基于硼親和分子印跡策略的MOF/MIPs對(duì)沙丁胺醇的選擇性吸附和計(jì)算模擬

李 欣， 周 穎， 王鼎南， 裴 勇， 武 斌， 張宜明

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)食品與健康學(xué)院, 杭州 311300；2. 浙江省水產(chǎn)推廣技術(shù)總站, 杭州 310023； 3. 湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 湘潭 411105；4. 浙江農(nóng)林大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 杭州 311300）

沙丁胺醇（Salbutamol， SAL）是在治療哮喘和慢性阻塞性肺疾病中使用最廣泛的β2激動(dòng)劑之一［1］.沙丁胺醇對(duì)牛、 羊、 禽和豬等具有促生長(zhǎng)、 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)再分配及提高動(dòng)物蛋白質(zhì)合成等作用， 所以飼料中添加沙丁胺醇可以顯著提高肉類行業(yè)的利潤(rùn)［2，3］. 但是， 人在食用含沙丁胺醇較高的動(dòng)物組織后將產(chǎn)生一系列不良反應(yīng)（如肌肉震顫、 心悸、 頭痛、 惡心和嘔吐等）， 會(huì)對(duì)身體健康造成重大危害［4］. 因此， 動(dòng)物產(chǎn)品中沙丁胺醇?xì)埩粑锏臋z測(cè)和測(cè)定對(duì)畜牧業(yè)和公共衛(wèi)生健康都具有重要意義. 目前， 沙丁胺醇?xì)埩魴z測(cè)的方法［弱陽(yáng)離子交換層析、 聚合物微萃取、 免疫親和柱和固相萃?。⊿PE）柱等［5～7］］很多， 但這些方法設(shè)備昂貴且操作繁瑣、 選擇性差.

分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymers， MIPs）是以待測(cè)物質(zhì)為模板合成的超分子聚合材料， 隨著新印跡技術(shù)的發(fā)展， 其對(duì)特定的目標(biāo)分子（如藥物、 食品和農(nóng)藥）具有越來越好的選擇性和親和力， 并已被用于分離和識(shí)別廣泛的生化實(shí)體［8，9］. 但是MIPs的缺點(diǎn)（電導(dǎo)率差、 腔體可達(dá)性差和傳質(zhì)速率低）限制了其對(duì)分析物的高效檢測(cè)［10］， 因此， 設(shè)計(jì)具有良好導(dǎo)電性和高比表面積的新型MIP材料來克服這些缺陷具有重要意義. 研究表明， 金屬有機(jī)框架（Metal-organic frameworks， MOFs）材料具有高孔隙率和高比表面積等優(yōu)點(diǎn)， 是開發(fā)固定單體和模板分子的新型分子印跡聚合物的良好載體［11］. MOFMIPs 的組合結(jié)構(gòu)既能提供選擇性吸附的特異性識(shí)別位點(diǎn)， 又能提供較多的比表面積孔隙吸附［12］. 因此， 具有增強(qiáng)傳感特性的MOF-MIPs已經(jīng)被制造出來并用于檢測(cè)各種目標(biāo)物［13，14］. 此外， 含有特定官能團(tuán)配體的MOFs被設(shè)計(jì)合成出來， 拓展了其應(yīng)用［15］， 近年來， 具有硼酸官能團(tuán)的配體已被成功組裝， 得到的功能化MOFs對(duì)順式二醇化合物具有較好的選擇性和富集性能［16，17］， 硼酸配體與含順式二醇化合物之間形成的硼酸酯可在不同的pH 下實(shí)現(xiàn)成環(huán)和開環(huán)的過程， 從而實(shí)現(xiàn)模板底物的結(jié)合和釋放［18］.同時(shí)， 分子印跡所構(gòu)筑的選擇性空腔能進(jìn)一步保證硼親和材料對(duì)含有順式二醇結(jié)構(gòu)分子的選擇性能，實(shí)現(xiàn)快速、 穩(wěn)定、 有選擇性地富集食品中的含順式二醇的污染物質(zhì).

