共价有机骨架材料在样品前处理中的研究进展

白 璟, 林子俺

(食品安全与生物分析教育部重点实验室, 福建省食品安全分析与检测重点实验室, 福州大学化学学院, 福建 福州 350116)

共价有机骨架(COFs)作为一种新兴的晶体多孔材料,是由C、H、O、N、B等轻原子构成,以共价键连接的二维或三维晶体多孔结构。2005年Yaghi及其同事[1]基于硼酸分子的脱水反应,首次开发了这种多孔、有晶型的共价有机骨架,打破了人们对有机分子连接构筑的晶体结构的认知。与传统晶体材料相比,COFs具有比表面积大、化学和热稳定性好、孔径可调、低密度,以及可功能化修饰等优点。正是这样一个集诸多优点于一身的晶体多孔材料,成功引起了研究者的注意。到目前为止,COFs已经被广泛用于气体储存、光学器件、催化等各领域[2]。

近年来,共价有机骨架材料因为其独特的结构和性质,也被广泛应用于分析化学领域,如样品前处理。样品前处理技术作为分析化学痕量分析的关键步骤,吸附剂材料显得尤为重要,比如吸附剂性质、孔结构等对萃取行为起着重要作用。COFs材料优良的物理化学性质赋予了其在样品前处理方面的开发潜力,有望成为一种理想的吸附材料。本文简要概述了近年来COFs在样品预处理中的研究进展。

1 共价有机骨架

1.1 分类

根据形成共价键的官能团不同,COFs材料分为3类:(1)含硼类;(2)三嗪类;(3)亚胺类。

嗪基类共价有机骨架(CTFs)是基于氰基的三聚反应形成的。Kuhn等[5]受到硼基COFs的启发,开发了一种新的多孔晶型材料。采用熔融离子热法,ZnCl2作为催化剂,1,4-二氰基苯作为单体,成功制备了三嗪基共价有机骨架材料。CTFs具备良好的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性,但是存在晶型差,且反应可逆性差的缺点。

于是有了另一类COFs材料的诞生,亚胺类COFs是通过Schiff-base反应醛胺缩合而形成。Uribe-Romo等[6]首次合成了一种完全由C-C和C-N共价键构成的晶体三维骨架材料。随后Uribe-Romo等[7]又通过酰肼和醛基反应形成腙键连接的COF-42和COF-43,新的官能团引入孔道,促进了对COFs材料性质的探索。相比于上两种类型的共价有机骨架材料,亚胺类COFs表现出了较好的晶型和稳定性。此外,由于其合成方法温和,得到了广泛的应用。

1.2 合成方法

通过文献的查阅[8],我们可以推测热力学平衡是形成高度有序的共价键骨架的关键。为了形成热力学稳定的晶型骨架,应当充分考虑反应的媒介和条件,比如溶剂体系、温度、压力等。目前,COFs材料合成方法主要有溶剂热法、微波辅助法和室温合成法。

1.2.1溶剂热法

溶剂热法是构筑COFs基元最常用的方法,其制备过程如下:将单体和溶剂放于耐压耐热管,循环泵抽真空后充惰性气体,密封,恒温加热一段时间,通常在48 h以上;反应结束后,用合适的溶剂洗脱未反应完全的单体,真空干燥箱干燥可得产物。2013年,Kandambeth等[9]用卟啉作为氨基单体分别和2,5-二甲氧基对苯二甲醛、2,5-二羟基对苯二甲醛120 ℃反应3天,得到两种新的COFs(DmaTph和DhaTph);其中,基团之间有氢键作用的DhaTph显示出较好的晶型和化学稳定性,具体表现为在3 mol/L HCl和去离子水中浸泡一周后依然保持晶型。随后该课题组[10]用单步无模板法合成了一种具有介孔外壁的中空球形共价有机骨架,由于该材料的介孔结构、化学稳定性等优势,因此用于酶固定化,大大提高了酶活度。Chen等[11]通过研究共价有机骨架材料内部的π电子自我互补作用力来控制材料的晶型和多孔性。研究发现氟取代和未取代芳香环构筑的COFs显示出较大的差异,前者具备较强的电子自我互补相互作用,这种相互作用改变了框架中的π电子分布以及降低了HOMO-LUMO能级间隙,对后续的COFs合成具有指导性意义。

