磁性有机骨架材料在生物样品前处理中的应用进展

傅寅旭，费鑫杨，张 俊，牛家乐，潘迦明，诸葛黔，王 旭

(杭州医学院 检验医学院，浙江 杭州 310053)

1 概述

生物样品的前处理环节是样品分析最为关键的一步，直接影响着痕量分析方法学的灵敏度、可靠性、分析速度和选择性[1]，由于生物样品的成分极其复杂且含量较低，故在分析前还要进行待测组分的分离、纯化及富集，以使得待测组分的纯度和浓度可达检测要求[2]，合适的前处理技术可以真实、准确反应待测组分在生物体内的规律。

在不同的样品前处理提取技术中，固相萃取(Solid phase extraction，SPE)由于其操作简单、分析物预富集因子高、吸附剂可重复使用、使用有机溶剂体积少等优点，在各种萃取技术中得到了广泛的认可[3]，相较于液液萃取(liquid-liquid extraction，LLE)，SPE具有有机溶剂用量少、回收率高、耗时少等优势[4]。选择合适的吸附剂对于提高SPE的选择性、吸附能力和效率都至关重要，然而，颗粒尺寸小、填充形式非球形吸附剂的使用将会导致高背压，从而阻碍了固相萃取过程[5]。磁性固相萃取(magnetic solid-phase extraction，MSPE)是经典固相萃取(SPE)的一种替代方法[6]，MSPE是一项以磁性或可磁化的材料作为吸附剂基质的一种固相萃取技术，凭借吸附剂的超顺磁性，在外界磁场作用下即可实现吸附剂与样品溶液的分离，具有操作简单、快速、兼容性好、富集率高、选择性好等诸多优势，从而避免了吸附剂填料、高背压或填料堵塞等的问题[7]。因此，选择合适的磁性吸附剂对于提高MSPE的选择性、吸附能力和效率都至关重要，近年来，不少研究都致力于为MSPE引入新型磁性吸附剂。

近年来，越来越多的有机多孔框架材料(porous organic frameworks，POFs)应运而生，特别是金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks，MOFs)和共价-有机骨架材料(covalent-organic frameworks，COFs)的研究领域快速发展，引起了专家学者的高度关注。MOFs由金属离子和有机配体构成，由于其具有比表面积高、孔隙率大、热稳定性好和功能多样化等特点，在环境和生物样品的富集、分析等领域得到广泛的应用[8-10]。作为另一类新型多孔材料，COFs具有晶体密度低、比表面积大、孔隙率高、孔径可调、热稳定性好等优点[11]，作为新型吸附剂受到广泛关注[12-14]。基于MOFs和COFs化学活性高、易于进行孔道修饰的特性，发展出磁性MOFs和COFs复合材料作为MSPE的新型吸附剂，新型磁性复合材料结合了各组分的优越性能，弥补了常规SPE的缺陷，推动了MSPE的发展，展现出更突出的理化性能和更广阔的应用前景[15-19]。本文介绍了磁性MOFs和COFs在MSPE中的开发和应用，同时着重对磁性MOFs和COFs作为生物样品前处理中吸附剂的应用作简要评述与展望。

2 磁性MOFs作为吸附剂在生物样品前处理中的应用

金属有机骨架(Metal organic frameworks，MOFs)材料是近几年涌现出的一类新型多功能多孔材料，以金属离子或金属簇为配位中心，与含氧或氮的有机配体通过配位作用形成多孔骨架结构[20-21]。MOFs可和不同功能材料如高分子聚合物、碳基材料、磁性材料等组装复合得到功能化MOFs，其中，随着磁性纳米粒子(如Fe3O4、γ-Fe3O2以及NiO等)近年来的不断研究深入，因其具有良好的分散性以及磁感应性，不少研究人员以 MOFs 为前体经直接磁化[22]、原位生长[23]、一步涂层[24-25]、惰性气体环境下磁化[26]、层层自组装[27-28]等一系列方法磁化，将 MOFs的优异性能与磁性纳米离子的磁分离特性结合起来，磁性 MOFs复合材料成为MSPE中的高性能分离吸附剂，可在外加磁场的作用下可进行有效分离，因其具有选择性吸附分离能力和良好的富集能力，磁性MOFs复合材料在生物样品前处理方面的应用引起了研究者们的极大兴趣和广泛关注。

