多孔有機骨架材料對順式二醇化合物富集分離的研究進展

張 安, 張 娟

(武漢工程大學化學與環(huán)境工程學院, 石油和化工行業(yè)生物質環(huán)境與能源新材料重點實驗室,湖北省新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室, 湖北 武漢 430205)

近年來,許多順式二醇化合物在生物、臨床和工業(yè)領域具有重要的研究意義。例如,多巴胺[1-3]、糖和糖肽[4]是當前代謝組學和蛋白質組學研究的重要目標;從污水中去除具有高毒性、致癌性、高需氧量和低生物降解性的鄰苯二酚,對自然環(huán)境的修復具有重要意義[5-7]。硼酸親和色譜已被證明是選擇性富集含順式二醇分子的有力工具[8-10]。硼酸親和材料的分子相互作用原理依賴于硼酸配體與順式二醇化合物之間的可逆共價反應。簡而言之,硼酸在堿性條件下可以與順式二醇反應生成五元或六元環(huán)酯。然而,當環(huán)境變?yōu)樗嵝詴r,環(huán)酯就會解離釋放出順式二醇化合物以實現選擇性富集分離。研究工作者利用硼親和色譜原理,設計合成了各種硼酸功能化材料用于順式二醇化合物的富集分析,其中包括:介孔二氧化硅[11-14]、整體柱[15]、聚合物[16]和磁性納米復合材料[9]等。近年來,在關于硼酸功能化材料的合成研究中,研究人員一直致力于提高硼酸官能團的接枝密度和硼酸親和材料的穩(wěn)定性。

共價有機骨架(COFs)和金屬有機骨架(MOFs)由于具有豐富的孔徑、優(yōu)異的孔隙率、較高的比表面積和可調的骨架結構等特點,已被廣泛用于吸附與分離領域。近幾年,我們課題組在MOFs和COFs材料的設計合成及其在色譜分離、固相微萃取、磁性固相萃取應用等方面開展了大量的工作[17-23],設計合成了COF-1作為固定相用于毛細管電色譜分離[17]、氟化石墨烯和ZIF-8復合吸附劑用于水和食品中有機農藥富集分離分析[18]、卟啉基COFs磁性吸附劑[20]及MOFs和COFs復合材料吸附劑等用于抗生素殘留的富集分離和檢測[21,22]、硼酸摻雜的磁性卟啉MOFs用于順式二醇化合物如核苷的高選擇性富集分離和檢測[23]。越來越多的科研團隊也利用MOFs和COFs材料的優(yōu)勢,設計合成了許多硼酸功能化的MOFs和COFs,并將它們運用于不同種類的順式二醇化合物的吸附與分離的研究中。本文歸納整理了近年來部分硼酸功能化MOFs和COFs作用于順式二醇化合物的文獻記載,并在此基礎上,結合相關研究情況,概述了硼酸功能化MOFs和COFs材料的相關應用及其未來的發(fā)展應用前景。

圖 1 Fe3O4@PD@BA-Zr-MOF的制備示意圖[23]Fig. 1 Schematic illustration for the preparation of Fe3O4@PD@BA-Zr-MOF[23]

1 硼酸功能化MOFs

MOFs是一類由金屬離子和有機連接體組成的周期性多孔晶體材料[24]。多項研究表明,MOFs具有獨特的物理化學特性,包括多種拓撲結構、優(yōu)異的孔隙度、可調節(jié)的孔徑和骨架結構,因此在吸附與分離領域具有良好的應用前景[25-27]。此外,通過含有特定官能團的配體,設計合成功能化MOFs以拓展其應用已成為科研工作者的研究重點。將原配體與目標官能團片段共同組裝成MOFs,既保留了母體MOFs的結構[28],又能改善目標官能團的部分缺點。近年來,具有硼酸官能團的配體已被成功組裝,得到的功能化MOFs對順式二醇化合物具有較好的選擇性富集性能,大量的硼酸活性位點存在于吸附劑中,有效地提高了吸附劑的吸附容量和富集分離選擇性[29,30]。如圖1所示，本課題組近期也開展了硼親和MOFs磁性材料的研究工作,采用雙配體策略通過一步水熱法合成了硼酸摻雜的卟啉MOFs磁性吸附劑用于核苷的磁性固相萃取,利用卟啉環(huán)的富氮骨架、卟啉環(huán)類似“井”的結構及接枝的硼酸官能團實現順式二醇化合物的高選擇性富集,并將建立的方法用于人尿液中核苷的高選擇性富集分離分析[23]。所制備的磁性吸附劑由于比表面積較低,因此富集容量有待提高,后期我們將設計合成硼酸接枝密度高的親水型多孔硼親和材料,在減少非特異性吸附的同時,提高富集選擇性和富集容量。

