共價-有機骨架材料在色譜及樣品預(yù)處理中的應(yīng)用

楊成雄， 嚴秀平

(1．南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院分析科學(xué)研究中心，天津300071;2．江南大學(xué)食品學(xué)院分析食品安全學(xué)研究所，江蘇無錫214122)

共價-有機骨架(covalent-organic frameworks，COFs)材料是一類由 C、H、O、N、B 等輕質(zhì)元素通過共價鍵連接的多孔材料，2005年由Yaghi課題組［1］首次報道。COFs具有比表面積大、密度小、種類和性質(zhì)多樣、孔尺寸可調(diào)、熱和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點［2－4］，在氣體儲存［5］、催化［6］、傳感［7］、藥物傳輸［8］和吸附［9］等領(lǐng)域得到了廣泛研究。COFs特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能也已在分析化學(xué)中顯示出良好的應(yīng)用潛力［10］，尤其是 COFs 在色譜分離［11－20］和樣品預(yù)處理［20－38］中的應(yīng)用。本文對近年來 COFs在色譜和樣品預(yù)處理中的研究進展進行評述和展望。

1 COFs在色譜分離中的應(yīng)用

1．1 氣相色譜

COFs具有比表面積大、熱穩(wěn)定性好和孔道規(guī)則有序的優(yōu)點，有望用做氣相色譜(GC)固定相。然而，現(xiàn)有的COFs合成方法苛刻、反應(yīng)時間長、需要高溫或高壓。Yang等［11］采用室溫溶劑攪拌法合成了形貌規(guī)則且粒徑均一、比表面積大和熱穩(wěn)定性好的COFs材料 TpBD(一種由1，3，5-三羥基均苯三醛(Tp)和對苯二胺(BD)合成的COFs材料)，采取動態(tài)涂覆法制備了TpBD毛細管氣相色譜柱，成功用于高效、快速GC分離烷烴、醇、蒎烯、環(huán)己烷和苯等化合物。麥氏常數(shù)測試結(jié)果表明TpBD是一種強極性固定相，發(fā)現(xiàn)了目標物與TpBD的范德華作用力、π-π以及氫鍵相互作用等多重分離機理，揭示了COFs用于GC的良好應(yīng)用前景。

手性COFs在手性催化和手性分離領(lǐng)域極具應(yīng)用價值，但手性 COFs合成目前仍有很大挑戰(zhàn)。Qian等［12］通過在COFs反應(yīng)單體上引入手性功能基團，采用“自下而上”法成功合成了3種手性COFs，并采用原位生長法制備了上述3種手性COFs的毛細管色譜柱用于GC手性分離。所制備的COFs手性色譜柱實現(xiàn)了手性化合物1-苯基乙醇、1-苯基-1-丙醇、檸檬烯和乳酸甲酯的高選擇性分離。熱力學(xué)測定結(jié)果表明COFs對上述手性化合物的分離均由焓變驅(qū)動。手性COFs的空間選擇性、范德華作用力、氫鍵作用力和π-π相互作用是實現(xiàn)手性分離的關(guān)鍵。該工作對手性COFs的合成以及手性COFs在手性催化及手性分離領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

1．2 高效液相色譜

COFs具有比表面積大、溶劑穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可望用做高效液相色譜(HPLC)固定相。然而，目前文獻［1－9］報道的 COFs大多為亞微米級，且粒徑分布不均勻，直接用于填裝HPLC色譜柱可能導(dǎo)致柱壓高、柱效低等問題，阻礙了其在 HPLC中的應(yīng)用。