Wang 等[29]将 Zn-MOF 嫁接在磁性石墨烯的表面制备出生物相容复合材料MG@ Zn-MOFs。MG @ Zn-MOFs可特异性识别糖肽，因其具有磁响应性强、比表面积大、生物相容性好、独特的尺寸排除效应等特点，可作为MSPE的优质吸附剂，在人血清中成功分离出517种独特的N-糖肽和151种特征性糖蛋白，该方法对糖肽表现出优异的敏感性、选择性和良好的可回收性，具有广阔的商业应用前景。

Zou等[30]采用室温法制备了磁性Fe3O4@ZIF-8核-壳纳米材料(MNPs)，作为MSPE中的分离吸附剂，联用氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)，成功提取、测定尿液中的无机砷，Fe3O4@ZIF-8具有较低的检测限(3 ng/L)，良好的灵敏度，消除了尿液基质可能带来的干扰。

Dargahi R等[31]首先利用反应釜制备得到MIL-101(Cr)，通过Fe3O4纳米材料的修饰，制备得到Fe3O4@MIL-101(Cr)复合材料，优化了MSPE的萃取效率，成功从人血浆中分离得到五种邻苯二甲酸酯，在最优条件下检测极限和线性动态范围分别为0.08～0.15 μg/L和0.5～200 μg/L，日内RSD%和日间RSD%分别为2.5%～9.5%和4.6%～10.4%。

Suling Zhang等[32]采用一种新型的磁铁矿(Fe3O4)粒子原位溶胶-热合成方法，制备出Fe3O4/MIL-101复合材料。将其作为磁性固相萃取的吸附剂成功从尿液中提取出六种有机磷农药(OPPs)，并对其进行了气相色谱分析。该方法检测限低(0.21～2.28 ng/mL)，线性度广，精密度好，能有效消除毛发或尿液产生的基质干扰，加标样品回收率分别为76.8%～94.5%和74.9%～92.1%，说明Fe3O4/MIL-101吸附剂用于生物样品中痕量分析是可行的。

Xie等[33]制备了一种超亲水金属有机框架功能化磁性纳米材料Fe3O4@PDA@ Zr-SO3H，具有高亲水性、高表面积和强磁性等性能，对N-糖肽的富集具有优异的灵敏性和特异性，并且成功从健康人血清中分离出177种N-糖肽，分别属于85种糖蛋白。

Ma R等[34]通过直接碳化法制备了一种含铁多孔炭材料(MIL-53-C)。以MIL-53-C为磁性固相萃取吸附剂，建立了一种简便、高效的从人体尿液样品中提取甲基睾酮，丙酸睾酮，南酮酮三种激素的磁性固相萃取方法，并对其进行高效液相色谱紫外检测。该方法对人体尿液样品的线性响应分别为0.02～100 ng/mL和0.5～100 ng/mL。分析物的检出限(S/N=3)，人尿样为0.1～0.3 ng/mL。分析物的定量限(S/N = 10)分别为0.015～0.030 ng/mL和0.3～0.9 ng/mL。

Wei JP 等[35]采用溶剂热法原位合成磁性复合材料 Fe3O4-COOH@MIL-101，该复合材料结合了对苯二甲酸铬(III)和羧基功能化磁铁矿(Fe3O4-COOH)粒子的优异性能，具有高效的多肽富集性能和磁性反应性，作为磁性固相萃取材料成功应用于细菌裂解物中蛋白生物标志物的选择性富集，从而实现在菌株水平鉴别两种大肠杆菌。同时，Wei JP课题组[36]还制备出 Fe3O4@C@MIL-100复合材料，有尺寸选择性吸附性能，为低丰度多肽的富集提供了一种快速方便的方法，采用2型糖尿病患者(T2DM)的血清蛋白为样品，利用微波辅助甲酸裂解进行特异性消化的天门冬氨酸残留的血清蛋白，然后以磁性 MIL-100复合材料作为磁性固相萃取材料选择富集甲酸水解多肽，该方法共检测到46个血清蛋白，其在血清中对应蛋白质的质量浓度为 0.5～10000 mg/L，整个检测过程不超过60 min，最后利用 ClinProTools 软件提取了17个T2DM的蛋白生物标志物，值得注意的是，T2DM与健康人血清消化的质量指纹图谱是可区分的，这表明该技术对T2DM的诊断和快速生物标志物的发现具有潜在的应用价值。

