共價(jià)有機(jī)骨架材料的性能及其在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

劉婧怡，趙海田,，姚 磊

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086）

共價(jià)有機(jī)骨架材料（covalent organic frameworks，COFs）是一類(lèi)由有機(jī)基元通過(guò)共價(jià)鍵連接而形成的晶態(tài)有機(jī)多孔聚合物，其骨架僅由C、H、O、N、B等輕元素組成，具有很低的密度。自2005年Yaghi教授課題組于Science雜志首次報(bào)道了這種新型多孔材料[1]，COFs便因其簡(jiǎn)單的制備方法、獨(dú)特的共價(jià)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能脫穎而出，引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。

與金屬有機(jī)框架（metal organic frameworks，MOFs）結(jié)構(gòu)[2]類(lèi)似，COFs是一類(lèi)長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的多孔聚合物。COFs是由有機(jī)基元經(jīng)熱力學(xué)控制的可逆聚合而成，可以通過(guò)合成過(guò)程中的自糾錯(cuò)和自修復(fù)而得到納米尺度范圍內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)。因此，相比其他共價(jià)有機(jī)多孔聚合物如共軛微孔聚合物、自具微孔聚合物以及超交聯(lián)聚合物等無(wú)定形材料[3]，COFs具有顯著的結(jié)構(gòu)規(guī)則、孔徑均一等特性。

近十年來(lái)，COFs領(lǐng)域在開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)和新應(yīng)用等方面發(fā)展迅速，目前COFs材料已經(jīng)發(fā)展到上百種。雖然COFs材料種類(lèi)眾多，但是按照共價(jià)鍵形成的類(lèi)型區(qū)分，最常見(jiàn)的有三大類(lèi)：含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs。COFs已廣泛應(yīng)用于氣體儲(chǔ)存、催化、光電傳感、分離和藥物遞送等諸多領(lǐng)域[4]，近年來(lái)，在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域也有良好的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了COFs（含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs）的材料特性及其應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與限制，并總結(jié)分析了COFs在食品中有毒有害物質(zhì)檢測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)展，以期對(duì)COFs在食品安全檢測(cè)新技術(shù)方面的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 COFs的主要類(lèi)型及特性

一般認(rèn)為合成COFs的化學(xué)反應(yīng)必須是熱力學(xué)可逆的，因此，目前應(yīng)用于COFs合成的方法很有限，按其形成的共價(jià)鍵類(lèi)型可將其分為3 類(lèi)，包括含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs[5]。以上3 類(lèi)COFs的合成主要涉及6 種可逆反應(yīng)，如圖1所示。含硼COFs：包括硼酸三聚脫水生成硼酸酐反應(yīng)（A）、硼酸和酚類(lèi)脫水生成硼酸酯反應(yīng)（B）以及硼酸與硅烷醇生成硼硅酸鹽反應(yīng)（C）；三嗪COFs：腈基三聚環(huán)化生成共價(jià)三嗪基骨架反應(yīng)（D）；亞胺COFs：醛胺脫水縮合席夫堿反應(yīng)（E）、醛與酰肼生成腙反應(yīng)（F）。由于生成可逆共價(jià)鍵的構(gòu)建單元不同，3 種COFs合成工藝及特性也存在一定的區(qū)別。

目前，常見(jiàn)的COFs合成方法主要有：溶劑熱合成法、離子熱合成法、微波合成法以及室溫法[6]。其中以溶劑熱合成法最為普遍，其合成通常需要在密封容器內(nèi)高溫（80～120 ℃）加熱2～9 d，通過(guò)對(duì)溶劑、反應(yīng)時(shí)間、溫度、催化劑等條件的調(diào)控可以獲得不同結(jié)晶度、形貌特征、粒徑的COFs[7]。離子熱法多應(yīng)用于三嗪類(lèi)COFs，限于條件難以把握而目前應(yīng)用并不廣泛；微波合成法的最大優(yōu)勢(shì)是反應(yīng)時(shí)間短，Campbell等[8]成功應(yīng)用微波輔助制備了2D COF-5，反應(yīng)時(shí)間不到20 min；研究報(bào)道，在室溫和常壓下合成了亞胺類(lèi)COFs[9]，這為COFs材料的量化生產(chǎn)提供了可能。

圖1 COFs可逆共價(jià)鍵形成的6 種主要反應(yīng)途徑[6]Fig. 1 Six major reaction pathways for forming reversible covalent bonds of COFs[6]

