離等方面的研究進展。本文綜述了近3年來COFs在分離科學中的最新進展,著重介紹了其在水介質、食品基質、生物樣本等復雜基質樣品前處理和有機分子(包括手性和異構化合物)分離等方面的研究進展,同時展望了COFs在分離科學中的應用前景。

1 COFs在樣品前處理中的應用

1.1 COFs在固相萃取中的應用

固相萃取(SPE)已被廣泛用于不同樣品基質中分析物的富集,具有有機溶劑消耗量小、相分離容易、耗時短等優(yōu)點。近年來,為了滿足分析化學的特殊要求,研究者致力于開發(fā)出選擇性好、吸附容量大的新型SPE吸附劑[12]。如何利用特殊的分子間作用力在復雜介質中進行特異性識別,以便接近或達到天然分子識別水平,仍是COFs作為吸附劑最具挑戰(zhàn)性的科學難題之一。本課題組[15]將分子印跡技術與COFs結合,構筑了首例席夫堿型印跡COFs,并將此印跡COFs應用于植物樣本中4種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥(氰戊菊酯、氟氰戊菊酯、高效氟氯氰菊酯、高效氯氟氰菊酯)的固相萃取選擇性富集,采用高效液相色譜法建立了6種植物樣本中上述4種擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的分析方法。在最優(yōu)的萃取條件下,線性范圍為0.1～200 ng·g-1,檢出限為0.011～0.018 ng·g-1,日內和日間精密度分別為3.2%～4.9%和4.7%～7.3%,回收率為78.2%～107%。席夫堿型印跡COFs的制備為COFs材料的選擇性吸附提供了一種新的策略。此外,本課題組[16]通過乙烯基COFs與4-氨基苯硫醇的硫醇-烯點擊反應,合成了氨基修飾的共價有機骨架(NH2@COFs),引入的氨基可以與羧酸類農(nóng)藥的陰離子基團發(fā)生相互作用。與乙烯基COFs和4種商用吸附劑相比,NH2@COFs對羧酸類農(nóng)藥的萃取效率更高。因此采用NH2@COFs-SPE/HPLC/DAD法,建立了線性范圍寬、檢出限低、精密度好的環(huán)境水樣中6種羧酸類農(nóng)藥的分析方法。該“后合成”修飾方法為COFs材料的功能化和應用提供了一種新途徑。

在線固相萃取(on-line SPE)可以縮短分析時間和程序步驟,提高樣品前處理的精密度和重現(xiàn)性,且COFs的使用量極少。然而COFs的粒徑和形狀限制了其在on-line SPE中的應用,如納米級粒徑和不規(guī)則形狀會導致過高的背壓,造成管路崩壞。目前,具有合適粒徑和較高穩(wěn)定性的COFs不多,因此COFs在線固相萃取技術的發(fā)展和應用受到限制。Liu等[17]采用化學穩(wěn)定性好、比表面積大的羧基修飾COFs(COFs-CTpBD)作為吸附劑,通過與電感耦合等離子體質譜聯(lián)用檢測痕量離子。將官能團修飾后的COFs-CTpBD填充于固相萃取柱中,分離富集水樣中的鉻(Ⅲ)、錳(Ⅱ)、鈷(Ⅱ)、鎳(Ⅱ)、鎘(Ⅱ)、釩(Ⅴ)、銅(Ⅱ)、砷(Ⅲ)、硒(Ⅳ)和鉬(Ⅵ)等微量元素。在最優(yōu)的萃取條件下,以上金屬離子的檢出限為2.1～21.6 ng·L-1,線性范圍為0.05～25 μg·L-1。結果表明特異性官能團修飾COFs可以提高其在on-line SPE應用中的選擇性。