1.2.2微波辅助法

与传统的加热方式相比,微波辅助法在现代有机合成过程中具有高效(反应时间从天到小时,从分钟到秒)、高产以及温度压力可控监测等优点[12]。该方法被广泛地应用于有机聚合物的合成,近年来也被用于金属有机骨架(MOFs)多孔材料的制备[13-17],以及随后发展起来的COFs材料。Campbell等[18]利用200 W微波反应器100 ℃反应20 min成功合成了COF-5[1]和COF-102[19],大大缩短了反应时间(72 h缩短为20 min), FTIR、PXRD均与已报道的文献相符,同时BET模型发现其比表面积明显高于文献报道,可能归因于超声有利于反应物的纯化。Wei等[20]采用微波辅助溶剂热法合成了一种二维胺连接的共价有机骨架材料。对比实验表明,微波辅助法能够加速共价键的形成和提高TaPa-COF聚合度,且产率高、时间短、比表面积高。另外,嗪基类CTFs聚合反应必须在高温(400～700 ℃)下进行,反应时间长,因此,亟须一种高效、简单的方法生成这些高度多孔且坚固的有机框架。Zhang等[21]基于以上考虑,开发了一种微波增强的高温离子热方法,高比表面积(2 390 m2/g)和高孔隙率(2.52 cm3/g)的CTFs可以在10～60 min得到,这种简单、经济的合成方法有望在工业大规模的生产中得到应用。

1.2.3室温合成法

室温合成法具有反应条件温和、操作简单、反应快速、合成产物晶型好的特点,在推进COFs在各领域应用的过程中具有重要作用。

Biswal等[22]首次通过室温无溶剂机械研磨成功合成3种稳定性良好的亚胺连接的COFs材料,直接将两种构筑基元混合加入研钵中研磨即可,操作简单。研磨不同时间观察到颜色变化,推测可能是聚合物和骨架的形成过程,45 min后可得产物。材料在沸水、9 mol/L HCl和3 mol/L NaOH中均表现出显著的稳定性,同时,与溶剂热合成的COFs相比,机械化学合成的COFs具有类石墨烯层状形态(剥离层)。Medina等[23]将蒸汽辅助转化的概念用于合成一系列基于二硼酸和六羟基三亚苯缩合形成的2D COF膜。作者在不同的基质上,通过调控COFs质量、蒸汽类型等合成了含有可调厚度的苯并二噻吩BDT-COF和COF-5的高质量薄膜。几微米厚的BDT-COF薄膜表现出中孔隙率和结构孔隙率,而较薄的BDT-COF膜表现为黏性致密层,将为后续的应用研究做铺垫。Ruigómez等[24]选择1,3,5-三(4-氨苯基)苯(TAPB)和1,3,5-苯三甲醛作为单体,利用软光刻技术和喷墨印刷技术,实现了RT-COF-1高效、快速、简单的合成。Yang等[25]报道了一种简单、方便的室温溶液相方法制备球形COFs,由1,3,5-三甲酰基间苯三酚(Tp)和联苯胺(BD)作为构筑基元,在室温下在30 min内合成球形TpBD。该材料不仅在水、有机溶剂中,甚至在1 mol/L HCl和0.1 mol/L NaOH中显示出良好的溶剂稳定性,而且还具有高热稳定性。由于其具有良好的溶剂、热稳定性和表面积大等优点,被应用于高分辨率色谱研究。