1.1 含硼COFs

含硼COFs是基于硼酸或硼酸酯與其他單體（如硅烷醇、酚等）通過(guò)可逆反應(yīng)生成B—O鍵而構(gòu)建的一類(lèi)COFs材料。由于硼酸和硼酸酯的引入，含硼COFs也表現(xiàn)出各種獨(dú)特的“含硼”材料特性[10]。硼原子摻入到碳骨架中，不僅可以增加對(duì)H2的攝取，還可以降低費(fèi)米能級(jí)，提高材料的電化學(xué)性能[11]，此外，硼原子還可以有效地抑制金屬聚集[12]。因此含硼COFs可以作為優(yōu)異的儲(chǔ)氫材料，或者結(jié)合金屬原子制備超級(jí)電容材料。Deshmukh等[13]通過(guò)構(gòu)建摻雜金屬原子的含硼COFs可以將材料的儲(chǔ)氫容量提高至7.5%。Wang Ruining等[14]研究發(fā)現(xiàn)，基于硼氧六環(huán)連接構(gòu)建的COFs是半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)顯示出平帶特征，通過(guò)改變硼氧六環(huán)之間連接的苯環(huán)個(gè)數(shù)可調(diào)控帶隙，并可在較大的壓縮應(yīng)變下保持平面特征，表明含硼COFs有望成為柔性電子設(shè)備中的優(yōu)選材料[15]。

含硼COFs也具有一定的局限性，B—O鍵的鍵能較低，缺電子硼位點(diǎn)易受親核試劑（如水分子）的攻擊，導(dǎo)致其在水中不穩(wěn)定，甚至在空氣濕度較大的環(huán)境中也經(jīng)常易于水解，導(dǎo)致孔道坍塌繼而結(jié)構(gòu)被破壞，大幅限制了其應(yīng)用。針對(duì)這一局限性，學(xué)界也開(kāi)展了一系列相關(guān)研究。Lanni等[16]通過(guò)將疏水性烷基鏈引入COFs孔中構(gòu)建了“烷基化孔”，可以減緩水解對(duì)含硼COFs的影響。Du Ya等[17]通過(guò)形成螺硼酸鹽鍵構(gòu)建了一種新型離子COFs，該COFs浸入水或堿性溶液中兩天后仍保持完整，顯示出優(yōu)異的抗水解性。Singh等[18]將含硼COFs骨架中的硼酯鍵與水分子相互作用的局限性加以利用，制備了相對(duì)濕度實(shí)時(shí)測(cè)定傳感器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然材料的結(jié)晶度會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)生變化，但其70 d的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為2.3%，具有一定的實(shí)用性。

1.2 三嗪COFs

三嗪COFs是基于腈基的三聚環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建的COFs，具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性與機(jī)械穩(wěn)定性[19]。三嗪COFs因含1,3,5-三嗪環(huán)這種芳香性的平面π-共軛結(jié)構(gòu)而具有一些獨(dú)特的光電性質(zhì)；另外，其中大量氮原子摻雜會(huì)賦予此類(lèi)材料對(duì)小分子氣體更高的結(jié)合力[20]。Li Yajuan等[21]開(kāi)發(fā)了一類(lèi)以四氰基對(duì)苯醌二甲烷和4 個(gè)π-共軛腈作為三聚單體的新型富氮微孔三嗪COFs，當(dāng)合成溫度為800 ℃時(shí)，具有最佳的比表面積（3 663 m2/g）和氮相對(duì)含量（8.13%）。該材料在離子中，具有42.8 Wh/kg能量密度，在10 000 次循環(huán)后沒(méi)有任何電容退化，作為電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的高性能電極材料具有巨大的潛力。Wang Keke等[22]報(bào)道了一種具有超微孔高氮含量（27.64%）的三嗪COFs，所合成的材料在298 K下，對(duì)CO2的最高吸附容量為57.2 cm3/g，CO2/CH4平衡吸附量比值高達(dá)102.4，具有優(yōu)異的選擇性捕獲CO2的能力。

三嗪COFs的主要局限性是其制備條件較為苛刻，合成較為困難。三嗪COFs合成多采用離子熱法，即利用熔融的ZnCl2作為熔融溶劑和催化劑，在高溫（一般400～700 ℃）環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間（一般40 h）反應(yīng)，促使腈環(huán)三聚。此外，三嗪COFs合成材料的結(jié)晶度有限，大多呈現(xiàn)為無(wú)定形材料。Ren Shijie等[23]嘗試了在室溫條件合成三嗪COFs，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用微波輔助處理，可使材料產(chǎn)生一定的結(jié)晶度，但其比表面積、孔隙度不如其他三嗪COFs。