Gao等[18]以1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和2,3,5,6-四氟對苯二甲醛為原料合成了新型多孔COFs。該COFs具有比表面積大、穩(wěn)定性好、重復使用性好、氫鍵和F-F相互作用強等優(yōu)點,對硝基芳香族化合物具有良好的吸附性能。以該COFs作為分散固相萃取(d-SPE)吸附劑,可以從不同水樣中高效提取多種硝基芳香族化合物。該方法在0.01～50 mg·mL-1(r>0.997 3)范圍內線性良好,具有定量下限低(0.1～0.25 mg·mL-1,S/N=10),檢出限低(0.03～0.09 mg·mL-1,S/N=3)的優(yōu)點。日內相對標準偏差(RSD)小于3.6%,日間RSD小于4.8%,回收率為84.0%～112%。 Zhang等[19]通過改變溶劑熱反應時間,制備了3種納米二氧化鈦功能化共價有機骨架,在比較其萃取性能的基礎上,選擇高效穩(wěn)定的三葉草形納米二氧化鈦功能化COFs(CSTF-COFs)作為吸附劑。由于引入了羥基,CSTF-COFs通過氫鍵作用、疏水作用和親水作用,對強極性的N-亞硝胺實現(xiàn)了較高的萃取效率,并利用d-SPE/LC-MS/MS法對31個瓶裝飲用水樣品中的N-亞硝胺進行了靈敏測定。該方法的檢出限低(0.13～2.45 ng·L-1)、回收率高(88.6%～106%),相對標準偏差小(RSD≤8.3%),為復雜基質樣品中高極性化合物的提取和測定提供了一種有潛力的方法。

1.2 COFs在磁固相萃取中的應用

磁性固相萃取(MSPE)作為一種重要的樣品預處理技術,以操作方便、傳質效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點備受關注。近年來,基于MSPE技術的優(yōu)點和COFs的良好提取性能制備磁性COFs復合材料受到了人們的廣泛關注。Li等[20]以Fe3O4納米粒子為“核”,1,3,5-三甲酰間苯三酚和2,6-二氨基苯醌為單體,合成了“核-殼”結構的Fe3O4@COFs-TpDA材料?；谠摬牧辖⒘舜殴滔噍腿÷?lián)用高效液相色譜法測定果蔬中生長調節(jié)劑的分析方法,Fe3O4@COFs-TpDA具有苯環(huán)結構和豐富的羰基,可通過π-π相互作用和氫鍵作用來富集生長調節(jié)劑,該法具有線性良好(r>0.999 0),檢出限低(4.68～7.51 μg·L-1)、回收率高(83.0%～105%)等優(yōu)點。Wang等[21]和Pang等[22]分別制備了Fe3O4@COFs和COFs-(TpBD)/Fe3O4,并將其用于食品中氟喹諾酮類藥物和生物樣本中鄰苯二甲酸酯的磁固相萃取。

Wang等[23]制備了含氨基核殼結構的COFs納米球[Fe3O4@TpBD(NH2)2],并用2-甲酰苯基硼酸對[Fe3O4@TpBD(NH2)2]進行合成后修飾,所得新型磁性硼酸鹽親和吸附劑對多巴胺具有快速的磁響應和高達1 037 μmol·g-1的結合能力。在堿性環(huán)境中,硼酸基可與含順式二醇的化合物形成環(huán)狀酯,因此制備的吸附劑對含順式二醇的化合物具有良好的選擇性和較高的結合能力。作者將磁性固相萃取與高效液相色譜/熒光檢測相結合,建立了人尿樣中單胺類神經(jīng)遞質的檢測方法。該工作對于“后合成修飾”磁性共價有機骨架具有重要意義,同時也證明了功能化磁性COFs作為樣品前處理吸附劑的可行性。

