磁性有機(jī)骨架材料在生物樣品前處理中的應(yīng)用進(jìn)展

傅寅旭，費(fèi)鑫楊，張 俊，牛家樂，潘迦明，諸葛黔，王 旭

(杭州醫(yī)學(xué)院 檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

1 概述

生物樣品的前處理環(huán)節(jié)是樣品分析最為關(guān)鍵的一步，直接影響著痕量分析方法學(xué)的靈敏度、可靠性、分析速度和選擇性[1]，由于生物樣品的成分極其復(fù)雜且含量較低，故在分析前還要進(jìn)行待測(cè)組分的分離、純化及富集，以使得待測(cè)組分的純度和濃度可達(dá)檢測(cè)要求[2]，合適的前處理技術(shù)可以真實(shí)、準(zhǔn)確反應(yīng)待測(cè)組分在生物體內(nèi)的規(guī)律。

在不同的樣品前處理提取技術(shù)中，固相萃取(Solid phase extraction，SPE)由于其操作簡(jiǎn)單、分析物預(yù)富集因子高、吸附劑可重復(fù)使用、使用有機(jī)溶劑體積少等優(yōu)點(diǎn)，在各種萃取技術(shù)中得到了廣泛的認(rèn)可[3]，相較于液液萃取(liquid-liquid extraction，LLE)，SPE具有有機(jī)溶劑用量少、回收率高、耗時(shí)少等優(yōu)勢(shì)[4]。選擇合適的吸附劑對(duì)于提高SPE的選擇性、吸附能力和效率都至關(guān)重要，然而，顆粒尺寸小、填充形式非球形吸附劑的使用將會(huì)導(dǎo)致高背壓，從而阻礙了固相萃取過程[5]。磁性固相萃取(magnetic solid-phase extraction，MSPE)是經(jīng)典固相萃取(SPE)的一種替代方法[6]，MSPE是一項(xiàng)以磁性或可磁化的材料作為吸附劑基質(zhì)的一種固相萃取技術(shù)，憑借吸附劑的超順磁性，在外界磁場(chǎng)作用下即可實(shí)現(xiàn)吸附劑與樣品溶液的分離，具有操作簡(jiǎn)單、快速、兼容性好、富集率高、選擇性好等諸多優(yōu)勢(shì)，從而避免了吸附劑填料、高背壓或填料堵塞等的問題[7]。因此，選擇合適的磁性吸附劑對(duì)于提高M(jìn)SPE的選擇性、吸附能力和效率都至關(guān)重要，近年來(lái)，不少研究都致力于為MSPE引入新型磁性吸附劑。

近年來(lái)，越來(lái)越多的有機(jī)多孔框架材料(porous organic frameworks，POFs)應(yīng)運(yùn)而生，特別是金屬-有機(jī)骨架材料(metal-organic frameworks，MOFs)和共價(jià)-有機(jī)骨架材料(covalent-organic frameworks，COFs)的研究領(lǐng)域快速發(fā)展，引起了專家學(xué)者的高度關(guān)注。MOFs由金屬離子和有機(jī)配體構(gòu)成，由于其具有比表面積高、孔隙率大、熱穩(wěn)定性好和功能多樣化等特點(diǎn)，在環(huán)境和生物樣品的富集、分析等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[8-10]。作為另一類新型多孔材料，COFs具有晶體密度低、比表面積大、孔隙率高、孔徑可調(diào)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[11]，作為新型吸附劑受到廣泛關(guān)注[12-14]?；贛OFs和COFs化學(xué)活性高、易于進(jìn)行孔道修飾的特性，發(fā)展出磁性MOFs和COFs復(fù)合材料作為MSPE的新型吸附劑，新型磁性復(fù)合材料結(jié)合了各組分的優(yōu)越性能，彌補(bǔ)了常規(guī)SPE的缺陷，推動(dòng)了MSPE的發(fā)展，展現(xiàn)出更突出的理化性能和更廣闊的應(yīng)用前景[15-19]。本文介紹了磁性MOFs和COFs在MSPE中的開發(fā)和應(yīng)用，同時(shí)著重對(duì)磁性MOFs和COFs作為生物樣品前處理中吸附劑的應(yīng)用作簡(jiǎn)要評(píng)述與展望。