1.1 硼酸功能化MOFs的合成方法

1.1.1“金屬配體-片段共組裝”策略

金屬配體-片段共組裝策略(MLFC)[31-33]是一種將介孔引入MOFs的極好方法,與傳統的前功能化和后功能化方法相比,MLFC策略是將硼酸官能團原位生長在MOFs上,而不是通過減少孔體積來實現,這提高了MOFs的吸附效率,因此被廣泛運用于硼酸功能化MOFs材料的合成中。然而目前合成的大多數MOFs分散性較差,聚集在一起使得硼酸官能團的吸附效率被極大地削弱,因此,研究人員通常會引入其他材料作為載體[34]。沸石咪唑骨架(ZIF)是MOFs的一個亞類,可被用作支撐其他材料的基體。以其作為基體的納米材料具有合成條件簡單、熱穩(wěn)定性好、化學穩(wěn)定性高、孔容大等特點。Guo等[35]以ZIF-67為載體,通過多巴胺(DA)的自聚合能力,使其在表面形成聚多巴胺(PDA)層,采用MLFC策略以四氯化鋯為反應前驅體,對苯二甲酸(TPA)、3-羧基苯基硼酸(3-CPBA)為雙配體制備得到復合吸附劑(ZIF-67@PDA@BA-Zr-MOFs),并且將其成功應用于富集花生殼樣品中的木犀草素(LTL)(見圖2),為從復雜樣品基質中快速提取和分離LTL提供了一個理想的方法。

圖 2 (a)ZIF-67@PDA@BA-Zr-MOFs的制備示意圖和(b)固相萃取流程圖[35]Fig. 2 (a) Schematic illustration for the preparation of ZIF-67@PDA@BA-Zr-MOFs and (b) solid phase extraction flow procedure[35]

Pankajakshan和Mandal[36]通過MLFC策略,將5-硼基異苯二甲酸(BIA)與三聚氰胺酸(BTC)配體按物質的量比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5和1∶6,合成6組不同MOFs,測試了它們對水介質中各種順式二醇化合物的結合能力,并且證實了隨著金屬有機骨架內硼酸含量的增加,其對順式二醇吸附效率逐漸增加,在水中對各類糖的吸附能力大小順序為半乳糖>葡萄糖>甘露糖>木糖。Zhu等[28]也是通過MLFC策略,將5-硼苯-1,3-二羧酸(BBDC)作為配體片段引入功能成分,制得新型MIL-100-B MOFs,實現對順式二醇生物分子(CDBs)的高選擇性捕獲。該材料的比表面積較大,并且在較寬的pH范圍內表現出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性,使其在CDBs純化、傳感和分離等領域表現出巨大應用潛力。Chen等[37]設計了一種硼酸修飾的Cr基MIL-100納米反應器B-D-MIL-100(見圖3),并用于碳水化合物的快速分離和標記。He等[38]使用MIL-100(Fe)作為基本骨架(見圖4),引入Fe3+作為金屬中心,1,3,5-苯三羧酸作為主要有機配體,以5-硼苯-1,3-二羧酸為配體片段,在MIL-100空腔中引入活性硼酸,制備了MIL-100-B(硼酸功能化的MIL-100),用于捕獲生物樣品中的兒茶酚胺。MLFC方法能減少堵塞金屬有機骨架的孔隙,這是相比合成后改性(PSM)策略的一個顯著優(yōu)勢。