近年來， 為了提高M(jìn)IPs的可預(yù)測(cè)性、 可控性、 選擇性和識(shí)別能力， 并定量探索印跡分子與功能單體之間的相互作用， 已有在原子水平上建立分子模型模擬MIPs的設(shè)計(jì)［19］. 目前， 分子模擬在分子印跡材料的研發(fā)過程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用， Zhao等［20］對(duì)甲醛和甲基丙烯酸復(fù)合物自組裝系統(tǒng)中交聯(lián)劑、 溶劑以及印跡比的優(yōu)化模擬， 為制備快速、 經(jīng)濟(jì)、 新型的甲醛MIPs 提供了可靠的理論依據(jù).Zeng等［21］用密度泛函理論分析了泰樂菌素與硼酸鹽以帶電氫鍵形式存在的硼酸親和機(jī)理. 分子模擬不僅為功能單體、 印跡比、 交聯(lián)劑和溶劑［22，23］的篩選提供了理論指導(dǎo)， 而且定量描述了分子水平［24，25］上的識(shí)別和機(jī)制以及印跡的本質(zhì).

鑒于形成的硼酸酯鍵對(duì)底物分子的獨(dú)特識(shí)別能力， 借助這種親和作用可在MOF骨架結(jié)構(gòu)上構(gòu)筑新型微流控選擇性識(shí)別芯片. 本文以Zr為金屬中心， 以對(duì)苯二甲酸（Terephthalic acid， BDC）和3-羧基苯硼酸（3-Carboxyphenylboronic acid， 3-CPBA）為雙配體， 合成了UiO-66-BA金屬有機(jī)框架材料， 并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種基于硼親和策略的新型MOF/MIP復(fù)合材料的分子印跡紙基芯片F(xiàn)SU-BA@MIP， 通過密度泛函理論（Density functional theory， DFT）對(duì)FSU-BA@MIP選擇性吸附沙丁胺醇的機(jī)理進(jìn)行了理論計(jì)算； 首先對(duì)FSU-BA@MIP 中具有吸附作用的金屬有機(jī)框架（UiO-66-BA）的3-羧基苯硼酸配體和沙丁胺醇的復(fù)合物進(jìn)行拓?fù)浞治觯?對(duì)比了中性和離子化硼酸與沙丁胺醇間的相互作用力； 再通過Materials Studio軟件的DMol3模塊對(duì)UiO-66-BA和沙丁胺醇及競(jìng)爭(zhēng)吸附物質(zhì)的復(fù)合物進(jìn)行模擬； 計(jì)算結(jié)果解釋了基于硼親和分子印跡策略MOF/MIPs對(duì)沙丁胺醇的選擇性吸附， 并為下一步的MOF基選擇性識(shí)別界面構(gòu)筑提供了實(shí)例分析和理論參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 計(jì)算方法

通過Gaussian 16［26］和Materials Studio 2018［27］軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 使用Multifwn 3.8［28］軟件分析結(jié)果， 用VMD1.9.3［29］軟件進(jìn)行可視化.

1.2 計(jì)算過程

1.2.1 硼親和作用機(jī)理 采用Gaussian 16程序研究3-羧基苯硼酸配體和沙丁胺醇的相互作用， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化使用隱式溶劑模型（Implicit solvation model， SMD）， 溶劑為水， 采用DFT的B3LYP/6-31+G（d，p）泛函加上色散校正（em=gd3bj）計(jì)算， 最后用波函數(shù)分析軟件Multifwn進(jìn)行拓?fù)浞治觯?并用VMD軟件繪制結(jié)構(gòu)模型.

1.2.2 印跡空腔模擬 印跡空腔的模擬能夠預(yù)測(cè)分子印跡空穴的形狀， 使用Materials Studio 軟件的Adsorption Locator 模塊的模擬退火法獲得了3-CPBA 和模板沙丁胺醇分子以及交聯(lián)劑硅酸四乙酯（Tetraethyl orthosilicate， TEOS）的自組裝混合物， 再將模板分子從中移除， 形成含有印跡空腔的混合物， 然后對(duì)其進(jìn)行幾何優(yōu)化， 并用Forcite模塊的動(dòng)力學(xué)方法模擬了腔體對(duì)模板再吸附的動(dòng)態(tài)過程.