2 COFs材料在样品前处理的应用

2.1 分散固相萃取

分散固相萃取(DSPE)作为一种简单快速的样品前处理技术。它的原理是利用固体吸附剂分散在液体样品中选择性吸附目标分析物,然后用洗脱液洗脱,从而达到富集目标物的目的。COFs材料由于其独特的物理/化学性质,可以作为一种良好的吸附剂。

早在2008年,Kuhn等[26]设计了3种不同的三嗪基共价有机骨架(BP[27]、DCB1[28]、DCB2[28])用于水溶液中4种染料(甲基橙、甲基蓝、活性蓝2、黄3G-P)吸附。经典的热力学吸附模型数据表明,该材料对染料吸附较快,1 h内可达到平衡。即使这些聚合物骨架是非官能化的,它们也可以将大量染料结合到孔结构中,并且吸附量可以高达1 300 mg/g,而活性炭通常具有30～300 mg/g吸附量[29,30]。另外,实验发现每种材料对染料的特异性很大,比如对于最小的染料亚甲蓝,聚合物骨架的表面积越大,吸附量越大;而甲基橙可以区分DCB和BP支架,但不能区分两种DCB。实验证明这种多级微/中孔结构的碳质聚合物网络具有优异容量、结合强度和吸附动力学,可能成为一种强大的富集工具。

2012年,Liu等[31]系统地评估了CTFs材料对芳香类化合物的吸附性质和影响因素。独特的刚性,均一的CTFs框架纳米多孔结构使其成为各种芳香族有机污染物的优良吸附剂,具有高吸附能力、快速吸附/解吸动力学和完全吸附可逆性。吸附过程涉及疏水作用、氢键作用(氨基和羟基取代物)、静电相互作用(阴阳离子化合物)和π-π电子给/受相互作用。此外,通过精确调节孔道尺寸和通过功能化CTFs的孔表面,可以实现高吸附选择性。研究结果表明CTFs有作为高效和选择性吸附剂的潜力,可用于许多吸附/耦合环境相关应用,如用于色谱分析和化学传感器的固定相。

图1 (a)在溶剂热条件下通过共缩合合成COF-LZU8的示意图，(b)各物质的荧光光谱和(c)逐渐加入Hg2+后分散在乙腈中的COF-LZU8的荧光滴定(λex=390 nm)[32]

Ding等[32]首次设计了硫醚官能化的荧光COF-LZU8,用于选择性感应和有效去除有毒的金属离子Hg2+。实时荧光响应显示在添加Hg2+时COF-LZU8的有效猝灭,成为Hg2+检测的有力手段(见图1)。由于腙键的高稳定性,以及COF-LZU8中硫醚基团在表面及孔道内密集分布,COF-LZU8实现了同时检测和去除有毒的Hg2+。Huang等[33]选用2,5-双(甲硫基)对苯二甲醛(BMTTPA)和TAPB合成含S的COFs用于水溶液中Hg(Ⅱ)去除。Hu等[34]报道了羟基官能化COFs后合成修饰制备3D羧基官能化COFs,羧基官能化COFs显示出高金属负载能力以及对钕(Ⅲ)的出色吸附选择性,对锶(Ⅱ)和铁(Ⅲ)离子则没有。其原因是Nd3+相对于Sr2+的有更大电荷密度,并且相对于Fe3+的离子半径较大,因此对3D-COOH-COF内的羧基活性位点具有更强的相互作用力,这将有利于解决环境方面的相关问题。