圖 3 碳水化合物在硼酸修飾的缺陷金屬有機骨架納米反應器中的分離和標記[37]Fig. 3 Representation of the separation and labeling of carbohydrates within boronic acid decorated defective metal-organic framework nanoreactor[37]

圖 4 MG@MIL-100-B復合材料的合成方案[38]Fig. 4 Synthetic protocol of MG@MIL-100-B composites[38]

在有機配體中,芳香或共軛π基團容易被激發(fā)并在輻射下發(fā)光[39,40]。但是,當UiO-66-NH2@B(OH)2的硼酸官能團與唾液酸甘油側鏈的二醇基團結合時,UiO-66-NH2@B(OH)2的熒光強度會降低甚至猝滅。利用此特性,Yu等[41]以2-氨基對苯二甲酸(BDC-NH2)和4-羧基苯基硼酸(CPB)為有機配體,在UiO-66-NH2框架中引入硼酸官能團,用一步溶劑熱法制備UiO-66-NH2@B(OH)2,此材料可以選擇性識別和檢測唾液酸(SA),因此該材料可被開發(fā)用于唾液酸相關疾病的臨床診斷。

1.1.2“合成后修飾”策略

圖 5 BA-HP-UIO-66的合成示意圖[46]Fig. 5 Schematic illustration for the synthesis of BA-HP-UiO-66[46]

大多數報道的MOFs的孔徑小于2 nm[42],降低了擴散速率,阻礙了大分子進入內孔,影響了MOFs中吸附位點的利用[43]。通過調節(jié)材料孔徑得到的分層多孔金屬有機框架(HP-MOFs)可以有效地解決這些問題,HP-MOFs同時具有微孔和中孔,其中微孔具有較高的比表面積,中孔可以吸附較大的分子,因此,HP-MOFs進一步擴大了MOFs的應用[44]。擴大孔徑的傳統方法是使用細長的有機配體[45]。然而,有機配體的延長會破壞MOFs的穩(wěn)定性,使其難以形成晶體結構。Tan等[46]利用Zn基MOFs和Zr基MOFs對酸的穩(wěn)定性上的差異,在雙金屬MOFs(Zn/Zr-MOFs)中對Zn基MOFs進行酸蝕,得到了分級孔,并對其進行硼酸功能化修飾(見圖5),制備了一種新型的硼酸親和分層孔MOFs(BA-HP-UiO-66),用于富集替考拉寧。研究表明所制備的層級硼酸親和MOFs對大分子的順式二醇化合物具有良好的吸附性能。BA-HP-UiO-66的平均孔徑從原始UiO-66-NH2的0.85 nm增大到2.40～3.83 nm,并且,得到的BA-HP-UiO-66具有較高的比表面積和良好的穩(wěn)定性,對替考拉寧具有顯著的吸附性能,為在水溶液中去除含大分子順式二醇化合物提供了廣闊的前景。由于UiO-66具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和相對耐水、耐酸性等特點,研究人員也通常通過預安裝策略將其用來構建硼酸功能化的MOFs[47,48]。

基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜(MALDI-TOF-MS)是近年來發(fā)展起來的一種新型的軟電離生物質譜,是一種強有力的分析測試手段,被廣泛應用于分析生物大分子,并且表現出了許多優(yōu)點,如樣品制備簡單、鹽耐受性好、速度快、靈敏度高、可檢測質量范圍廣等[49]。MALDI-TOF質譜檢測具有這些獨特優(yōu)勢,能被廣泛應用于蛋白質、核酸聚合物和小分子分析等領域,其作用原理是將激光以脈沖的形式照射樣品分子,導致樣品的解吸和電離,然后用TOF-MS檢測樣品。MALDI-TOF質譜的激光解吸/電離過程和信號強度通常取決于基質,但其用于小分子化合物的分析仍有一定的局限性。為了克服限制,研究人員研究了許多材料,其中MOFs在UV-vis范圍[50]中具有較高的摩爾吸收系數,可以被用作小分子化合物MALDI-TOF質譜分析的基質。Li等[51]通過水熱反應和逐步改性,合成了硼酸功能化的磁性MOFs(Fe3O4@PDA@B-UiO-66),將所制得的Fe3O4@PDA@B-UiO-66作為吸附劑和基質,用MALDI-TOF質譜進行葡萄糖的分析。而Bei團隊[52]用金納米顆粒包裹MOFs,再后修飾上硼酸功能團,得到一種硼酸功能化MOFs,并用基質輔助激光解吸電離質譜法分析人體尿液、血清和茶飲料中的順式二醇小分子,促進了MALDI-MS的發(fā)展,為用MALDI-MS分析小分子領域做出了重要和積極貢獻。