Xiong等[24]合成了磁性離子共價有機框架Fe3O4@iCOFs,該材料含有大量的氨基,且具有正電荷和超順磁性?；诹姿峄c鳥苷基之間的靜電相互作用和氫鍵,Fe3O4@iCOFs可以高效捕獲以鳥苷為離子配體的磷酸肽。通過將Fe3O4@iCOFs與質譜聯(lián)用,可實現(xiàn)磷酸肽的高靈敏檢測(最低檢測量為0.4 fmol)。結果顯示,該材料具有選擇性富集非脂乳胰蛋白酶消化液中和HeLa細胞中磷酸肽的能力,并且在復雜樣品中低豐度磷酸肽的檢測方面具有很大的潛力。Fe3O4@iCOFs的進一步應用為磷酸蛋白質組分析和其他生物醫(yī)學應用開辟了新的途徑。

1.3 COFs在固相微萃取中的應用

固相微萃取(SPME)是一種集采樣、提取、進樣于一體且溶劑消耗少的樣品預處理方法,已被證明非常適合對各種分析物進行靈敏和選擇性預富集,尤其是揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質。涂層吸附劑對SPME的萃取效率至關重要[25]。Ma等[26]使用聚多巴胺作為連接劑,將1,3,5-三甲酰間苯三酚(Tp)縮合聯(lián)苯胺(BD)COFs(COFs-TpBD)共價鍵合到不銹鋼絲上,COFs-TpBD的π-π共軛結構使之對多環(huán)芳烴有較高的萃取效率,可用于羊肉串、烤臘肉、烤雞翅等不同烤肉樣品中多種多環(huán)芳烴的高效固相微萃取?；赟PME建立的氣相色譜-串聯(lián)質譜法測定16種痕量多環(huán)芳烴的方法具有回收率高(85.1%～103%),線性范圍寬(2～200 ng·L-1),檢出限低(0.02～1.66 ng·L-1)的特點。

Wu等[27]以1,3,5-三甲酰間苯三酚和聯(lián)苯胺合成的COFs-TpBD對氯酚類化合物具有良好的吸附性,以其為SPME纖維涂層,采用頂空固相微萃取/氣相色譜-質譜聯(lián)用技術測定蜂蜜和黃桃罐頭樣品中的7種氯酚化合物,獲得了較高的回收率和良好的精密度。

Yang等[28]室溫下合成了1,3,5-三(4-氨基苯基)苯縮合均苯三甲酰氯COFs(TAPB-TMC-COFs),將其作為固相微萃取針涂層應用于水樣中多環(huán)芳烴的固相微萃取,運用密度泛函理論研究了COFs與多環(huán)芳烴之間的相互作用。結果表明,隨著π-π相互作用的增強,富集因子增加。該方法具有較寬的線性范圍(2～2 000 ng·L-1)、較低的檢出限(0.29～0.94 ng·L-1)和良好的精密度(4.3%～8.4%)。類似地,Liu等[29]室溫下制備了1,3,5-三(4-氨基苯基)苯縮合2,5-二甲氧基對苯二甲醛COFs(TAPB-DMTA-COFs),并用于環(huán)境水樣中酚類物質的固相微萃取,由于涂層與目標分析物之間的π-π相互作用、氫鍵、范德華力以及疏水作用、空間位阻效應和尺寸匹配效應,使得該涂層具有吸附速度快、解吸容易、重復利用性好等優(yōu)點。

Gao等[30]設計了基于COFs-TpBD涂層的固相微萃取/恒流解吸電離質譜聯(lián)用技術,并用于快速預富集和測定水介質中的痕量四溴雙酚A。該方法具有良好的靈敏度和精確度,是一種有發(fā)展前景的環(huán)境污染物痕量分析方法。Guo等[31]室溫合成了1,3,5-三(4-甲酰苯基)苯縮合聯(lián)苯胺COFs(TFPB-BD-COFs),并在室溫下原位制備了TFPB-BD-COFs鍵合固相微萃取纖維。用于水產(chǎn)品中痕量多氯聯(lián)苯的測定,方法的線性范圍為1～1 000 ng·L-1(r2≥0.996 9),檢出限為0.07～0.35 ng·L-1,回收率為87.1%～99.7%。所制備的固相微萃取纖維具有高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,并可多次重復使用。