將COFs與整體柱材料相結(jié)合制備COFs整體柱是解決上述問題的有效方法之一。Liu等［13］采用共價鍵合的方法制備了聚(TpPa-MA-co-EDMA)整體柱，用于改善分離有機小分子。所制備的聚(TpPa-MA-co-EDMA)整體柱不僅具有良好的均勻性和通透性，同時在分離多環(huán)芳烴、酚類物質(zhì)、胺類物質(zhì)、非甾體類抗炎藥物和苯并噻吩類等有機小分子方面具有較高的柱效、較好的分離度和精密度。分析物和TpPa-1之間的疏水、π-π和氫鍵相互作用是高效分離上述有機小分子的關(guān)鍵。結(jié)果表明，聚(TpPa-MA-co-EDMA)整體柱在HPLC分離有機小分子方面有良好的應(yīng)用前景，同時也展示了COFs在HPLC中的應(yīng)用潛力。

將COFs負載于球形基質(zhì)表面制備球形COFs復(fù)合材料是解決上述問題的另一有效途徑。Wang等［14］開展了以氨基修飾的球形SiO2為基質(zhì)，采用原位生長法制備單分散球形TpBD@SiO2復(fù)合材料用于HPLC的研究。通過調(diào)節(jié)COFs反應(yīng)單體Tp和BD的濃度，可控制TpBD@SiO2復(fù)合材料表面TpBD的厚度。利用中性(乙苯和甲苯、多環(huán)芳烴)、酸性(對苯二酚、對甲苯酚和對氯苯酚)和堿性等探針分子對TpBD@SiO2色譜柱的性能進行了評價，發(fā)現(xiàn)了疏水、氫鍵、π-π相互作用的多重保留機理。TpBD@SiO2復(fù)合材料可在等度和無需添加緩沖劑條件下實現(xiàn)核酸堿基、核苷和脫氧核苷的高選擇性分離。上述結(jié)果表明，球形TpBD@SiO2復(fù)合材料兼具球形SiO2良好的填充性能和TpBD良好的分離能力，是一種有應(yīng)用前景的色譜固定相。

最近，Zhao等［15］報道了將片層共價三嗪骨架(CTF)負載于腈基功能化球形SiO2表面制備CTF@SiO2復(fù)合材料用于HPLC的研究。在反相模式下利用單取代苯、多環(huán)芳烴、酸性及堿性化合物等探針分子考察了CTF@SiO2復(fù)合材料色譜柱的分離及保留機理，并對比了商品化C18色譜柱以及腈基功能化SiO2色譜柱的分離性能。CTF@SiO2復(fù)合材料中的腈基和芳香性基團是其改善HPLC分離性能的基礎(chǔ)。CTF@SiO2復(fù)合材料良好的填充性能和分離效果有望用于復(fù)雜樣品分析。

手性COFs也可負載于球形SiO2表面用于HPLC。Zhang等［16］設(shè)計并合成了一種新的腙鍵橋連手性BtaMth，所合成的手性BtaMth具有好的結(jié)晶度、高的孔隙率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。采用“一步法”制備了BtaMth@SiO2復(fù)合材料，用于HPLC分離硝基甲苯和硝基氯苯同分異構(gòu)體、β氯氰菊酯和葉菌唑順反異構(gòu)體。BtaMth@SiO2復(fù)合材料色譜柱對上述異構(gòu)體的分離性能優(yōu)于氨基SiO2色譜柱，表明BtaMth@SiO2復(fù)合物良好的異構(gòu)體分離性能及HPLC應(yīng)用潛力。

上述關(guān)于COFs的HPLC研究均基于二維(2D)COFs。最近，Han等［17］首次報道了“自下而上法”合成三維(3D)手性COFs用于HPLC手性分離的研究。所合成的3D手性COFs具有較大的比表面積和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，成功用于分離手性1-苯基-2-丙醇、1-苯基-1-戊醇、1-苯基-1-丙醇和 1-(4-溴苯基)乙醇。結(jié)果表明，手性孔道和氫鍵作用是實現(xiàn)手性分離的關(guān)鍵，同時也發(fā)現(xiàn)了該手性COFs優(yōu)異的尺寸排阻效應(yīng)，拓展了手性COFs用于手性HPLC的應(yīng)用。