1.2.3 印跡空腔識(shí)別機(jī)制 對(duì)沙丁胺醇和幾種競(jìng)爭(zhēng)吸附化合物［去甲腎上腺素（Noradrenaline，NORE）、 特布他林（Terbutaline sulfate， TER）、 克侖特羅（Clenbuterol hydrochloride， CBL）、 萊克多巴胺（Ractopamine hydrochloride， RAC）］進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 再使用Multifwn 軟件分析得出每種底物分子的體積. Piletsky等［30］提出只有模板分子或分子體積小于模板分子的物質(zhì)才能夠進(jìn)入印跡空腔， 在此， 通過比較分子體積的大小初步確定能夠進(jìn)入印跡空腔的化合物， 由此來判斷分子印跡對(duì)競(jìng)爭(zhēng)化合物是否存在吸附作用.

1.2.4 結(jié)合能與反應(yīng)能 使用Materials Studio 軟件中的DMol3模塊進(jìn)行選擇性吸附計(jì)算， 具體模擬過程如下： （1） 對(duì)構(gòu)建好的UiO-66-BA、 沙丁胺醇、 競(jìng)爭(zhēng)吸附化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化； （2） 在已經(jīng)優(yōu)化完的UiO-66-BA吸附SAL的xsd文件去除模板（SAL）后固定的所有原子坐標(biāo)， 然后在可能的作用位點(diǎn)加入優(yōu)化完成的競(jìng)爭(zhēng)化合物形成新的復(fù)合構(gòu)型； （3） 根據(jù)結(jié)合能公式計(jì)算得出幾種物質(zhì)與印跡空腔中識(shí)別位點(diǎn)的結(jié)合能， 通過比較結(jié)合能的大小說明模板對(duì)沙丁胺醇的特異性吸附. 并通過Mulliken布居電荷分析能夠更加準(zhǔn)確地從理論上說明FSU-BA@MIP對(duì)沙丁胺醇的選擇性吸附.

根據(jù)下式計(jì)算結(jié)合能（?E1， eV）：

式中：EC（eV）為UiO-66-BA與吸附化合物形成未成環(huán)簡(jiǎn)單復(fù)合物的總能量；ET（eV）為吸附化合物的能量；EU（eV）為UiO-66-BA的能量.

因?yàn)榕鹚崤潴w與含順式二醇的化合物在一定的pH下可形成的硼酸酯， 故模擬硼親和分子印跡對(duì)目標(biāo)物的選擇性時(shí)不能僅僅計(jì)算一般的非共價(jià)作用情況. 在此， 也模擬計(jì)算了UiO-66-BA和SAL及競(jìng)爭(zhēng)物質(zhì)反應(yīng)脫去兩分子水形成五元或六元環(huán)酯時(shí)的反應(yīng)能， 在式（1）的基礎(chǔ)上加上兩分子水的能量得到的反應(yīng)能（?E2， eV）的公式如下：

式中：EM（eV）為UiO-66-BA與吸附化合物結(jié)合成含有硼酸環(huán)酯復(fù)合物的總能量；EH2O（eV）為水的能量.

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

為了考察FSU-BA@MIP 對(duì) SAL 的特異性吸附， 選擇同屬于β-腎上腺素受體激動(dòng)劑的克侖特羅、 特布他林、 萊克多巴胺及結(jié)構(gòu)類似物去甲腎上腺素作為SAL 的競(jìng)爭(zhēng)吸附化合物. 分別配制上述5種化合物的標(biāo)準(zhǔn)甲醇溶液（50 mg/L， 2 mL）， 加入兩片F(xiàn)SU-BA@MIP或FSU-BA@NIP 在水浴搖床中以120 r/min 振蕩1 h， 結(jié)束后取上層清液過0.22 μm 針頭式濾膜， 用高效液相色譜［Agilent 1100型高效液相色譜儀（HPLC）， 美國(guó)安捷倫科技有限公司］檢測(cè)殘留物濃度， 并根據(jù)下式計(jì)算吸附容量：

式中：Qe（mg/g）為單位質(zhì)量的FSU-BA@MIP 對(duì)SAL 的吸附量；c0（mg/L）為SAL 起始溶液濃度；ce（mg/L）為吸附平衡時(shí)溶液相中SAL 濃度；V（mL）為吸附平衡時(shí)溶液體積；m（g）為FSU-BA@MIP 的質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 沙丁胺醇和3-羧基苯硼酸的相互作用