硼酸鹽親和材料因其優(yōu)良的性能,常被用于識別糖蛋白/糖肽。Saleem等[53]在石墨烯片上原位生長UiO-66-NH2,再通過后修飾方法制備得到親水性硼酸功能化的復合納米粒子(GO@UiO-66-PBA),并將其用于N-糖肽的富集分離分析。另外,分子印跡技術是提高材料特異性識別能力的有效方法[54]。該技術是將模板印跡在納米顆粒表面,然后洗脫模板,留下與模板分子形狀一致的空腔,獲得印跡聚合物[55-58]。研究人員通常會將分子印跡技術和硼酸親和作用相結合,實現對順式二醇化合物的特異性識別。Wu等[59]將TPA、金屬有機骨架和分子印跡技術相結合(見圖6),開發(fā)了一種新型的硼酸功能化納米材料MIPs/TBA/MOF@Fe3O4,用于在生理pH條件下對糖蛋白進行分離與濃縮。研究表明,有了TBA和印跡位點的雙重識別,MIPs/TBA/MOF@Fe3O4納米粒子在生理條件下具有更好的結合性能(337.8 mg/mL)和對糖蛋白的選擇性,制備的納米顆粒在蛋清樣品的應用中表現出良好的性能。

1.2 硼酸功能化MOFs的種類

1.2.1磁性MOFs

為了能更好地分離實際樣品和MOFs,研究人員通常會對MOFs進行修飾,使其磁化,磁性MOFs既能實現固液兩相的快速分離,又具有高選擇性富集的優(yōu)良性能。但是,超順磁納米粒子的聚集會破壞MOFs的生長。聚多巴胺(PDA)可以在溫和條件下自發(fā)聚合,降低原粒子的超順磁性,是一種適合于磁芯涂層的聚合物。此外,由于PDA具有羥基和氨基基團,Zn2+很容易黏附在表面,從而產生了硼酸配體逐層合成的方法,并且PDA殼層會賦予Fe3O4@PDA一定的親水性。Liu等[29]將BA-MOFs修飾在PDA包覆的磁性微球上制備了親水性磁性硼功能化金屬有機骨架(Fe3O4@PDA@BA-MOFs)納米復合材料,具有形貌均勻、飽和磁化強度高、磁響應性好等特點,用于選擇性富集木犀草素,為制備多功能磁性MOFs材料用于吸附、催化和靶向給藥治療帶來了巨大的可擴展性。磁性MOFs的例子還有很多,比如,Xie等[60]通過在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯亞胺(PEI)包被的磁性微球上以1,4-苯二硼酸(PBA)和TPA為有機配體改性MOFs(見圖7),設計并合成了一種新型硼酸功能化的磁性金屬有機骨架(Fe3O4@PVP/PEI@MOF(B)),對糖肽進行了高效選擇性富集。Zhang等[61]通過3-羧基苯基硼酸預安裝策略,成功制備了一種新型硼酸功能化磁性MOF復合物(MNPs@Zr-MOFs-BA)選擇性富集分離核苷。

圖 7 (a)Fe3O4@PVP/PEI@MOF的合成路線及其(b)從生物樣品中富集糖肽的工作流程圖[60]Fig. 7 (a) Synthetic route for Fe3O4@PVP/PEI@MOF and (b) workflow of glycopeptides enrichment from biological samples by Fe3O4@PVP/PEI@MOF[60]