上述研究通过将MOFs的优异性能与Fe3O4的磁分离特性相结合，磁性MOFs作为MSPE的高性能分离吸附剂得到应用，并且在生物样品的前处理中具有广泛应用前景。MOFs及其复合材料在样品前处理领域已经获得诸多进展，虽然已有部分MOFs顺利应用于MSPE，但仍有大量MOFs作为MSPE潜在的优良磁性吸附剂未得到开发，磁性MOFs仍有不少应用潜质亟需研究人员们深入探索[15]。

3 磁性COFs作为吸附剂在生物样品前处理中的应用

共价有机骨架(covalent organic frameworks，COFs) 材料是一类由H、O、C、N、B、Si等轻质元素通过共价键连接的有序结晶多孔聚合材料，2005 年由 Yaghi 课题组首次报道[37]。COFs 具有比表面积大、密度低、种类和性质多样、孔隙度高、热和化学稳定性好等优点，在光电子器件[38]、催化[39-40]、储气[41]、传感[42]、色谱分离[43]和气体吸附[44-45]等领域得到了广泛研究。COFs 特殊的结构和优异的性能也已在分析化学中显示出良好的应用潜力，当前已经出现了许多合成COFs的方法，例如溶剂热合成法[37,46-47]、微波合成法[48-49]、离子热合成法[50-51]、机械化学合成法[52]、室温合成法[53-54]等。通过对磁性Fe3O4进行改性能够使其结合不同种类 COFs，所合成的磁性 COFs的形貌也存在着差异，其中磁性材料中核-壳结构是较为经典的结构，通常采用溶剂热的方法合成纳米磁性Fe3O4作为中心核，采用该方法合成的磁性Fe3O4纳米微球与COFs结合生成了核-壳结构的磁共价有机骨架 (Fe3O4@COFs)。Fe3O4@ COFs结合了COFs高孔隙度，化学稳定性和选择性的优点和磁性Fe3O4的高磁性的特性，使得Fe3O4@COFs能够从复杂生物样品中与被吸附目标物充分接触，从而成为MSPE的理想吸附材料，从而使得生物样品前处理更为高效。

Lei Chen等[17]利用不同的核-壳结构磁性COF纳米复合材料(TAPB和TPA作为两种配体)来测定人血清样品中的微量双酚(BPs)，制备的Fe3O4@COF纳米复合材料具有高比表面积(181.36 m2/g)、强烈的磁性反应(42.7 emu/g)、孔隙大小分布窄(～3.6 nm)和优异的化学稳定性等优点，是一种理想的吸附剂，具有优异的吸附能力。

Lin G等[53]采用室温法快速合成(<5 min)的磁性Fe3O4纳米微球与1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和对苯二甲醛结合生成了核-壳结构的磁共价有机骨架(Fe3O4@COFs)，Fe3O4@COFs具有高孔隙率、磁性反应性、化学稳定性和选择性等优点，对两个具有相近相对分子质量和尺寸但不同极性和芳环数目的多肽进行吸附，结果表明，磁性Fe3O4@COFs复合材料对芳环数目较多的肽具有良好的萃取效率。

Wang 等[55]采用两步溶剂热法制备了超顺磁性海胆状的Fe3O4@TpPa-1复合材料用于富集糖肽，其用于MSPE具有低检出限(28 fmol) 和高选择性，可以在人血清免疫球蛋白G(IgG) 和辣根过氧化物酶(HRP)样品中检测出 37和 22个糖肽，在人血清消解液中检出的糖肽和糖蛋白质数分别为228和114个，Fe3O4@TpPa-1显示出良好的糖蛋白质组学应用潜力。