分子中原子（Atoms in molecules， AIM）理論分析化學(xué)鍵主要是基于電子密度拓?fù)浞治龅氖侄? AIM拓?fù)鋱D中顯示了鍵徑和鍵臨界點(diǎn)（Bond critical point， BCP）， 從實(shí)際化學(xué)意義上判斷， 鍵徑能夠較好地展現(xiàn)原子間相互作用的最主要路徑， BCP 的屬性可以用來考察相應(yīng)化學(xué)鍵的特征， 包括強(qiáng)度和本質(zhì)［31］. 基于 Hirshfeld 分區(qū)的獨(dú)立梯度模型（IGMH）以圖形的方式更直觀顯示分子間弱相互作用， 圖形中等值面的大小和顏色可以判斷作用力的強(qiáng)弱［32］. 在此， 可用AIM分析和IGMH圖來識(shí)別3-CPBA和沙丁胺醇形成的復(fù)合物之間的相互作用.

中性的3-CPBA與沙丁胺醇分子間形成一條鍵徑［圖1（A）］， 形成的等值面對(duì)應(yīng)著散點(diǎn)圖［圖1（C）］中sign（λ2）ρ為-0.04處的峰值（δinterg為3-CPBA與沙丁胺醇間的相互作用力）， 圖1中最下面的顏色標(biāo)尺代表圖中的著色方式和對(duì)應(yīng)的顏色解釋， 所以圖1（A）中形成的藍(lán)色等值面表示強(qiáng)吸引力（如氫鍵）. 離子化的3-CPBA與沙丁胺醇形成3條鍵徑［圖1（B）］， 位點(diǎn)2的等值面對(duì)應(yīng)著散點(diǎn)圖［圖1（D）］ sign（λ2）ρ為-0.05處的峰值， 此處峰值明顯高于位點(diǎn)1， 并且圖1（B）中兩個(gè)分子間也存在一些范德華力作用， 這些可以說明離子化的3-CPBA與沙丁胺醇間的相互作用更強(qiáng). 鍵臨界點(diǎn)的電子密度分析可以從理論上預(yù)測(cè)真空相中氫鍵的能量， 根據(jù)式（4）或式（5）［33］， 可以表明實(shí)驗(yàn)中分子間相互作用的強(qiáng)度. 鍵臨界點(diǎn)1處和2處的電子密度［ρ（r）， a.u.］的值列于表1.

Table 1 Electron density and predicted energy H-bonding of different sites

Fig.1 Interaction of salbutamol and 3-carboxyphenylboronic acid（A） AIM and IGMH plots for neutral 3-CPBA and SAL； （B） AIM and IGMH plots of charged 3-CPBA and SAL； （C） interaction scatter plot of neutral 3-CPBA and SAL； （D） interaction scatter plot of charged 3-CPBA and SAL. Elements： H（white）； B（pink）；C（cyan）； O（red）； N（blue）.

式中：Eneutral（kJ/mol）為中性復(fù)合物中形成的氫鍵鍵能. 將位點(diǎn)1相應(yīng)的ρ（r）代入式（4）， 可以計(jì)算出位點(diǎn)1處形成的氫鍵鍵能估計(jì)值為-35.5356 kJ/mol， 屬于中等強(qiáng)度氫鍵范疇；Echarged（kJ/mol）為帶電復(fù)合物中的氫鍵鍵能， 將位點(diǎn)2的電子密度代入式（5）得到氫鍵鍵能為-68.5631 kJ/mol， 屬于強(qiáng)氫鍵. 氫鍵的能量越高， 共價(jià)鍵就越容易形成， 說明離子化3-羧基苯硼酸更容易與含順式二醇的沙丁胺醇形成穩(wěn)定的苯硼酸酯.