圖 8 Fe3O4@PTA@MIL-100(Fe)-B的設計合成示意圖[64]Fig. 8 Schematic diagram of design and synthesis of Fe3O4@PTA@MIL-100(Fe)-B[64]

在合成MOFs的過程里,中間層的合成是復雜和耗時的,而且一般中間層的原材料要么昂貴,要么對人類有毒。研究人員發(fā)現單寧酸(TA)作為天然豐富的多酚類物質之一,價格便宜、安全、對環(huán)境友好,而且在溫和的條件下,TA可以在數分鐘內與不同的金屬離子配位,在各種底物上形成單寧酸金屬聚合物(PTA)[62,63]。由此可得,PTA層可能是硼酸功能化MOFs負載到磁性納米粒子(MNPs)上的一個很好的基底材料。Xing等[64]使用PTA中間層包覆Fe3O4顆粒,采用MLFC方法將MIL100(Fe)-B修飾在PTA包覆的Fe3O4上(見圖8),制備了親水性磁性硼酸功能化金屬-有機骨架(Fe3O4@PTA@MIL-100(Fe)-B)納米復合材料,并用于選擇性富集人類尿液樣本中的兒茶酚胺(Cas),為制備多功能MOFs磁性材料應用于臨床研究和治療提供一種研究思路。

1.2.2硼酸功能化Ln-MOFs

在種類繁多的MOFs中,鑭系MOFs(Ln-MOFs)由于具有較大的斯托克斯頻移、較高的量子產率、較長的衰變壽命和不受干擾的發(fā)射能量等優(yōu)良的發(fā)光特性,備受關注。在Ln-MOFs中,由于配體向Ln離子的能量轉移,配體的芳香發(fā)色團能夠吸收紫外線激發(fā)Ln離子[65],然而,當芳香配體被官能團修飾后,在特定的發(fā)射光譜下,能量轉移效率會發(fā)生變化。因此,調節(jié)能隙的關鍵是選擇具有理想官能團的有機配體,而硼酸基團是缺電子的,可以調節(jié)配體的能級,獲得具有獨特熒光效率的MOFs。Zhang等[66]利用Ln-MOFs優(yōu)異的發(fā)光性能,及硼酸對二醇化合物親和特異性結合性質,制作了一種可以檢測尿路肺癌生物標志物N-乙酰神經氨酸(NANA)的分子機器人以及NANA傳感系統,實現對早期肺癌的檢測和預防。在該NANA傳感系統中,硼酸基團作為驅動器,利用“功能手”抓取NANA的分子機器人。B-EuMOF的熒光(I470nm/I614nm)作為分子機器人的傳感器,其功能是檢測來自其周圍環(huán)境的信息。與其他分子機器人相比,該熒光傳感器顯示的傳感結果肉眼可見,這使得傳感結果更加直觀和非專業(yè),為熒光傳感在人工智能早期疾病監(jiān)測領域的應用提供了新的可能性,也為拓寬分子機器人的應用領域鋪平了新的道路。Du等[67]以3,5-二羧基苯硼酸(DBA)為功能配體,以Eu3+離子為金屬節(jié)點,制備了Eu-MOFs(見圖9),并引入硼酸基團,合成出Eu-MOF比率探針。將其作用于多巴胺(DA)后,該材料表現出良好的分散性和高選擇性,同時具有較寬的響應范圍和較低的檢出限(0.015 μm),該材料也可用于其他順式二醇化合物的檢測,在化學和生物傳感領域具有廣闊的應用前景。

圖 9 Eu-MOF探測系統的合成過程示意圖[67]Fig. 9 Schematic illustration of the synthetic process of the Eu-MOF detection system[67]