后来,Sun等[35]后合成修饰制备了具有明确中孔结构的二维共价有机骨架:首先选择2,5-二乙烯基对苯二甲醛(DVa)和TAPB亚胺缩合反应形成乙烯基官能化骨架材料(COF-V),然后在偶氮二异丁腈(AIBN)引发下引入1,2-乙二硫醇,“巯-烯点击”得到硫基螯合的COF-S-SH。通过X射线光电子能谱(XPS)、FT-IR、固态13C NMR研究和元素分析证实了硫醇和硫醚基团成功地接枝到COF-V上。Hg2+吸附研究表明,COF-S-SH对Hg2+表现出非常陡峭的吸附曲线,接近理想的I型等温线形状,因此表明COF-S-SH对Hg2+具有非常强的亲和力(每克吸附剂约1 350 mg Hg2+)。另外,COF-S-SH可以有效地将Hg2+浓度从5 ppm(5×10-6)降低到0.1 ppb(0.1×10-9),这个水平远低于饮用水中可接受的限值(2 ppb)。这种出色的饱和汞吸收能力可归因于COF-S-SH孔道表面均匀分散的大量高度亲和的硫物质,同时也揭示了COFs作为环境修复吸附剂材料构建平台的巨大潜力。

Liu等[38]成功合成了新型CTpBD,并作为电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)在线SPE的富集材料,用于各种痕量离子的测定。以BD和Tp为构筑基元,以及将Tp用二甘醇酸酐(DA)功能化修饰上羧基(-COOH),称为CTp,分别制备TpBD和CTpBD,最后取20 mg COFs填入聚四氟乙烯微柱(内径3 mm,外径15 mm,长度30 mm),两端用玻璃棉填充,防止材料损失。两种材料对比发现,CTpBD具有更好的稳定性、更好的吸附选择性和效率,吸附机理可能是由于它们的大比表面积以及COFs表面上的-COOH基团与某些金属离子的配位反应(阳离子)。而阴离子预富集效应主要归因于COFs材料大的比表面积和多孔微结构。CTpBD作为有效吸附剂在复杂样品中预富集痕量/超痕量金属离子方面显示出巨大潜力,同时提高了ICP-MS金属元素分析的灵敏度。

目前为止,从复杂的生物混合物中选择性富集痕量蛋白质或肽段对于基于质谱的蛋白质组研究是必不可少的。COFs材料具备高的热和化学稳定性、表面积大、孔结构可调以及便于后修饰等优点,可考虑将其作为富集生物分子的一种手段。Wang等[39]利用传统的金属离子亲和色谱法(IMAC),通过Ti4+和酮-烯胺基团之间的配位反应将Ti4+直接固定在TpPa-2 COF骨架中,该材料用于磷酸化肽的富集。永久孔隙度,高比表面积,良好有序的六边形2D拓扑结构和对酸、碱和沸水的强耐久性使得TpPa-2-Ti4+复合材料具有高金属离子负载密度以及优异的质量传递和富集性能。作者考察了材料的富集可行性、吸附能力、灵敏度、选择性、重复性,进而对实际样品(酪蛋白、Hela细胞、脱脂牛奶)中的磷酸化肽进行富集测试,TpPa-2-Ti4+表现出不错的效果。同时,Ma等[40]将一种亲水多孔COFs材料(TpPa)用于N-糖肽富集,表明共价有机骨架材料在糖肽富集方面具有较大潜能。

2.2 固相微萃取

固相微萃取(SPME)是以某种纤维或者材料作为载体,在其表面涂覆不同性质的固定相薄层,通过直接或顶空萃取方式,实现对样品的吸附、进样和脱附,然后进行分离分析的过程。它具有操作简单、成本低廉、携带方便等优点,因此在样品处理中得到广泛应用。

通常来说,气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术主要用来分析复杂样品中的挥发性物质。但是在分析这些类型的样品前需要预富集,将挥发物从基质中分离出来,而顶空萃取由于避免了基质对目标物的干扰,且无需有机溶剂萃取,成为分析挥发性物质的有力手段[41]。Wu等[42]开发了一种聚多巴胺(PDA)方法,将腙键连接的COFs固定在不锈钢纤维(SSF)上进行顶空固相微萃取(HS-SPME)。通过与气相色谱-电子捕获检测器(GC-ECD)偶联,纤维用于预富集拟除虫菊酯。首先考虑到COFs自身具有较强的疏水作用,原则上可以富集疏水性的拟除虫菊酯;其次COFs含有丰富的苯环和-C=N官能团,提供了强的π-π堆积作用;除此之外,拟除虫菊酯和COFs有氢键作用。这些因素使得COFs对其具有较好的富集效率。为了进一步评估自制的COFs涂覆的SSF对目标物的灵敏度和选择性,研究者对比了3种商品化萃取纤维,结果表明,COFs纤维表现出更高的萃取能力,富集因子高达307～2 327倍。随后他们[43]又利用“巯-烯点击”合成了网络交联的COFs,涂覆于纤维,预富集农药残留,并获得了不错的效果。