1.3 亞胺COFs

亞胺COFs是醛基單體與氨基單體通過(guò)形成亞胺鍵（C＝N）連接而構(gòu)建的一類(lèi)COFs材料。此類(lèi)COFs既有類(lèi)似含硼COFs優(yōu)異的結(jié)晶度，又具有類(lèi)似三嗪COFs良好的熱穩(wěn)定性，并且合成條件簡(jiǎn)單（在室溫條件下即可合成），因此亞胺COFs是目前應(yīng)用最為廣泛的COFs類(lèi)材料。由于構(gòu)建亞胺COFs的單體含有醛基、氨基等基團(tuán)，可作為COFs衍生化的位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)材料的多樣化、功能化。Kuehl等[24]以六乙基環(huán)己烷和苯四胺為原料，利用溴化反應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行官能團(tuán)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔徑、電荷等條件的直接調(diào)控，借此可制備25 種含帶不同電荷和不同孔徑的功能化COFs，充分驗(yàn)證了亞胺COFs合成的多樣性。

亞胺COFs由于含有C＝N，在酸、堿環(huán)境下不穩(wěn)定，晶型也會(huì)隨之發(fā)生變化而使應(yīng)用受到限制。近年來(lái)，研究人員為穩(wěn)定C＝N做出了諸多嘗試，其中較為普遍的方法主要有3 種（圖2）。Kandambeth等利用烯醇-酮結(jié)構(gòu)互變[25]（圖2A）、引入分子內(nèi)氫鍵[26]（圖2B），合成了在酸性條件下具有超高穩(wěn)定性的COFs。Xu Hong等[27]通過(guò)將甲氧基結(jié)合到COFs孔壁中來(lái)增強(qiáng)層間相互作用（圖2C），以穩(wěn)定亞胺COFs，合成的材料具有出色的酸堿穩(wěn)定性、高結(jié)晶度和孔隙率。

圖2 穩(wěn)定亞胺鍵3 種主要方法的小分子模型反應(yīng)Fig. 2 Small molecular model reactions in three major methods forstabilizing imine bonds

綜上可見(jiàn)，含硼COFs具有一系列“含硼”的獨(dú)特性質(zhì)（如結(jié)晶度高、儲(chǔ)氫容量大、可抑制金屬聚集等），但又由于其在水中的不穩(wěn)定性而使其應(yīng)用受到了很大限制；三嗪COFs具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，但又存在著合成條件苛刻，材料結(jié)晶度不高等問(wèn)題；亞胺COFs除了具有與含硼COFs相似的優(yōu)異結(jié)晶度外，還具有良好的熱穩(wěn)定性，但也存在酸、堿條件下不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。因此，構(gòu)建優(yōu)異的COFs材料，可以考慮從單體篩選、COFs改性、不同材料間摻雜等途徑進(jìn)行研究，進(jìn)而提高COFs的適用性。

2 COFs在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

食品中有害殘留物檢測(cè)對(duì)象主要包括農(nóng)藥獸藥殘留、環(huán)境污染物、非法添加物、食品添加劑、生物毒素等。由于食品基質(zhì)復(fù)雜，且分析物含量通常低至微克乃至納克級(jí)，因此，必須經(jīng)過(guò)提取、凈化和濃縮等前處理才能進(jìn)行分析檢測(cè)。有效的樣品前處理不僅能夠去除基質(zhì)干擾，而且能夠提高檢測(cè)靈敏度[28]。由于COFs具有高比表面積、低密度、高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被用作吸附劑應(yīng)用在環(huán)境、醫(yī)藥、能源、食品等領(lǐng)域。近幾年，COFs在食品安全分析檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用也成為研究的熱點(diǎn)，尤其是在抗生素類(lèi)藥物、生物毒素、添加劑、重金屬以及農(nóng)獸藥等物質(zhì)的分離富集前處理方向已有較多報(bào)道（表1）。

表1 COFs在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用Table 1 Application of COFs in food safety detection