1.2.3硼酸功能化MOF膜復合材料

近年來在分離領域,MOF膜復合材料與傳統分離工藝中未成型MOF材料相比,具有能耗低、泄漏污染小、分離效率高等優(yōu)點,在分離領域受到了廣泛關注[68-70]。優(yōu)化后的MOF膜復合材料具有較高的吸附容量、良好的機械強度和化學穩(wěn)定性,特別是表面性能可調控。同時,研究表明,基于疏水多孔基質制備耐水MOF膜復合材料將大大提高其在實際含水樣品(水相條件下)中的分離能力[71]。綜上所述,Liu等[72]利用Zn(Ⅱ)-配體-片段共組裝和界面誘導相結合的方法,在疏水多孔類泡沫碳襯底上制備苯硼酸功能化MOF膜(BA-MOF-PFCS)(見圖10),用于在水相條件下選擇性分離天然藥物木犀草素。實驗發(fā)現,BA-MOF-PFCS對LTL選擇性的提高不僅僅是鄰苯二酚與苯硼酸之間的特異性相互作用,還有“分子篩效應”的協同作用。在含水溶液中,BA-MOF-PFCS復合材料可以輕松提取純度為85%的LTL,并將其濃縮到99.90%,該研究為制備膜狀硼酸功能化MOF復合材料提供鮮明的思路。

圖 10 界面誘導鋅(Ⅱ)-配體-片段共組裝策略在疏水性多孔泡沫碳基膜(BA-MOF-PFCs)上制備硼酸鹽基MOF膜[72] Fig. 10 Illustration of the interface-induced Zn(Ⅱ)-ligand-fragment co-assembly strategy to fabricate boronate-based MOF membrane on hydrophobic porous foam-like carbon substrate (BA-MOF-PFCS)[72]

2 硼酸功能化COFs

COFs作為有機結晶多孔材料[73,74],自2005年Yaghi等[75]首次報道以來,因其低質量密度、規(guī)則的孔隙結構、高比表面積、易于改性等特點,已成為吸附、催化劑、分離和能源利用等領域研究的熱點。COFs遵循網狀化學原理,其結構與MOFs相似[76],與MOFs相比,該材料具有顯著的優(yōu)點,包括更好的化學穩(wěn)定性和π-π堆積相互作用[77],這些優(yōu)點使得COFs在分離科學領域的研究越來越受到重視。

目前制備功能化COFs的方法主要有兩種,一種是“自下而上”的策略,也可稱為配體共組裝法,在這個方法中,功能性的建筑單元直接作為建筑塊來構造功能化的COFs材料,且材料中的官能團具有良好的均勻性,然而,“自下而上”的策略要求建筑單元的結構具有優(yōu)良的對稱性和穩(wěn)定性,同時COFs合成的惡劣條件可能會破壞功能群[32],使得合并的功能群非常有限。另外,當不同的官能團連接到相同的父系結構構造建筑單元時,相應的COFs的合成條件可能存在顯著的差異,這使得“自下而上”的策略不具備通用性。另一種功能化策略是“合成后修飾”策略,其優(yōu)點在于可以根據特定功能化的需要,直接將不同功能的基團引入材料中,但是這種策略存在著改變晶體結構的風險。

硼酸功能化的COFs具有較大的比表面積、硼酸反應點和超強的穩(wěn)定性,也具有選擇性富集能力和優(yōu)良的廣泛適用性。與傳統COFs相比,硼酸功能化的COFs對順式二醇化合物具有更高的選擇性和靈敏度。目前,硼酸功能化COFs在色譜分離和樣品前處理領域應用不多?，F就報道的硼酸功能化COFs的制備及其應用于順式二醇類化合物分析做一個歸納總結。

2.1 “自下而上”策略

Hu等[78]以2,4,6-三羥基-1,3,5-苯三醛、聯苯胺和4-氨基苯基-4-硼酸為配體,采用“一鍋法”,合成了硼酸功能化COFs(B-COFs),用于選擇性吸附順式二醇化合物(木犀草素、核黃素和鄰苯二酚),在無干擾背景下直接用于MALDI-TOF質譜檢測。研究結果表明,合成出的B-COFs與其他傳統基質相比具有巨大優(yōu)勢,如在不含三氟乙酸的低質量范圍MS中無干擾背景等。該策略為其他功能化COFs的合成以及其在復雜樣品中富集靶分子提供了一定的理論支撐。然而,所報道的B-COFs的比表面積(238 m2/g)和孔體積(0.13 cm3/g)不高;同時,亞氨基復合材料由于具有熱力學不穩(wěn)定的性質,限制了其在應用上的可逆性。因此,研究穩(wěn)定的COFs越來越受到人們的關注。Liu等[79]利用aza-Diels-Alder環(huán)加成反應將亞胺型COFs轉化為喹啉型COFs,通過形成芳香環(huán)骨架進行動力學固定,不僅提高了COFs的穩(wěn)定性,而且實現了COFs的后修飾。