Wu等[44]通过机械研磨法制备得到TpBDMC,然后溶胶-凝胶的方法将COFs涂覆到经过化学刻蚀的不锈钢丝表面作为SPME纤维涂层,用来预处理氯酚(CPs)的乙酰化衍生物(见图2)。采用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用法同时测定蜂蜜和罐装黄桃样品中的7种CPs。具体操作是将涂有TpBDMC的纤维暴露于样品溶液上方的顶部空间。萃取35 min后,将纤维从小瓶中取出,然后插入GC进样口,在250 ℃下以不分流模式进行热解吸,进行GC分析。将TpBDMC的提取性能与其他纤维(溶剂热制备的TpBD(TpBDST)、三甲氧硅烷纤维(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))的提取性能进行比较,显示出更好的SPME效率。并且,将其用于确定4种食品样品中的7种CPs,表明该方法具有良好的准确性和精确性。

图2 TpBDMC的纤维制备和应用示意图[44]

Liu等[45]采用改良的溶剂热方法合成TpPa-1,将经过处理的不锈钢丝插入硅胶中立即取出,然后外面包裹上COFs粉末立即取出,空气中干燥12 h,最后将涂有TpPa-1的不锈钢丝组装成5 μL GC进样针。与常用的商业涂料相比,多孔TpPa-1涂层纤维对芳香多溴联苯醚的富集能力显著高于PDMS(5.2～7.1倍)和DVB/碳分子筛(CAR)/PDMS(6.1～21.1倍)。为了评估建立的浓缩方法的实际样可行性,分析从地下水、饮用水和池塘水中排放的多溴联苯醚含量,获得了令人满意的回收率。

除此之外,Zhong等[46]以溶胶凝胶的方式引入CTF-1,制备了PDMS/CTFs涂覆的搅拌棒,用于直接吸附萃取水样中的8种苯酚,萃取后的样品用HPLC紫外检测器进行检测,实验探讨了萃取时间、pH、离子强度等影响萃取效率的因素。在最优条件下,检测限范围0.08～0.30 μg/L,日间相对标准偏差在4.3%～9.4%范围内,富集因子可达64.9～145.6。相比于商业的涂覆搅拌棒PDMS/Gerstel和PEG/Gerstel, PDMS/CTFs表现出更好的萃取效率,可能是由于CTFs材料的疏水作用、π-π共价和分子间氢键作用。

2.3 磁性固相萃取

2.3.1环境污染物应用

Zhang等[49]选用1,4-二氰基苯和FeCl3·6H2O作为复合对象,ZnCl2作为催化剂,微波辅助法首次合成了CTF/Fe2O3复合物,实验以甲基橙(MO)作为模型污染物来证明复合物的吸附行为,用朗缪尔吸附模型拟合吸附曲线,表明材料对MO吸附能力可达291 mg/g,且具有快的吸附行为(二级吸附速率常数k2=4.31 m2/(mg·min))。He等[50]受到满天星花束的启发,设计了一种新型花束状的磁性TpPa-1,由核-壳磁性“花”和多孔“树干”通过共价连接组成花束。花束形磁性TpPa-1与单核壳结构相比具有显著的富集能力,归因于较高比例的TpPa-1,即较多的吸附位点。由于TpPa-1富有较多N、O元素和大的π-π骨架,可以用来萃取包含苯环、氨基、羟基基团的目标有机物,最后,选用6种多环芳烃(PAHs)为目标物进行萃取实验,对吸附剂用量、样品体积、pH、离子强度、抗腐殖酸干扰能力等进行评估优化,结果表明,萃取过程中该材料不受pH影响,且具有良好的耐盐性、抗干扰能力。该方法成功应用于实际水样(自来水、湖水、河水)中PAHs的浓度分析。