1．3 毛細管電色譜

Niu等［18］首次報道了原位化學(xué)鍵合法將亞胺類COF LZU1鍵合于硅烷功能化毛細管內(nèi)壁用于開管毛細管電色譜(CEC)分離有機小分子的研究。由于LZU1的尺寸選擇性以及分析物和LZU1骨架上有機單體之間的疏水相互作用，該色譜柱可實現(xiàn)烷基苯、多環(huán)芳烴、苯胺類等探針分子的高效分離。LZU1大的比表面積及其在毛細管內(nèi)壁高的覆蓋率使得LZU1色譜柱對萘具有較高的載樣量(0.6 g/L)。分析物的日內(nèi)保留時間和峰面積的相對標準偏差(RSDs)分別為 1.4%～2.6%和 2.7%～8.7%，日間保留時間和峰面積的 RSDs分別為1.3%～3.9%和3.9%～9.7%，柱間樣品保留時間的RSDs為1.0%～3.9%，300次色譜分離樣品的保留時間RSDs為2.1%。結(jié)果表明，化學(xué)鍵合法制備的COFs色譜柱具有良好的穩(wěn)定性和CEC應(yīng)用潛力。

Bao等［19］采用聚多巴胺輔助結(jié)合層層生長的方法將多層COF-5負載于毛細管內(nèi)壁用于CEC。研究發(fā)現(xiàn)，層層生長3次的COF-5毛細管柱具有最佳的色譜分離性能和較短的制備周期。通過對比在石英和玻璃毛細管內(nèi)壁生長COF-5的方法驗證了毛細管內(nèi)壁生長COF-5的適用性，同時也指出聚多巴胺非共價和共價鍵合作用與層層生長法相結(jié)合是COF-5良好穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。所制備的COF-5毛細管柱具有高柱效(分離甲苯的柱效為1.54×105plates/m)、良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，實現(xiàn)了中性、酸性和堿性等化合物的基線分離。結(jié)果表明，通過聚多巴胺輔助的方法可以將硼酸類COFs負載于多種基質(zhì)表面，為硼酸類COFs的分析化學(xué)應(yīng)用提供了新方法。

最近，Kong等［20］通過毛細管柱內(nèi)壁功能化的醛基與反應(yīng)單體之間的席夫堿反應(yīng)，誘導(dǎo)LZU1在毛細管內(nèi)壁原位生長用于CEC。由于引入的LZU1具有良好的尺寸選擇性、疏水和氫鍵相互作用，有效改善了毛細管柱對中性化合物、氨基酸和非甾體抗炎藥物的選擇性。同時，LZU1毛細管柱具有良好的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性。

2 COFs在樣品預(yù)處理中的應(yīng)用

2．1 固相微萃取

固相微萃取(SPME)是一種集萃取、濃縮、解吸和進樣于一體的樣品預(yù)處理技術(shù)，具有使用方便、快捷、無需有機溶劑、靈敏、價廉等優(yōu)點，已廣泛用于樣品預(yù)處理。近年來，以COFs為涂層的SPME研究也已引起人們的關(guān)注［21－24］。

Zhang等［21］采用物理涂覆法制備了SCU1不銹鋼纖維，并成功用于萃取室內(nèi)的揮發(fā)性苯系物。雖然物理涂覆法是制備SPME纖維最簡便的方法之一，但其穩(wěn)定性和重現(xiàn)性有待提高。為此，Wu等［22］開展了聚多巴胺輔助法制備COFs不銹鋼纖維用于頂空萃取蔬菜和水果中的菊酯類農(nóng)藥的研究。所制備的COFs不銹鋼萃取纖維對菊酯類農(nóng)藥的選擇性和萃取效率好、富集因子高、檢出限低、重現(xiàn)性好，最終用于蔬菜和水果等實際樣品中菊酯類農(nóng)藥的檢測。目標物與COFs之間的π-π、疏水、氫鍵和分子間相互作用是高效萃取菊酯類農(nóng)藥的關(guān)鍵。