2 磁性MOFs作為吸附劑在生物樣品前處理中的應(yīng)用

金屬有機(jī)骨架(Metal organic frameworks，MOFs)材料是近幾年涌現(xiàn)出的一類新型多功能多孔材料，以金屬離子或金屬簇為配位中心，與含氧或氮的有機(jī)配體通過配位作用形成多孔骨架結(jié)構(gòu)[20-21]。MOFs可和不同功能材料如高分子聚合物、碳基材料、磁性材料等組裝復(fù)合得到功能化MOFs，其中，隨著磁性納米粒子(如Fe3O4、γ-Fe3O2以及NiO等)近年來(lái)的不斷研究深入，因其具有良好的分散性以及磁感應(yīng)性，不少研究人員以 MOFs 為前體經(jīng)直接磁化[22]、原位生長(zhǎng)[23]、一步涂層[24-25]、惰性氣體環(huán)境下磁化[26]、層層自組裝[27-28]等一系列方法磁化，將 MOFs的優(yōu)異性能與磁性納米離子的磁分離特性結(jié)合起來(lái)，磁性 MOFs復(fù)合材料成為MSPE中的高性能分離吸附劑，可在外加磁場(chǎng)的作用下可進(jìn)行有效分離，因其具有選擇性吸附分離能力和良好的富集能力，磁性MOFs復(fù)合材料在生物樣品前處理方面的應(yīng)用引起了研究者們的極大興趣和廣泛關(guān)注。

Wang 等[29]將 Zn-MOF 嫁接在磁性石墨烯的表面制備出生物相容復(fù)合材料MG@ Zn-MOFs。MG @ Zn-MOFs可特異性識(shí)別糖肽，因其具有磁響應(yīng)性強(qiáng)、比表面積大、生物相容性好、獨(dú)特的尺寸排除效應(yīng)等特點(diǎn)，可作為MSPE的優(yōu)質(zhì)吸附劑，在人血清中成功分離出517種獨(dú)特的N-糖肽和151種特征性糖蛋白，該方法對(duì)糖肽表現(xiàn)出優(yōu)異的敏感性、選擇性和良好的可回收性，具有廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。

Zou等[30]采用室溫法制備了磁性Fe3O4@ZIF-8核-殼納米材料(MNPs)，作為MSPE中的分離吸附劑，聯(lián)用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法(HG-AFS)，成功提取、測(cè)定尿液中的無(wú)機(jī)砷，F(xiàn)e3O4@ZIF-8具有較低的檢測(cè)限(3 ng/L)，良好的靈敏度，消除了尿液基質(zhì)可能帶來(lái)的干擾。

Dargahi R等[31]首先利用反應(yīng)釜制備得到MIL-101(Cr)，通過Fe3O4納米材料的修飾，制備得到Fe3O4@MIL-101(Cr)復(fù)合材料，優(yōu)化了MSPE的萃取效率，成功從人血漿中分離得到五種鄰苯二甲酸酯，在最優(yōu)條件下檢測(cè)極限和線性動(dòng)態(tài)范圍分別為0.08～0.15 μg/L和0.5～200 μg/L，日內(nèi)RSD%和日間RSD%分別為2.5%～9.5%和4.6%～10.4%。

Suling Zhang等[32]采用一種新型的磁鐵礦(Fe3O4)粒子原位溶膠-熱合成方法，制備出Fe3O4/MIL-101復(fù)合材料。將其作為磁性固相萃取的吸附劑成功從尿液中提取出六種有機(jī)磷農(nóng)藥(OPPs)，并對(duì)其進(jìn)行了氣相色譜分析。該方法檢測(cè)限低(0.21～2.28 ng/mL)，線性度廣，精密度好，能有效消除毛發(fā)或尿液產(chǎn)生的基質(zhì)干擾，加標(biāo)樣品回收率分別為76.8%～94.5%和74.9%～92.1%，說明Fe3O4/MIL-101吸附劑用于生物樣品中痕量分析是可行的。