Li等[51]采用两步法合成核-壳结构磁性Fe3O4@COF-TpBD,具体为将Fe3O4、四氢呋喃(THF)和BD混合,超声10 min后50 ℃下搅拌回流30 min,然后以400 μL/min的速率加入Tp继续回流12 h,干燥后可得该材料。而后对该方法在实际样品中提取PAHs的潜在应用进行评估,实际样包括熏猪肉、野生鱼类、烤鱼、烟熏培根、咖啡和水。实验发现,咖啡中只检测到菲,烟熏培根中检出0.001～0.006 μg/kg范围的6种PAHs。另外在烟熏猪肉中分别检测到质量浓度为5.24 μg/kg的芴和2.82 μg/kg的苯并芘,其他样品也有检测到不同种类/浓度的PAHs,证明了该材料在复杂食物样品中痕量PAHs分析中具有良好的富集效率和应用。

我们课题组[52-54]还将这种核壳结构的Fe3O4@COFs应用于磁性固相萃取人血清中双酚化合物、尿样中痕量雌激素和污水中氯化抗菌剂。采用“一锅法”将Tb、BD和Fe3O4在二甲基亚砜(DMSO)溶液中超声混合,加入催化剂超声搅拌5 min,温育10 min得到Fe3O4@TbBD复合物[53]。实验建立的方法在0.005～10 μg/L范围内线性关系良好(r>0.997 8),检出限低(0.2～7.7 ng/L,S/N=3),定量限低(0.6～25.6 ng/L,S/N=10),浓缩因子高(75～197倍),相对标准偏差(RSD)良好,日间RSD低于4.8%,日间RSD为6.7%。该方法成功应用于孕妇尿样中痕量雌激素的分析,回收率较高(80.6%～111.6%),证明了Fe3O4@TbBD作为样品预处理中的吸附剂具有良好的应用前景。

三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)目前已被广泛用于个人护理用品,已经对环境和人类健康问题造成了较大的影响。针对这一问题,Li等[54]报道了一种原位生长策略,在Fe3O4表面包覆COFs壳层,通过一系列表征证明COFs合成及成功包覆,同时对吸附条件(吸附剂用量、pH、离子强度、洗脱溶剂等)进行优化。在最优条件下检测实际样胎牛血清(FBS)加标的TCS和TCC,表明材料具有较好的萃取效率。考虑到Fe3O4@COFs具有制备简单、操作简单、易于吸脱附、吸附效率高等优点,可以考虑其作为环境污水中氯化抗菌剂的分离和富集,有利于废水的资源化利用。

Li等[55]发展了一种单体介导的原位生长法,制备核壳Fe3O4@TpBD纳米球,用于水样中双酚类化合物的磁性固相萃取。研究发现,在5 min内即可实现吸附平衡,1 min实现快速洗脱,以及Fe3O4@TpBD对双酚A(BPA)和双酚AF(BPAF)具有快的吸附行为、大的吸附容量和良好的重复利用性。Yan等[56]制备了一种亲水磁性复合物Fe3O4@PDA@TbBD, PDA中间层赋予新制备的磁性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。实验结果发现Fe3O4@PDA@TbBD纳米球具有极高的灵敏度和良好的邻苯二甲酸酯(PAE)检测可靠性。特别是在实际样品(人血浆)分析中,检测到9种PAE。