化學(xué)鍵合法也可有效提高COFs萃取纖維的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。Wang等［23］開展了共價化學(xué)交聯(lián)法制備SNW-1不銹鋼纖維用于萃取苯酚類化合物的研究。以硅烷化試劑將不銹鋼纖維表面進行氨基功能化，通過酰胺縮合反應(yīng)將SNW-1鍵合于不銹鋼纖維表面。所制備的不銹鋼萃取纖維對酚類化合物富集因子高、檢出限低、線性和重現(xiàn)性好。SNW-1對苯酚類化合物的高選擇性和富集效率源于SNW-1和苯酚類化合物之間的疏水相互作用。最近，Wu等［24］利用巰基-乙烯基 click反應(yīng)將 COFs固定于不銹鋼纖維表面，用于萃取和檢測蔬菜中的農(nóng)藥殘留?；瘜W(xué)鍵合及COFs的層狀結(jié)構(gòu)有效保證了該COFs不銹鋼纖維良好的穩(wěn)定性及較大的吸附容量。在最優(yōu)的萃取條件下，對4，4'-滴滴滴、毒死蜱等農(nóng)藥的富集因子為 2 190～10 998，檢出限為0.000 3～0.002 3 ng/kg，日內(nèi)和日間的萃取峰面積RSDs分別為3.4%～7.6%和5.7%～11.6%，回收率為78.2%～107.0%。目標物分子與COFs之間的π-π、氫鍵和分子間相互作用是高效萃取的主要影響因素。

2．2 固相萃取

2015年，Zhang等［25］率先將 COFs應(yīng)用于在線微固相萃取食物中的蘇丹染料。設(shè)計和合成了一個新的具有良好形貌和吸附性能的腙鍵連接COFs，利用其骨架強的疏水性、豐富的苯環(huán)和亞胺鍵實現(xiàn)了蘇丹類染料的高選擇性和高靈敏度富集，其富集效果優(yōu)于3種常用商品化吸附劑，最終成功用于檢測辣椒粉和香腸等實際樣品中的蘇丹染料。通過對比不同疏水性的多環(huán)芳烴(PAHs)和不同取代基萘衍生物的萃取效果證明了COFs與目標物之間的π-π、疏水和氫鍵等多重的萃取機理。

Zhong等［26］開展了凝膠-溶膠法制備聚二甲基硅氧烷(PDMS)/CTFs包覆攪拌棒用于在線固相萃取水中酚類污染物的研究。所制備的CTFs攪拌棒具有良好的重現(xiàn)性，在最優(yōu)萃取條件下對酚類污染物的檢出限為0.08～0.30 μg/L，線性范圍為0.5～500 μg/L，富集因子為 64.9～145.6，優(yōu)于商品化的PDMS和聚乙二醇(PEG)包覆的攪拌棒，成功用于檢測環(huán)境水樣中的酚類污染物，取得了較好的回收率。

上述關(guān)于COFs的固相萃取研究均集中于有機污染物，COFs還可用于在線富集環(huán)境中的金屬離子。最近，Liu等［27］報道了 CTpBD用于流動注射富集與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用檢測環(huán)境水樣和食品中的 Cr(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、V(Ⅴ)、Cu(Ⅱ)、As(Ⅲ)、Se(Ⅳ)和 Mo(Ⅵ)等多種金屬離子，并顯示出良好的穩(wěn)定性、檢出限和重現(xiàn)性。

在線固相萃取技術(shù)雖然可以大大縮短樣品分析時間、增加樣品分析通量、減少操作程序、有效提高分析結(jié)果重現(xiàn)性和實現(xiàn)樣品分析自動化，但對COFs粒徑和機械穩(wěn)定性要求較高。顆粒較細的COFs由于會產(chǎn)生較大的反壓而難以應(yīng)用于在線固相萃取。目前，具有合適粒徑和機械穩(wěn)定性的COFs并不多，因此限制了COFs在線固相萃取技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