2.2 印跡空腔模擬

對(duì)3-CPBA， SAL和TEOS進(jìn)行印跡空腔模擬， 形成的分子印跡自組裝混合物如圖2（A）所示， 形成的自組裝混合物可以可視化模擬吸附沙丁胺醇的過程， 更為直觀了解印跡空腔的形成以及其對(duì)SAL的吸附. 從圖2（A）可見， 3-CPBA和SAL被TEOS包圍， 形成了一定厚度的印跡涂層， Bie等［34］認(rèn)為適當(dāng)厚度的印跡涂層能夠決定MIP對(duì)模板的結(jié)合性質(zhì)， TEOS形成的二氧化硅層能夠有效避免特異性吸附. 將模板沙丁胺醇分子移除， 能看到形成了一個(gè)印跡空腔［圖2（B）］， 由于二氧化硅的高度交聯(lián)結(jié)構(gòu)使印跡涂層具有高孔隙率、 優(yōu)異的物理剛性等特點(diǎn)， 因此， 該空腔在形狀和尺寸上應(yīng)與模板互補(bǔ). 再通過分子動(dòng)力學(xué)模擬吸附沙丁胺醇的過程， 將沙丁胺醇放在空腔入口處［圖2（C）］， 印跡空腔里的作用位點(diǎn)對(duì)沙丁胺醇的特異性吸附使其進(jìn)一步進(jìn)入空腔， 圖2（D）為分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)束狀態(tài).

Fig.2 3-CPBA, SAL and TEOS molecularly imprinted self-assembly mixtures(A), imprinted cavity mixture(B), the initial state(C) and the end state(D) of molecular dynamics simulationElements： Si（yellow）； H（white）； B（pink）； C（gray）； N（blue）； O（red）.

2.3 選擇性吸附模擬

研究了基于硼親和策略新型MOF/MIP 復(fù)合材料的分子印跡吸附膜FSU-BA@MIP 對(duì)沙丁胺醇及其類似物的選擇性， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， FSU-BA@MIP 對(duì)沙丁胺醇存在特異性吸附， 對(duì)其它競(jìng)爭(zhēng)物質(zhì)有少量吸附. 為了更加了解FSU-BA@MIP對(duì)沙丁胺醇的吸附性能并且驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 對(duì)競(jìng)爭(zhēng)物質(zhì)的分子體積進(jìn)行比較和DFT 計(jì)算， 從分子水平上對(duì)FSU-BA@MIP 中主要具有吸附作用的金屬有機(jī)框架（UiO-66-BA）對(duì)沙丁胺醇的選擇性識(shí)別機(jī)制進(jìn)行了理論計(jì)算與分析.

2.3.1 模型的構(gòu)建 探討的硼親和策略分子印跡技術(shù)是在紙基上進(jìn)行硼親和定向表面印跡選擇性吸附動(dòng)物源性食品中的沙丁胺醇， 實(shí)驗(yàn)中以Zr為金屬中心、 對(duì)苯二甲酸和3-羧基苯硼酸為雙配體（摩爾比3∶1）合成了UiO-66-BA 納米材料. 為了讓計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)條件接近， 在UiO-66-BA 模型構(gòu)建時(shí)的兩種配體摩爾比也應(yīng)該為3∶1， 并且Song 等［35］使用離子化4-羧基苯硼酸構(gòu)型對(duì)硼酸配體與模板的結(jié)合能進(jìn)行計(jì)算， 將UiO-66-BA中一個(gè)3-羧基苯硼酸配體以陰離子硼酸基形式表示， 構(gòu)建的UiO-66-BA 模型如圖3所示. UiO-66-BA 的結(jié)構(gòu)單元是由［Zr6O4（OH）4］金屬簇團(tuán)與12 個(gè)配位連接而成， 密集的結(jié)構(gòu)單元使得整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地連接. 沙丁胺醇和其它競(jìng)爭(zhēng)吸附化合物的分子構(gòu)型取自ChemSpider網(wǎng)站.

Fig.3 Initial configuration of UiO-66-BA

2.3.2 分子體積 研究分子印跡的識(shí)別機(jī)制， 首先分析競(jìng)爭(zhēng)分子的分子體積. 使用Gaussian 16軟件對(duì)沙丁胺醇及4種競(jìng)爭(zhēng)吸附化合物［去甲腎上腺素（NORE）、 特布他林（TER）、 克侖特羅（CBL）、 萊克多巴胺（RAC）］進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 將結(jié)果文件導(dǎo)入分析軟件Multifwn3.8得到各自的體積.