續(xù)表1

2.1 抗生素

抗生素是目前應(yīng)用十分廣泛的藥物，但由于對(duì)其濫用所造成的抗生素污染也一直是食品安全檢測(cè)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。Xu Guiju等[29]合成了一種氮摻雜COFs作為固相萃取柱填料，用于從復(fù)雜樣品中8 種磺胺類(lèi)抗生素（sulfonamide antibiotics，SAs）的快速分離。結(jié)果表明，該COFs對(duì)8 種SAs的吸附量達(dá)到130～151 mg/g，相比于對(duì)照組（磁性超交聯(lián)聚苯乙烯、磁性表面分子印跡聚合物、碳納米管等）材料，具有最低的檢測(cè)限（0.14～2.0 ng/L）。Yan Zhiming等[30]合成了摻入聚丙烯腈納米纖維的COFs作為移液管尖端固相萃取吸附劑，用于預(yù)處理肉樣中的5 種SAs，檢測(cè)限為1.7～2.7 ng/mL。Zhou Nan等[31]設(shè)計(jì)合成了基于COFs和Ce-MOF的納米復(fù)合物制備的高靈敏度的電化學(xué)傳感器，用于檢測(cè)土霉素，檢測(cè)限可低至17.4 fg/mL。Liu Xiaokang等[32]利用鈷基金屬有機(jī)骨架（Co-MOF）和對(duì)苯二甲腈共價(jià)有機(jī)骨架（TPN-COFs）合成了一種新型納米結(jié)構(gòu)雜化材料Co-MOF @ TPN-COFs，并將其用于青霉素的電化學(xué)檢測(cè)傳感器，其線(xiàn)性范圍為0.001～2 000 pg/mL，并顯示出極低的檢出限（0.217 fg/mL）。

2.2 生物毒素

某些食品中天然原料即含有生物毒素或由于加工處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生生物毒素，直接威脅著人類(lèi)的生命健康。如生物胺類(lèi)毒素多存在于發(fā)酵肉制品中，易誘發(fā)結(jié)腸癌、直腸癌等[33]。Zhang Dianwei等[34]開(kāi)發(fā)出基于半導(dǎo)體納米晶體量子點(diǎn)接枝的雙功能分子印跡COFs材料，將其作為吸附劑富集檢測(cè)酪胺，實(shí)現(xiàn)快速吸附，可在12 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)95%的回收率。Chang Qingyun等[35]通過(guò)室溫?zé)o溶劑機(jī)械化學(xué)研磨法合成了功能化COFs用于肉品中8 種生物胺的固相萃取，線(xiàn)性范圍為5.0～800.0 μg/L，并且該固相萃取柱重復(fù)使用50 次以上提取效率無(wú)明顯變化，應(yīng)用于實(shí)際樣品檢測(cè)限為0.92～2.57 μg/L，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的C18材料（100～960 μg/kg）。此外，Salonen等[36]合成了在水中穩(wěn)定存在的COFs用于吸附海水中的岡田酸海洋藻毒素，可以在60 min內(nèi)達(dá)到平衡，最大吸附量為61 mg/g。Wei Tianfu等[37]基于酰腙鍵制備了COFs凝膠，并裝入整體柱用于分離富集黃曲霉毒素，發(fā)現(xiàn)其對(duì)4 種黃曲霉毒素平均吸附量高達(dá)450 pmol/柱，具有良好的預(yù)濃縮能力。

2.3 添加劑

添加劑在食品中的濫用與違規(guī)使用造成食品安全問(wèn)題已屢見(jiàn)不鮮，如蘇丹紅已經(jīng)被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)歸類(lèi)為第3類(lèi)致癌物[38]，嚴(yán)禁用作食品添加劑，但仍時(shí)有不法商家使用的案例見(jiàn)諸報(bào)道。因此對(duì)于食品領(lǐng)域各類(lèi)添加劑的監(jiān)督檢測(cè)是十分必要的。Zhang Ying等[39]基于量子點(diǎn)接枝COFs制備的三維分子印跡聚合物用于檢測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖和牲畜飼料的添加劑喹喔啉-2-羧酸，最佳條件下，在60 min內(nèi)喹喔啉-2-羧酸的回收率為87.9%。Ding Hui等[40]構(gòu)建了一種分子印跡COFs，并用于食品樣品中苯并噁唑熒光增白劑的選擇性固相萃取，吸附量為0.8 mg/g，印跡因子在3.3以上，體現(xiàn)了材料的高度選擇性。Shahvar等[41]制備了磁性三嗪COFs作為吸附劑，檢測(cè)4 種對(duì)羥基苯甲酸酯，發(fā)現(xiàn)使用6 mg吸附劑即可實(shí)現(xiàn)在0.1～500 μg/L范圍內(nèi)，86%～102%的回收率。Zhang Chengjiang等[42]制備了新型腙鍵共價(jià)有機(jī)聚合物（hydrazone linked-covalent organic polymer，HL-COP），并通過(guò)HL-COP微固相萃取，測(cè)得6 種蘇丹紅染料的富集因子為305～757，吸附量是3 種常用商業(yè)吸附劑（C18、碳納米管、石墨烯材料）的1.0～11.0 倍，表現(xiàn)出極強(qiáng)的預(yù)濃縮能力。