2 COFs在色譜分離中的應用

2.1 COFs用作氣相色譜固定相

氣相色譜法(GC)是一種重要的、應用廣泛的分離技術,與傳統(tǒng)固定相相比,具有規(guī)整孔道、高比表面積、高穩(wěn)定性等特點的COFs已成為氣相色譜固定相的理想選擇[32]。Huang等[33]以共價鍵合的方式將手性COFs鍵合到石英毛細管的內表面,制備了一種穩(wěn)定的手性苯腙COFs結合毛細管柱,該柱對烷烴、醇類以及硝基甲苯、苯二醇、萘酚等異構體具有良好的氣相色譜分離性能,并可分離二甲苯異構體。該柱所分析的化合物均可達到基線分離,顯示出良好的異構體分離效果。

Chen等[34]提出了一種簡單、快速的室溫合成方法,用于制備尺寸均勻、穩(wěn)定性好、分散性佳的共價有機納米球(CONs),并將其涂覆在毛細管柱的內表面?；诙嘀叵嗷プ饔?包括范德華力、氫鍵和π-π相互作用等,烷烴、醇類、脂肪酸乙酯和酮類等多類異構體在該毛細管柱上均得到高效分離。CONs作為一種新型材料不僅可以用作氣相色譜分離介質,在其他研究領域也有很好的應用前景。

Qian等[35]采用“自下而上”的方法,合成了功能性手性COFs材料,并將其應用于不對稱分離研究。作者先將石英毛細管柱的內表面修飾上氨基,以與手性前體發(fā)生反應；隨后向石英毛細管柱中注射加入COFs制備單體的混合溶液,原位發(fā)生反應得到手性COFs毛細管柱。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn),手性COFs毛細管柱對(±)-1-苯基乙醇、(±)-1-苯基-1-丙醇、(±)-檸檬烯和(±)-乳酸甲酯具有很好的分離效果。

2.2 COFs用作高效液相色譜固定相

高效液相色譜法(HPLC)色譜柱的核心組成部分是用作固定相的色譜填料,鑒于有序規(guī)整孔道結構的特點,COFs有望作為HPLC色譜柱固定相材料[13]。目前報道的COFs大多為亞微米級,且粒徑分布不均勻,當直接填充到色譜柱中時,會導致柱壓高和柱效低的問題。Liu等[36]報道的甲基丙烯酸酯鍵合COFs整體柱(聚(TpPa-MA-co-EDMA)整體柱)克服了上述困難,與不含COFs的裸聚合物整體柱相比,該整體柱在分離多環(huán)芳烴、酚類、苯胺類、非甾體抗炎藥和苯并噻吩類小分子方面具有分辨率高、精密度好、柱效高等優(yōu)點。將芳香性的1,3,5-三甲酰間苯三酚(Tp)縮合對苯二胺(Pa-1)COFs(TpPa-1)添加到整體柱中可增加柱的疏水性和氫鍵相互作用,從而提高HPLC的分離性能。

除上述制備整體柱的方式以外,將COFs負載于SiO2球形顆粒表面也是解決上述問題的另一有效途徑。Qian等[37]采用“逐層法”制備具有均勻形貌的COFs-300@SiO2,研究了其與苯系物、多環(huán)芳烴和取代芳烴等多種分析物的相互作用,并用于HPLC色譜柱高效分離硝基酚、硝基苯胺、氨基酚等異構體。該研究為高效液相色譜分離異構體提供了新的固定相,并為COFs復合物的制備提供了新的方法。

Han等[38]通過四(4-苯胺基)甲烷與手性四芳基1,3-二氧戊烷-4,5-二甲醇構建3D手性COFs,并通過氧化后修飾,將骨架轉化成酰胺結合的COFs。后修飾未破壞結晶度和孔道性質,兩種COFs均可用作高效液相色譜手性固定相高效分離手性醇、亞砜、羧酸和酯。