2.2 “合成后修飾”策略

Chang等[80]以TPB-DMTP-COF(TPB:三苯基苯;DMTP:二甲氧基對苯二甲醛)為前體,通過aza-Diels-Alder環(huán)加成反應,成功設計并制備了硼酸功能化共價有機骨架(COF-BA)(見圖11),研究發(fā)現COF-BA對1,2-二羥基蒽-9,10-二酮(1,2-Doa)具有獨特的吸附選擇性,而對其異構體1,4-二羥基蒽-9,10-二酮和2,6-二羥基蒽-9,10-二酮的吸附效果較差。COF-BA具有持久的孔結構、高比表面積(606 m2/g)和均勻的孔徑(2.59 nm),并且COF-BA具有本征熒光性質,在365 nm紫外光照射下,COF-BA呈藍色熒光,而1,2-Doa/COF-BA呈橙色熒光(見圖12),利用這一特性,此材料可以用作1,2-Doa的光學傳感器,在吸附和傳感領域具有巨大的潛力和廣闊的應用前景。

圖 11 由TPB-DMTP-COF合成共價有機骨架COF-BA的合成路線[80]Fig. 11 Synthesis route of the covalent organic frameworkCOF-BA from TPB-DMTP-COF[80]

圖 12 共價有機骨架COF-BA對1,2-Doa的特異性吸附過程[80]Fig. 12 Specific adsorption process of 1,2-Doa by the covalent organic framework material COF-BA[80]

硫醇-烯點擊法具有高效、高選擇性等優(yōu)點,是合成功能化COFs的一種可行方法。如圖13所示，Ji等[81]以含乙烯基的2,5-二烯丙基氧基對苯二甲酸(Da-V)和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(Tab)為配體,制備了含乙烯基的COF DhaTab-V,并用DhaTab-V與4-巰基苯硼酸(4-MPBA)進行巰基烯點擊反應,得到苯硼酸功能化的COF DhaTab-PBA,用于吸附水介質中鄰苯二酚。

圖 13 通過Tab和Da-V縮合制備DhaTab-V和通過硫醇-烯點擊反應制備DhaTab-PBA的示意圖[81]Fig. 13 Illustration for the preparation of DhaTab-V via the condensation of Tab and Da-V and DhaTab-PBA via thiol-ene click reaction[81]

Bein等[82]提出了一種新的通過合成后還原反應合成含胺基的β-酮烯胺COF的方法。他們先合成了化學穩(wěn)定的β-酮烯胺COF TpBD(NO2)2,并在孔隙中錨定了硝基,之后將硝基還原,得到了所需材料COF TpBD(NH2)2。受此啟發(fā),Wang等[83]制備了含氨基核-殼結構的磁性COF納米球[Fe3O4@TpBD(NH2)2],其中氨基基團作為進一步硼酸功能修飾的活性位點,最后制得Fe3O4@COF@2-FPBA納米顆粒,并將其應用于高選擇性萃取單胺神經遞質(MNTs)。

圖 14 (a) MCNCs@COF@PBA復合材料合成過程示意圖和(b)磁性可回收肽分離過程示意圖[85]Fig. 14 (a) Schematic illustration of synthetic process for preparation of MCNCs@COF@PBA composites and (b) the magnetically recyclable peptide separation process[85]