Xie等[33]制備了一種超親水金屬有機(jī)框架功能化磁性納米材料Fe3O4@PDA@ Zr-SO3H，具有高親水性、高表面積和強(qiáng)磁性等性能，對(duì)N-糖肽的富集具有優(yōu)異的靈敏性和特異性，并且成功從健康人血清中分離出177種N-糖肽，分別屬于85種糖蛋白。

Ma R等[34]通過直接碳化法制備了一種含鐵多孔炭材料(MIL-53-C)。以MIL-53-C為磁性固相萃取吸附劑，建立了一種簡(jiǎn)便、高效的從人體尿液樣品中提取甲基睪酮，丙酸睪酮，南酮酮三種激素的磁性固相萃取方法，并對(duì)其進(jìn)行高效液相色譜紫外檢測(cè)。該方法對(duì)人體尿液樣品的線性響應(yīng)分別為0.02～100 ng/mL和0.5～100 ng/mL。分析物的檢出限(S/N=3)，人尿樣為0.1～0.3 ng/mL。分析物的定量限(S/N = 10)分別為0.015～0.030 ng/mL和0.3～0.9 ng/mL。

Wei JP 等[35]采用溶劑熱法原位合成磁性復(fù)合材料 Fe3O4-COOH@MIL-101，該復(fù)合材料結(jié)合了對(duì)苯二甲酸鉻(III)和羧基功能化磁鐵礦(Fe3O4-COOH)粒子的優(yōu)異性能，具有高效的多肽富集性能和磁性反應(yīng)性，作為磁性固相萃取材料成功應(yīng)用于細(xì)菌裂解物中蛋白生物標(biāo)志物的選擇性富集，從而實(shí)現(xiàn)在菌株水平鑒別兩種大腸桿菌。同時(shí)，Wei JP課題組[36]還制備出 Fe3O4@C@MIL-100復(fù)合材料，有尺寸選擇性吸附性能，為低豐度多肽的富集提供了一種快速方便的方法，采用2型糖尿病患者(T2DM)的血清蛋白為樣品，利用微波輔助甲酸裂解進(jìn)行特異性消化的天門冬氨酸殘留的血清蛋白，然后以磁性 MIL-100復(fù)合材料作為磁性固相萃取材料選擇富集甲酸水解多肽，該方法共檢測(cè)到46個(gè)血清蛋白，其在血清中對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度為 0.5～10000 mg/L，整個(gè)檢測(cè)過程不超過60 min，最后利用 ClinProTools 軟件提取了17個(gè)T2DM的蛋白生物標(biāo)志物，值得注意的是，T2DM與健康人血清消化的質(zhì)量指紋圖譜是可區(qū)分的，這表明該技術(shù)對(duì)T2DM的診斷和快速生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

上述研究通過將MOFs的優(yōu)異性能與Fe3O4的磁分離特性相結(jié)合，磁性MOFs作為MSPE的高性能分離吸附劑得到應(yīng)用，并且在生物樣品的前處理中具有廣泛應(yīng)用前景。MOFs及其復(fù)合材料在樣品前處理領(lǐng)域已經(jīng)獲得諸多進(jìn)展，雖然已有部分MOFs順利應(yīng)用于MSPE，但仍有大量MOFs作為MSPE潛在的優(yōu)良磁性吸附劑未得到開發(fā)，磁性MOFs仍有不少應(yīng)用潛質(zhì)亟需研究人員們深入探索[15]。