基體分散固相萃取(MSPD)是有效避免上述問題的有效方法之一。Ma等［28］以TpPa-1為吸附劑，采用基體分散法選擇性富集N-糖肽。TpPa-1對N-糖肽具有非常高的選擇性，可以在fmol水平和非N-糖肽濃度為1 000倍的條件下實現(xiàn)人N-糖肽的選擇性富集。同時，TpPa-1良好的穩(wěn)定性、較低的密度和骨架上豐富的結(jié)合位點使其具有良好的可重復(fù)使用性和較高的吸附容量。結(jié)果表明，COFs在復(fù)雜生物樣品中具有良好的應(yīng)用潛力。

制備COFs聚合物整體柱是有效避免上述問題的另一方法。最近，Wang 等［29］和 Zhang 等［30］分別報道了COFs摻雜和COFs鍵合聚合物整體柱用于萃取人血清和尿液中苯甲酮以及食物中磺胺類和熒光增白劑的研究。

磁分離技術(shù)具有操作簡單、快速、兼容性和選擇性好等特點，將COFs與磁固相萃取結(jié)合很有吸引力。最近，Li等［31］發(fā)展了可控合成核-殼結(jié)構(gòu)磁性Fe3O4@TpBD復(fù)合材料用于高效富集和去除水中雙酚類污染物的研究。采用單體誘導(dǎo)生長法，通過控制反應(yīng)單體的濃度實現(xiàn)對磁性Fe3O4@TpBD復(fù)合材料殼層厚度的控制。由于TpBD具有強的疏水性和豐富的親水性基團，使得所制備的Fe3O4@TpBD復(fù)合材料對雙酚A和雙酚F吸附速率快、吸附容量高、易解吸。且該材料可重復(fù)使用，是一種有應(yīng)用潛力的磁固相萃取吸附劑。Wang等［32］和Chen等［33］分別報道了Fe3O4@LZU1復(fù)合材料用于磁固相萃取環(huán)境和生物樣品中的PAHs和紫杉醇的研究。

最近，Yan等［34］采用溶劑熱原位還原Ni離子的方法制備了磁性CTF/Ni復(fù)合材料用于快速磁固相萃取塑料包裝材料中的鄰苯二甲酸酯類污染物。CTF/Ni復(fù)合材料與鄰苯二甲酸酯類污染物之間較強的π-π和疏水相互作用，使其對鄰苯二甲酸酯類污染物具有很好的萃取效率。同時，磁性的引入可以快速地將目標物從基質(zhì)溶液中分離，減小基質(zhì)對萃取的影響。該方法具有分析時間短、靈敏度高、溶劑消耗少、重現(xiàn)性好等優(yōu)點，有望用于其他痕量有機污染物的分析。

上述制備磁性COFs復(fù)合材料的方法均在高溫條件下進行，同時反應(yīng)時間較長。發(fā)展室溫快速合成磁性COFs復(fù)合材料的方法很有必要。Lin等［35］報道了室溫溶劑法快速(＜5 min)制備核-殼型Fe3O4@COFs復(fù)合材料，用于富集復(fù)雜生物樣品中的多肽，同時排阻蛋白質(zhì)。對兩個具有相近相對分子質(zhì)量和尺寸但不同極性和芳環(huán)數(shù)目的多肽進行吸附，結(jié)果表明，磁性Fe3O4@COFs復(fù)合材料對芳環(huán)數(shù)目較多的肽具有良好的萃取效率。較快的吸附動力學(xué)(＜5 min)、較好的可重復(fù)利用性和化學(xué)穩(wěn)定性使其非常適合用于肽的純化。Fe3O4@COFs不但對肽具有良好的吸附性能，還可有效排阻蛋白質(zhì)，拓展了COFs在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用。He等［36］在室溫條件下通過磁性納米粒子表面的氨基誘導(dǎo)TpPa-1生長制備花束狀磁性Fe3O4@TpPa-1復(fù)合材料，用于磁固相萃取水中PAHs。TpPa-1大的比表面積以及與PAHs的π-π相互作用是高效富集PAHs的基礎(chǔ)。