Chaohong Gao等[54]以Fe3O4纳米颗粒(NPs)为磁芯，以1,3,5-三甲苯(1,3,5-triformylbenzene，简称Tb)和联苯胺(benzidine，简称Bd)为构建体，在二甲基亚砜(DMSO)的存在下，室温下合成核-壳结构磁性共价有机骨架复合纳米球Fe3O4@TbBd，表现出高吸附容量(28.5 mg/g)，快速吸附动力学(< 5 min)和良好的可重用性肽(>30次)，由于其特定的高比表面积(196.21 m2/g)，大孔隙体积(0.63 cm3/g)，孔隙大小分布窄(～2.8 nm)，强烈的磁性反应(41.5 emu/g)，以及热化学稳定性好。Fe3O4@TbBd在高富集蛋白存在的情况下，应用于MSPE与HPLC-Q-TOF/MS 结合可以从5 μg/L的人血清消解液中富集到了29种多肽。Chen Lei等[56]合成了磁性COF纳米磁珠Fe3O4@TbBd，使其作为磁性固相萃取吸附剂成功选择和分离尿样中雌激素，对于孕妇尿液样品中微量雌激素的回收率达80.6%～111.6%，证实了 Fe3O4@TbBd材料作为吸附剂在生物样品前处理中的应用前景。

但有些COFs难以通过化合价与磁性Fe3O4直接相连，需要由1,6-己二胺[14,57]、聚乙烯亚胺(1,4-dioxane，polyethyleneimine，简称PEI)[47]等化合物作为连接桥梁进行构建磁性共价有机骨架材料。Chen Y等[18]通过聚多巴胺官能化的方法，利用聚多巴胺修饰层连接COF-1与磁性Fe3O4，合成得到的磁性Fe3O4-COF-1作为MSPE的吸附剂，富集效果好，净化能力强，与高效液相色谱联用成功从大鼠血浆样品中高效提取紫杉醇，线性范围0.1～200 ng/mL，检出限较低，为0.02 ng/mL，回收率为99.4%～103.7%，相对标准差小于2.3%。

上述研究虽然初步揭示了磁性COFs材料作为MSPE的吸附剂具有良好的应用前景，相较于现有的富集分离材料，磁性COFs可在一定程度上简化MSPE的步骤、缩短时间，延伸了COFs在复杂生物样品前处理中的实际应用[58]。但相对于数量庞大的COFs而言，仅有少数COFs成功被赋予磁性且顺利用于生物样品的前处理中，当前磁性COFs的合成方法仍具有较大局限性，耗时费力高成本的方法也在一定程度上限制了磁性COFs的在生物样品中的实际高效利用。

4 展望

由于生物样品中成分极其复杂且待测组分的含量较低，故在分析前还要进行待测组分的分离、纯化及富集等前处理操作，以使得待测组分的纯度和浓度可达检测要求。因此，研究和开发简单、快速、高效的提取技术是非常有必要的。近来研究发现，磁性MOFs和磁性COFs因其具有独特的特点，被认为是MSPE中一类潜在的极佳吸附剂，本文综述了磁性MOFs和磁性COFs的合成方法，总结了磁性MOFs和磁性COFs作为MSPE的新型高效吸附剂在多种目标分析物中的应用。结果表明，磁性MOFs和磁性COFs是两类理想的样品前处理吸附剂。然而，磁性MOFs和磁性COFs在样品预处理中作为吸附剂仍存在许多缺陷，例如，有些磁性MOFs和磁性COFs的制备过程比较繁琐，在溶剂或水中的稳定性较差，在样品预处理中受到一定的限制，所以研制制备简单、成本低、稳定性好且高效的磁性MOFs和磁性COFs仍是目前研究中的难点；磁性MOFs和磁性COFs与各类分析方法的兼容性需要引起关注，以期能够设计出更为高效的方法来更容易和更有效地完成复杂生物样品的分析和检测。

因此，在未来仍需大量研究致力于合成新的具有良好功能结构、强亲水性、强吸附能力、高选择性的磁性MOFs和磁性COFs。我们期望能构建更强大和多功能的磁性MOFs和磁性COFs，进一步拓展MSPE在生物样品前处理中的应用。