3 磁性COFs作為吸附劑在生物樣品前處理中的應(yīng)用

共價(jià)有機(jī)骨架(covalent organic frameworks，COFs) 材料是一類由H、O、C、N、B、Si等輕質(zhì)元素通過共價(jià)鍵連接的有序結(jié)晶多孔聚合材料，2005 年由 Yaghi 課題組首次報(bào)道[37]。COFs 具有比表面積大、密度低、種類和性質(zhì)多樣、孔隙度高、熱和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在光電子器件[38]、催化[39-40]、儲(chǔ)氣[41]、傳感[42]、色譜分離[43]和氣體吸附[44-45]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，當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了許多合成COFs的方法，例如溶劑熱合成法[37,46-47]、微波合成法[48-49]、離子熱合成法[50-51]、機(jī)械化學(xué)合成法[52]、室溫合成法[53-54]等。通過對(duì)磁性Fe3O4進(jìn)行改性能夠使其結(jié)合不同種類 COFs，所合成的磁性 COFs的形貌也存在著差異，其中磁性材料中核-殼結(jié)構(gòu)是較為經(jīng)典的結(jié)構(gòu)，通常采用溶劑熱的方法合成納米磁性Fe3O4作為中心核，采用該方法合成的磁性Fe3O4納米微球與COFs結(jié)合生成了核-殼結(jié)構(gòu)的磁共價(jià)有機(jī)骨架 (Fe3O4@COFs)。Fe3O4@ COFs結(jié)合了COFs高孔隙度，化學(xué)穩(wěn)定性和選擇性的優(yōu)點(diǎn)和磁性Fe3O4的高磁性的特性，使得Fe3O4@COFs能夠從復(fù)雜生物樣品中與被吸附目標(biāo)物充分接觸，從而成為MSPE的理想吸附材料，從而使得生物樣品前處理更為高效。

Lei Chen等[17]利用不同的核-殼結(jié)構(gòu)磁性COF納米復(fù)合材料(TAPB和TPA作為兩種配體)來(lái)測(cè)定人血清樣品中的微量雙酚(BPs)，制備的Fe3O4@COF納米復(fù)合材料具有高比表面積(181.36 m2/g)、強(qiáng)烈的磁性反應(yīng)(42.7 emu/g)、孔隙大小分布窄(～3.6 nm)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的吸附劑，具有優(yōu)異的吸附能力。

Lin G等[53]采用室溫法快速合成(<5 min)的磁性Fe3O4納米微球與1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和對(duì)苯二甲醛結(jié)合生成了核-殼結(jié)構(gòu)的磁共價(jià)有機(jī)骨架(Fe3O4@COFs)，F(xiàn)e3O4@COFs具有高孔隙率、磁性反應(yīng)性、化學(xué)穩(wěn)定性和選擇性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)兩個(gè)具有相近相對(duì)分子質(zhì)量和尺寸但不同極性和芳環(huán)數(shù)目的多肽進(jìn)行吸附，結(jié)果表明，磁性Fe3O4@COFs復(fù)合材料對(duì)芳環(huán)數(shù)目較多的肽具有良好的萃取效率。

Wang 等[55]采用兩步溶劑熱法制備了超順磁性海膽狀的Fe3O4@TpPa-1復(fù)合材料用于富集糖肽，其用于MSPE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(cè)出 37和 22個(gè)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(gè)，F(xiàn)e3O4@TpPa-1顯示出良好的糖蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用潛力。

Chaohong Gao等[54]以Fe3O4納米顆粒(NPs)為磁芯，以1,3,5-三甲苯(1,3,5-triformylbenzene，簡(jiǎn)稱Tb)和聯(lián)苯胺(benzidine，簡(jiǎn)稱Bd)為構(gòu)建體，在二甲基亞砜(DMSO)的存在下，室溫下合成核-殼結(jié)構(gòu)磁性共價(jià)有機(jī)骨架復(fù)合納米球Fe3O4@TbBd，表現(xiàn)出高吸附容量(28.5 mg/g)，快速吸附動(dòng)力學(xué)(< 5 min)和良好的可重用性肽(>30次)，由于其特定的高比表面積(196.21 m2/g)，大孔隙體積(0.63 cm3/g)，孔隙大小分布窄(～2.8 nm)，強(qiáng)烈的磁性反應(yīng)(41.5 emu/g)，以及熱化學(xué)穩(wěn)定性好。Fe3O4@TbBd在高富集蛋白存在的情況下，應(yīng)用于MSPE與HPLC-Q-TOF/MS 結(jié)合可以從5 μg/L的人血清消解液中富集到了29種多肽。Chen Lei等[56]合成了磁性COF納米磁珠Fe3O4@TbBd，使其作為磁性固相萃取吸附劑成功選擇和分離尿樣中雌激素，對(duì)于孕婦尿液樣品中微量雌激素的回收率達(dá)80.6%～111.6%，證實(shí)了 Fe3O4@TbBd材料作為吸附劑在生物樣品前處理中的應(yīng)用前景。