最近，Gao等［37］也報道了室溫合成 Fe3O4@TbBd復(fù)合材料用于選擇性富集多肽并同時有效排阻蛋白質(zhì)的研究。Fe3O4@TbBd復(fù)合材料大的比表面積和孔體積、規(guī)則有序和疏水性的孔結(jié)構(gòu)、良好的磁分離性能、優(yōu)異的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，使其對疏水性多肽具有很好的選擇性。同時，該材料對蛋白質(zhì)具有嚴格的尺寸排阻效應(yīng)，可以用于人血清中的低豐度疏水性多肽的高效富集，并能排除高豐度蛋白質(zhì)。在5 μg/L的人血清消解液中檢測出29個疏水性多肽，明顯優(yōu)于未經(jīng)過Fe3O4@TbBd復(fù)合材料處理的方法，顯示出Fe3O4@TbBd復(fù)合材料良好的蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用前景。

蛋白質(zhì)的糖基化在許多疾病和生命過程中起著重要作用。發(fā)展高選擇性的吸附劑和高效的樣品預(yù)處理方法對蛋白質(zhì)的糖基化分析尤顯關(guān)鍵。Wang等［38］采用兩步溶劑熱法制備了海膽狀的Fe3O4@TpPa-1復(fù)合材料用于富集糖肽。所發(fā)展的磁固相萃取方法具有低檢出限(28 fmol)和高選擇性，可以在人血清免疫球蛋白G(IgG)和辣根過氧化物酶(HRP)樣品中檢測出37和22個糖肽，在人血清消解液中檢出的糖肽和糖蛋白質(zhì)數(shù)分別為228和114個，優(yōu)于商品化吸附劑，顯示出COFs良好的糖蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用潛力。

3 總結(jié)與展望

上述研究初步揭示了COFs在色譜和樣品預(yù)處理領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。然而，相對于數(shù)目龐大的COFs而言，目前僅有少數(shù)COFs用于色譜和樣品預(yù)處理的研究。為了進一步推動COFs色譜和樣品預(yù)處理的研究進展，建議今后在以下幾個方面加強研究。就COFs材料而言，現(xiàn)有COFs的合成方法苛刻、費時、成本高，部分COFs穩(wěn)定性較差而大大限制了COFs在色譜和樣品預(yù)處理領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開展綠色、簡便的COFs合成方法，合成溶劑或水穩(wěn)定的COFs將會有效促進COFs在色譜和樣品預(yù)處理領(lǐng)域的應(yīng)用進展。此外，手性COFs的研究仍處于起步階段，開展新穎手性COFs的合成及應(yīng)用研究具有重要意義。同時，3D COFs的涌現(xiàn)為COFs的色譜和樣品預(yù)處理應(yīng)用提供了更寬廣的舞臺。近年來，由COFs與其他功能材料結(jié)合形成的COFs復(fù)合材料的涌現(xiàn)，不僅大大豐富了COFs的種類和性質(zhì)，同時彌補了其中任一單一相的應(yīng)用限制，因此開展COFs復(fù)合材料的色譜和樣品預(yù)處理研究將是一個非常有前景的方向。相對現(xiàn)有的分離富集材料而言，COFs具有比表面積大、熱和溶劑穩(wěn)定性好、種類多樣、結(jié)構(gòu)和性能可設(shè)計等優(yōu)點，有望解決一些傳統(tǒng)材料難以解決的分離富集問題?？傊鳛橐活愋滦偷亩喙δ芏嗫撞牧?，COFs將在色譜和樣品預(yù)處理中得到越來越廣泛的應(yīng)用。