COFs相對于MOFs來說具有更好的化學穩(wěn)定性[84],被廣泛應用于糖蛋白/糖肽類化合物的MALDI-TOF質譜分析。Gao等[85]以磁石膠體納米晶團簇(MCNCs)為核,苯硼酸修飾的COFs為殼,通過疊氮化-炔“點擊”反應合成一種具有吸引力的核殼結構的苯硼酸固定磁性共價有機框架(MCNCs@COF@PBA),并將其用于N-糖肽的特異性富集(見圖14)。由其應用于分析HeLa細胞分泌的外泌體中的糖肽的結果來看,此材料的選擇性、靈敏度、富集回收率和磁選方面都比較優(yōu)異,因此,研究不僅為糖蛋白組綜合譜分析提供了一個潛在的選擇性富集平臺,也為COFs基材料的通用功能化開辟了新的途徑。

圖 15 TbBD@PEI@Au@4-MPBA復合材料的合成示意圖[86]Fig. 15 Synthetic schematics of TbBD@PEI@Au@4-MPBA composites[86]

Xie等[86]通過開環(huán)反應對COFs表面的丁二酸酐(SA)進行改性,然后通過靜電作用將帶正電荷的聚乙烯亞胺(PEI)修飾在COFs上,使PEI作為還原劑和固定劑進一步固定金納米粒子。最后,通過Au納米顆粒與巰基的反應,使4-巰基苯硼酸(4-MPBA)成功修飾到材料表面,得到了硼酸功能化的TbBD@PEI@Au@4-MPBA材料(見圖15),并將其應用于對糖肽的選擇性富集。研究結果表明,TbBD@PEI@Au@4-MPBA不僅表現出對糖肽類物質顯著的富集選擇性(當糖肽物質辣根過氧化物酶胰酶與非糖肽干擾物質牛血清白蛋白胰酶的質量比為1∶1 000時,仍能選擇性檢測到辣根過氧化物酶胰酶),而且具有較高的靈敏度(5 amol/μL),且該材料的重復性和穩(wěn)定性測定結果也較好。最重要的是,在實際樣品檢測中,MALDI-TOF MS檢測到從新鮮人唾液中富集的56種內源性糖肽,用納米LC-MS/MS鑒定了56種對應于31種人唾液胰蛋白酶消化液糖蛋白的內源性糖肽,用納米LC-MS/MS鑒定了513種對應于208種喉癌患者血清胰蛋白酶消化液糖蛋白的糖肽。優(yōu)異的研究結果表明,改性后的新型COFs材料有望用于從各種復雜的生物樣品中富集糖肽,并且該材料的成功合成為COFs在蛋白質組學中的應用提供了新的思路。

3 結論與展望

隨著多孔材料不斷被開發(fā)和制備,硼酸修飾的MOFs和COFs的種類也逐漸增多,其對各種順式二醇化合物富集選擇性方面的應用也隨之增多,且有著巨大的進步。在硼酸修飾MOFs的制備方法方面,大部分將硼酸官能團引入MOFs的方法是MLFC策略,與其他方法相比,提高了MOFs的吸附和富集效率。另外,MOFs本身的一些缺點如聚集問題、孔徑問題等也得到很好的解決。同時,研究人員也會根據順式二醇化合物的自身特點來設計出性能優(yōu)良的硼酸親和MOFs材料。并且,為了方便富集分離,許多研究者會將硼酸功能化MOFs制成磁性材料。此外,Ln-MOFs的發(fā)光特性也被利用,與硼酸親和作用相結合,用于一些順式二醇化合物的富集分離和檢測。而在COFs方面,“合成后修飾”策略和“自下而上”策略是制備硼酸功能化COFs的兩種主要方法,硼酸功能化COFs的例子相對MOFs而言是比較少,其應用價值還有待繼續(xù)挖掘?？偟膩碚f,目前硼酸親和MOFs和COFs在生物、醫(yī)療檢測和工業(yè)方面都有著巨大的應用價值,并且在經過了十幾年的發(fā)展后,各項研究也有了突破性的進步,相信在不久的將來,硼酸親和MOFs和COFs材料會在實際應用方面尤其是蛋白質組學和代謝組學的研究中發(fā)揮巨大作用。