2.3.2生物分析应用

从蛋白质组学领域开始,在复杂的生物样本中高效、有选择地捕获蛋白质/肽段,以便早期诊断各种疾病,这是一个极具吸引力和关键性的课题。由于COFs的良好性能,其可能是捕获生物分子的潜在候选材料。然而直接使用COFs存在几个缺点:耗时、繁琐的离心吸脱附,以及单一COFs材料对生物分子的亲和力相对较低,大大降低捕获效率。因此,具有强磁响应和亲和力的COFs官能化复合物的制备对于快速分离和高度选择性捕获蛋白质/肽段是必不可少的。

Wang等[57]通过在磁性石墨烯(MagG)纳米颗粒的表面上组装COF-5来合成新型共价有机骨架功能化磁性石墨烯生物复合材料(MagG@COF-5),用于有效识别N-连接的糖肽。由于COFs配体和石墨烯之间强烈的π-π相互作用,以及COFs的自组装性质,通过水热反应即可将COF-5成功地涂覆在磁性石墨烯表面。磁性石墨烯复合材料独特的π-π电子结构和强磁性能不仅提供了与目标物相互作用的亲和位点,增强了COFs层的吸附力,而且便于快速方便地分离。同时,由于材料孔径为1.8 nm, COF-5涂层具有较好的排阻效应,可从复杂的生物样品中排除大尺寸的干扰物(蛋白质),这极大地提高了复合材料的实际能力。因此,亲水性多孔MagG@COF-5生物复合材料具有强磁性、高比表面积、尺寸排阻效应等优点,在人血清中显示出高水平的N-连接糖肽识别效率(超低样品体积:1 μL),检测到来自85种糖蛋白的232个N-连接的糖肽。

Wang等[58]将Fe3O4、Tp和1,4-二氨基苯(Pa-1)均匀混合,利用溶剂热法180 ℃反应48 h,洗涤干燥得到Fe3O4@TpPa-1。实验结果表明,人体IgG酶解液经过富集后,可以检测到37条糖肽,检出限低至28 fmol。该材料也被用于实际复杂样品中的糖肽分析,在3个独立的重复实验中,可以从人血清酶解液中检测到对应于114种糖蛋白的228种糖肽,这比商品化的HILIC材料具有更高的性能。材料自身丰富的氨基末端和富氮骨架使其在糖肽富集方面表现出较大优势。

我们课题组在磁性固相萃取生物分子方面也做了相关研究,并取得了一定的成果。Lin等[59]以TAPB和对苯二甲醛(TPA)为COFs构筑基元,Fe3O4为磁核,开发了一种室温合成方法,制备了核-壳结构Fe3O4@COFs, 5 min即可形成。由于所制备的Fe3O4@COFs具有制备简单、孔径均一、磁响应强、化学稳定性好、比表面积大等特点,因此,对其富集肽段的可行性和蛋白质的尺寸排阻效应进行考察,而后通过分析掺有25 μg/mL的肽段FGFGF的50倍稀释的人血清,进一步证明了材料对实际样品的应用效果。人血清基本上由高相对分子质量的白蛋白、球蛋白和脂质等组成,血清中的这些高丰度蛋白质严重阻碍了低丰度肽的检测。通过使用Fe3O4@COFs作为吸附剂,几乎完全从混合物中富集到FGFGF(见图3)。然而,这些未知蛋白质在7～11 min内的其余部分的色谱峰值强度几乎没有变化,这意味着这些未知蛋白质未被Fe3O4@COFs捕获。同样,洗脱后可回收约67%的FGFGF,再次证明了Fe3O4@COFs对疏水性肽的高选择性和富集效率。

图3 (a)Fe3O4@COFs处理之前和之后分离FGFGF和GGFGG; (b)Fe3O4@COFs处理之前和之后分离FGFGF、胰岛素和Lyz[59]