2.4 其他

此外，COFs對(duì)于多環(huán)芳烴、酚類(lèi)有害物質(zhì)、重金屬、農(nóng)獸藥等也有著優(yōu)異的吸附特性。Li Ning[43]、Shi Xuexiang[44]和Ma Tiantian[45]等基于雜化COFs測(cè)定食品樣品中痕量多環(huán)芳烴均表現(xiàn)出優(yōu)異的富集能力和適用性。已有學(xué)者利用COFs痕量檢測(cè)食品中酚類(lèi)有害物質(zhì)（酚類(lèi)內(nèi)分泌干擾物[46-47]、苯酚[48]和氯酚[49]）開(kāi)展了研究，結(jié)果表明其具有檢測(cè)限較低、靈敏度高的特點(diǎn)。Xiong Yuhao等[50]通過(guò)快速微波-離子熱法合成三嗪COFs用于模擬過(guò)氧化物酶骨架，利用比色法檢測(cè)銅離子，具有高選擇性、靈敏性和低成本等特點(diǎn)。Liu Jingmin等[51]應(yīng)用COFs作為吸附劑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自來(lái)水、牛奶等實(shí)際樣品中10 種痕量重金屬元素的在線(xiàn)預(yù)富集。Wu Mingxue等[52]合成新型腙型COFs，并將其固定在不銹鋼纖維上進(jìn)行頂空固相微萃取，用于提取檢測(cè)水果和蔬菜中的擬除蟲(chóng)菊酯，結(jié)果表明新型腙型COFs具有良好的線(xiàn)性范圍與低檢測(cè)限。Song Yuhong[53]、Zhao Wenjie[54]等利用COFs分別對(duì)苯甲酰脲類(lèi)殺蟲(chóng)劑和四環(huán)素兩種獸藥的分離富集進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也體現(xiàn)了COFs材料的優(yōu)異性。

3 結(jié) 語(yǔ)

雖然自首例COFs合成至今僅十幾年，但相關(guān)研究發(fā)展迅速。三大類(lèi)COFs各有優(yōu)點(diǎn)，如含硼COFs的“含硼”特性、三嗪COFs的強(qiáng)穩(wěn)定性、亞胺COFs的合成簡(jiǎn)便性等。近幾年，研究人員針對(duì)三大類(lèi)COFs存在的問(wèn)題（如含硼COFs在水中的不穩(wěn)定性、三嗪COFs結(jié)晶度低、合成條件苛刻、亞胺COFs酸堿不穩(wěn)定性等）進(jìn)行了大量研究，也做出了一定的改善。目前，COFs已被逐步引入食品安全檢測(cè)領(lǐng)域，用于多種物質(zhì)的檢測(cè)分析，并表現(xiàn)出檢測(cè)限低、富集能力強(qiáng)、應(yīng)用效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是作為新興材料，在投入實(shí)際推廣應(yīng)用之前，COFs尚存在選擇性不強(qiáng)、吸附后分離檢測(cè)不方便、易受環(huán)境影響等問(wèn)題需要不斷改進(jìn)和完善。因此，如何有效地結(jié)合其他技術(shù)開(kāi)發(fā)各種新型功能性COFs及其衍生物，以增強(qiáng)其對(duì)不同性質(zhì)的目標(biāo)物和各種檢測(cè)環(huán)境的適應(yīng)性，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，如結(jié)合分子印跡聚合物提高材料的選擇性，結(jié)合磁納米材料簡(jiǎn)化分離操作，結(jié)合量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)熒光檢測(cè)，摻雜MOFs、納米纖維等強(qiáng)化材料性能等。相信隨著國(guó)內(nèi)外食品科學(xué)、材料科學(xué)、分析化學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，COFs可以通過(guò)功能化有效促進(jìn)食品安全檢測(cè)領(lǐng)域向更靈敏、更高效、更便捷方向發(fā)展，COFs在食品科學(xué)與工程領(lǐng)域中的應(yīng)用前景也將更加廣闊。