但有些COFs難以通過化合價(jià)與磁性Fe3O4直接相連，需要由1,6-己二胺[14,57]、聚乙烯亞胺(1,4-dioxane，polyethyleneimine，簡(jiǎn)稱PEI)[47]等化合物作為連接橋梁進(jìn)行構(gòu)建磁性共價(jià)有機(jī)骨架材料。Chen Y等[18]通過聚多巴胺官能化的方法，利用聚多巴胺修飾層連接COF-1與磁性Fe3O4，合成得到的磁性Fe3O4-COF-1作為MSPE的吸附劑，富集效果好，凈化能力強(qiáng)，與高效液相色譜聯(lián)用成功從大鼠血漿樣品中高效提取紫杉醇，線性范圍0.1～200 ng/mL，檢出限較低，為0.02 ng/mL，回收率為99.4%～103.7%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差小于2.3%。

上述研究雖然初步揭示了磁性COFs材料作為MSPE的吸附劑具有良好的應(yīng)用前景，相較于現(xiàn)有的富集分離材料，磁性COFs可在一定程度上簡(jiǎn)化MSPE的步驟、縮短時(shí)間，延伸了COFs在復(fù)雜生物樣品前處理中的實(shí)際應(yīng)用[58]。但相對(duì)于數(shù)量龐大的COFs而言，僅有少數(shù)COFs成功被賦予磁性且順利用于生物樣品的前處理中，當(dāng)前磁性COFs的合成方法仍具有較大局限性，耗時(shí)費(fèi)力高成本的方法也在一定程度上限制了磁性COFs的在生物樣品中的實(shí)際高效利用。

4 展望

由于生物樣品中成分極其復(fù)雜且待測(cè)組分的含量較低，故在分析前還要進(jìn)行待測(cè)組分的分離、純化及富集等前處理操作，以使得待測(cè)組分的純度和濃度可達(dá)檢測(cè)要求。因此，研究和開發(fā)簡(jiǎn)單、快速、高效的提取技術(shù)是非常有必要的。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，磁性MOFs和磁性COFs因其具有獨(dú)特的特點(diǎn)，被認(rèn)為是MSPE中一類潛在的極佳吸附劑，本文綜述了磁性MOFs和磁性COFs的合成方法，總結(jié)了磁性MOFs和磁性COFs作為MSPE的新型高效吸附劑在多種目標(biāo)分析物中的應(yīng)用。結(jié)果表明，磁性MOFs和磁性COFs是兩類理想的樣品前處理吸附劑。然而，磁性MOFs和磁性COFs在樣品預(yù)處理中作為吸附劑仍存在許多缺陷，例如，有些磁性MOFs和磁性COFs的制備過程比較繁瑣，在溶劑或水中的穩(wěn)定性較差，在樣品預(yù)處理中受到一定的限制，所以研制制備簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好且高效的磁性MOFs和磁性COFs仍是目前研究中的難點(diǎn)；磁性MOFs和磁性COFs與各類分析方法的兼容性需要引起關(guān)注，以期能夠設(shè)計(jì)出更為高效的方法來(lái)更容易和更有效地完成復(fù)雜生物樣品的分析和檢測(cè)。

因此，在未來(lái)仍需大量研究致力于合成新的具有良好功能結(jié)構(gòu)、強(qiáng)親水性、強(qiáng)吸附能力、高選擇性的磁性MOFs和磁性COFs。我們期望能構(gòu)建更強(qiáng)大和多功能的磁性MOFs和磁性COFs，進(jìn)一步拓展MSPE在生物樣品前處理中的應(yīng)用。