随后,Gao等[60]又开发了一种新型磁性材料Fe3O4@TbBD,一系列表征显示材料分散性好、稳定性高、磁响应好。选用4种代表性肽段(FGFGF、GGFGG、YGGFM、YGGFL)研究Fe3O4@TbBD纳米球的吸附行为,吸附等温线和吸附动力学表明,材料对FGFGF具有较好的吸附选择性和快的吸附行为。为了更好地评估吸附剂的绝对选择性,将0.5 ng/μL的FGFGF掺入100倍稀释的人血清中作为混合物溶液,并使用直接Q-TOF/MS方法进一步分析,证明了Fe3O4@TbBD纳米球对疏水性肽的优异选择性和高效率。

蛋白质磷酸化在调节多种生物过程和多种疾病的参与中起到重要作用。目前,高分辨质谱以其高灵敏度和快速的序列检测成为识别蛋白质/肽磷酸化的最有力工具。然而,低电离效率、高丰度非磷酸化肽的信号抑制等极大地限制了它在分析磷酸化肽中的直接应用[61]。因此,从复杂的生物样品中富集磷酸化蛋白质/肽段显得尤为重要。于是我们[62]利用磷酸化肽的亲和富集原理,对COFs进行后合成修饰固载Zr4+,制备得到MCNC@COF@Zr4+复合物。由于COFs比表面积大,可修饰的羟基位点较多,有利于Zr4+固载作为富集磷酸化肽的活性位点。经过评估,材料对磷酸化肽和非磷酸化肽的饱和吸附容量分别为46.48和5.1 mg/g,且对于100 μg/mL的β-酪蛋白酶解液,富集后可以检测到3条磷酸化肽(未富集时检测到1条),检测限低至10 fmol;牛血清白蛋白(BSA)和β-酪蛋白(摩尔比200∶1)混合物酶解液中可以检测到6条,以上结果表明这种固载Zr4+的大比表面积规则介孔结构对磷酸化肽具有较强的亲和作用和富集选择性(见图4)。同时,材料对复杂的实际样品酶解液中磷酸化肽的富集同样表现出不错的效果,说明其在蛋白质组学相关领域具有较好的潜在利用性。

图4 β-酪蛋白的胰蛋白酶酶解液MALDI-TOF质谱图[62]

2.4 其他固相萃取

Li等[63]使用合成的多孔共价有机骨架官能化的聚(苯乙烯-二乙烯基苯-缩水甘油基甲基丙烯酸酯)复合物(COF@PS-GMA),在注射器内固相萃取水样中的非甾体抗炎药(NSAID),无需进一步的净化程序,结合超高效液相色谱和紫外检测器测定环境水样中的7种NSAIDs。Yan等[64]提出了一种将COFs结合到聚丙烯腈(PAN)电纺纳米纤维中的方法,以移液管尖端固相萃取(PT-SPE)方式萃取肉类样品中的磺胺类药物(SAs)。在分析SAs时,表现出回收率高、LOD低、精密度高的特点。

3 结论与展望

综上所述,COFs材料由于可供选择的构筑基元和合成方法多样,形成的材料多样化,以及孔径可调、可功能化修饰、优良的物理/化学稳定性、永久孔隙率等优点,使其在样品前处理应用方面成为一种优良的吸附材料。比如利用S和金属的亲和作用,设计含有丰富硫元素的COFs去除水样中有毒金属离子;另外,COFs丰富的苯环及其他官能团,提供了强的π-π堆积作用,可实现多种环境污染物富集;也解决了目前复杂样品中富集生物分子时存在的难题。同时,COFs材料与多种固相萃取方式相结合,特别能突显其在样品处理方面的优势。但是也存在一些挑战:(1)从已报道的研究来看,COFs复合材料的吸附选择性有待提高;(2)目前,COFs材料的形式多为不规则堆积,可设计合成管状、片层等,拓展其应用方向;(3)现有某些合成方法费时、成本高。因此,需要开发制备简单、选择性好、萃取效率高的COFs材料,以便在样品前处理及其他方面有更好的应用。