微孔共價有機骨架在小分子分離方面有著巨大的潛力,但在設計和合成方面仍存在挑戰(zhàn)。Huang等[39]采用框架互穿策略,以乙二胺和四面體四(水楊醛)-硅烷或-甲烷衍生物為原料,通過席夫堿縮合反應制備了微孔3D-salen-COFs和微孔Zn-salen-COFs。兩種非配位的salen-COFs可以作為HPLC固定相,并實現(xiàn)了二甲苯異構體和乙苯的良好分離,揭示了salen-COFs在高效液相色譜異構體分離方面具有廣闊的應用前景。

利用生物分子固有的強手性環(huán)境和特殊的相互作用,Zhang等[40]將氨基酸、肽和酶等一系列生物分子鍵合到非手性COFs中,所制備的生物分子COFs繼承了生物分子的強手性和特異性等特點,在高效液相色譜的正、反相中可作為多種手性化合物的高效手性固定相。作者通過表面增強拉曼散射揭示了酶的二級結構與外消旋體之間的相互作用,證明了COFs的手性分離能力。

2.3 COFs用作毛細管電色譜固定相

毛細管電色譜(CEC)是一種結合了高效液相色譜和毛細管電泳優(yōu)點的高選擇性分離技術。開管柱毛細管電色譜(OT-CEC)由于具有良好的滲透性和易制備等優(yōu)點,近年來受到越來越多的關注。但在開發(fā)新的固定相材料方面,OT-CEC仍存在一些問題,阻礙了該方法的進一步發(fā)展。COFs作為OT-CEC柱的新型固定相材料,可以克服吸附容量低等缺點[14]。Wang等[41]以1,3,5-三甲酰基間苯三酚和1,4-苯二胺合成了TpPa-1-COFs,并對TpPa-1-COFs進行(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷改性,將改性后的TpPa-1-COFs通過鍵合法涂覆在色譜柱內作為OT-CEC的固定相,并用于分析四環(huán)素、磺酰胺、頭孢菌素和氨基酸,為室溫下高效分離抗生素和氨基酸提供了一個有利的平臺。

β-環(huán)糊精(β-CD)及其衍生物是一類具有疏水空穴的超分子,廣泛應用于分子特異性識別。Wang等[42]首次利用β-環(huán)糊精共價有機骨架(β-CD-COFs)構建了手性藥物分析的手性固定相,并采用光聚合法將β-CD-COFs修飾的毛細管柱用于6種手性藥物的毛細管電色譜分離,獲得了良好的分離效果和重復性,實現(xiàn)了6種對映體的基線分離。結果表明,手性共價有機骨架涂層毛細管柱在手性藥物的色譜分離中具有廣闊的應用前景。Xu等[43]合成了一種Schiff堿共價有機骨架SNW-1,將其加入整體柱中,可以提高柱效,增加外消旋體與固定相的相互作用,從而顯著提高CEC的分離效果。該研究發(fā)現(xiàn)纖維素酶@poly(GMA-EDMA-SNW-1)對β-受體阻滯劑、抗組胺劑和抗凝劑等8對不同種類的手性藥物具有良好的對映體分離性能。

3 結 論

為滿足不同分離技術的要求,研究者已研制了具有不同特性的COFs及其復合材料,用于提高對目標分析物的靈敏度和選擇性。然而分離科學中COFs的發(fā)展仍處于起步階段,現(xiàn)有COFs的合成方法條件苛刻、費時、成本高,阻礙了COFs的發(fā)展。且大部分COFs由可逆的共價鍵連接,穩(wěn)定性較差,限制了COFs在色譜和樣品預處理領域的應用。設計并制備具有優(yōu)良性能的COFs將為其在色譜和樣品預處理領域中的應用提供巨大的可能性。COFs與其它功能材料的結合也是擴大COFs在分離科學中應用的有效途徑?；贑OFs材料性能及結構的可控性,可以預期未來COFs材料在分離領域的研究將得到極大的發(fā)展,并將獲得較現(xiàn)有材料更為優(yōu)異的分離性能。