計(jì)算得出沙丁胺醇、 克侖特羅、 萊克多巴胺的分子體積分別為0.3305， 0.3418 和0.4061 nm3， 競(jìng)爭(zhēng)物質(zhì)克侖特羅和萊克多巴胺的分子體積均大于沙丁胺醇的體積， 因此進(jìn)入不了印跡空腔， 能夠解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果中FSU-BA@MIP對(duì)這兩種物質(zhì)的吸附量最低的現(xiàn)象. 去甲腎上腺素和特布他林的分子體積分別為0.2124和0.3068 nm3， 均比沙丁胺醇的分子體積小， 說明這兩種分子可以進(jìn)入印跡空腔， 但是去甲腎上腺素和特布他林分子與空腔中識(shí)別位點(diǎn)的相互作用弱于模板分子沙丁胺醇， 屬于非特異性吸附結(jié)合， 此結(jié)論可通過DFT計(jì)算進(jìn)行理論模擬驗(yàn)證分析.

2.3.3 UiO-66-BA與目標(biāo)物質(zhì)的結(jié)合能 在考慮分子印跡作用時(shí)， 印跡空腔能對(duì)模板分子沙丁胺醇及其類似物具有選擇識(shí)別特性， 故UiO-66-BA 與沙丁胺醇和競(jìng)爭(zhēng)分子去甲腎上腺素、 特布他林之間均含有相互作用力， 結(jié)合方式由目標(biāo)分子和UiO-66-BA形成復(fù)合物的結(jié)構(gòu)決定. 模板分子與功能單體在溶液中以非共價(jià)方式作用， 主要是氫鍵、 疏水作用、π-π共軛等作用力［36］. 由2.1 節(jié)的結(jié)果可知，UiO-66-BA的硼酸配體與沙丁胺醇間存在氫鍵作用， 在此， 先模擬UiO-66-BA與目標(biāo)分子非共價(jià)作用時(shí)摩爾比為1∶1的復(fù)合物構(gòu)型（圖4）， 并用式（1）計(jì)算結(jié)合能. 通常， 復(fù)合物的結(jié)合能越低， 復(fù)合物的穩(wěn)定性越強(qiáng)， UiO-66-BA與目標(biāo)分子之間的相互作用也越強(qiáng).

Fig.4 Optimized configuration of the complex formed by UiO-66-BA with Salbutamol(A),Norepinephrine(B) and Terbutaline(C)

從表2可見， UiO-66-BA和沙丁胺醇的結(jié)合能為-1.1494 eV， 明顯低于UiO-66-BA-NORE的結(jié)合能（-0.8350 eV）以及UiO-66-BA-TER 的結(jié)合能（-0.7241 eV）， 結(jié)合能ΔE為負(fù)值， 越低越有利于UiO-66-BA對(duì)沙丁胺醇的識(shí)別， 說明印跡空腔對(duì)沙丁胺醇的吸附結(jié)合作用強(qiáng)于去甲腎上腺素和特布他林， 這與選擇性吸附實(shí)驗(yàn)中去甲腎上腺素和特布他林的吸附量均低于沙丁胺醇的結(jié)果一致.

Table 2 Binding energy of UiO-66-BA with adsorbed substance

2.3.4 Mulliken布居電荷分析 Mulliken布居電荷有助于了解UiO-66-BA與沙丁胺醇、 去甲腎上腺素和特布他林形成復(fù)合物時(shí)表面電子的定量轉(zhuǎn)移情況. 表3列出了3種復(fù)合物中主要原子吸附前后的電荷量， 并計(jì)算了電子轉(zhuǎn)移數(shù)量（Δe）， 電子轉(zhuǎn)移主要是UiO-66-BA 的羥基上的O 原子得電子， H 原子失電子. 轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)越多， 相互作用越大［37］， 通過表3數(shù)據(jù)可知， UiO-66-BA-SAL的得失電子數(shù)都是最多的， 因此， 在以非共價(jià)方式作用的模型中， UiO-66-BA和沙丁胺醇之間有較強(qiáng)的相互作用力. Mulliken電荷分析的結(jié)果和結(jié)合能的結(jié)果一致， 均能驗(yàn)證選擇性吸附實(shí)驗(yàn)中FSU-BA@MIP對(duì)沙丁胺醇的吸附效果最好.

Table 3 Mulliken charge of UiO-66-BA bound to the adsorbed substance

2.3.5 UiO-66-BA與目標(biāo)物質(zhì)的反應(yīng)能 硼酸鹽親和材料的分子相互作用的原理依賴于硼酸配體與含順式二醇的化合物之間的可逆共價(jià)反應(yīng)， 當(dāng)溶液的pH大于硼酸的解離常數(shù)（pKa）值時(shí)， 硼酸以四方硼酸根陰離子（sp3）的形式存在， 并與順式二醇反應(yīng)形成共價(jià)鍵環(huán)酯［38］. 在模擬計(jì)算FSU-BA@MIP對(duì)沙丁胺醇選擇性吸附機(jī)理時(shí)， 除了考慮分子印跡的作用， 還應(yīng)考慮硼親和作用. 使用Materials Studio 軟件中的DMol3模塊計(jì)算UiO-66-BA 和沙丁胺醇及競(jìng)爭(zhēng)分子的順勢(shì)二醇反應(yīng)脫去兩分子水時(shí)的復(fù)合物能量， 溶劑為水， 用式（2）計(jì)算的反應(yīng)能結(jié)果列于表4. 可見， UiO-66-BA與沙丁胺醇的反應(yīng)能最小， 并且反應(yīng)能遠(yuǎn)高于非共價(jià)作用時(shí)的能量， 能夠說明UiO-66-BA的硼酸配體與SAL更易形成硼酸環(huán)酯且形成的復(fù)合物在一定pH的溶液狀態(tài)下穩(wěn)定存在.

Table 4 Reaction energy of UiO-66-BA with adsorbed substance

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硼酸鹽親和材料能夠在堿性環(huán)境下與含順式二醇的物質(zhì)結(jié)合； 表面印跡的有效傳質(zhì)促進(jìn)了模板分子的去除和重新結(jié)合， 獲得了較高的印跡效率. 在硼酸鹽親和與表面印跡的雙重作用下，F(xiàn)SU-BA@MIP 具有特異性識(shí)別位點(diǎn)以及較高結(jié)合親和力， 能夠選擇性吸附具有順式二醇結(jié)構(gòu)的沙丁胺醇， 其它相似分子存在一些非特異性吸附. 在此， 通過式（3）計(jì)算了FSU-BA@MIP 對(duì)幾種物質(zhì)的吸附量， FSU-BA@MIP 對(duì)沙丁胺醇的吸附量最高， 達(dá)到111.6732 mg/g， 去甲腎上腺素的吸附量為31.1263 mg/g， 高于特步他林的16.4869 mg/g， 與計(jì)算得到的結(jié)合能中去甲腎上腺素的結(jié)合能絕對(duì)值高于特步他林一致. 克倫特羅和萊克多巴胺的吸附量分別為13.8163和11.2247 mg/g， 與克侖特羅和萊克多巴胺的分子體積大于沙丁胺醇從而進(jìn)入不了印跡空腔導(dǎo)致吸附量較低的結(jié)論一致， 說明計(jì)算結(jié)果能驗(yàn)證與指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)， 并能估計(jì)選擇性實(shí)驗(yàn)中吸附物質(zhì)的吸附量高低.

3 結(jié)論

使用拓?fù)浞治龅贸?-羧基苯硼酸與沙丁胺醇間存在氫鍵作用， 并且離子化的3-羧基苯硼酸與沙丁胺醇的氫鍵鍵能更高. 氫鍵的能量越高， 共價(jià)鍵就越容易形成， 說明硼酸以四方硼酸根陰離子（sp3）的形式存在時(shí)易與順式二醇反應(yīng)并形成硼酸酯. 此外， 通過密度泛函理論計(jì)算模擬驗(yàn)證實(shí)了驗(yàn)結(jié)果，F(xiàn)SU-BA@MIP對(duì)沙丁胺醇有特異性吸附， 為實(shí)驗(yàn)提供了計(jì)算方法與理論依據(jù)， 并為發(fā)展新型硼親和印跡材料提供了計(jì)算參考和佐證. 對(duì)MOF界面硼親和結(jié)合底物的計(jì)算與表征策略的研究結(jié)果， 證明了硼修飾的UiO-66-BA是一個(gè)非常具有潛力的硼親和骨架.