共价-有机骨架材料在色谱及样品预处理中的应用

杨成雄， 严秀平

(1．南开大学化学学院分析科学研究中心，天津300071;2．江南大学食品学院分析食品安全学研究所，江苏无锡214122)

共价-有机骨架(covalent-organic frameworks，COFs)材料是一类由 C、H、O、N、B 等轻质元素通过共价键连接的多孔材料，2005年由Yaghi课题组［1］首次报道。COFs具有比表面积大、密度小、种类和性质多样、孔尺寸可调、热和化学稳定性好等优点［2－4］，在气体储存［5］、催化［6］、传感［7］、药物传输［8］和吸附［9］等领域得到了广泛研究。COFs特殊的结构和优异的性能也已在分析化学中显示出良好的应用潜力［10］，尤其是 COFs 在色谱分离［11－20］和样品预处理［20－38］中的应用。本文对近年来 COFs在色谱和样品预处理中的研究进展进行评述和展望。

1 COFs在色谱分离中的应用

1．1 气相色谱

COFs具有比表面积大、热稳定性好和孔道规则有序的优点，有望用做气相色谱(GC)固定相。然而，现有的COFs合成方法苛刻、反应时间长、需要高温或高压。Yang等［11］采用室温溶剂搅拌法合成了形貌规则且粒径均一、比表面积大和热稳定性好的COFs材料 TpBD(一种由1，3，5-三羟基均苯三醛(Tp)和对苯二胺(BD)合成的COFs材料)，采取动态涂覆法制备了TpBD毛细管气相色谱柱，成功用于高效、快速GC分离烷烃、醇、蒎烯、环己烷和苯等化合物。麦氏常数测试结果表明TpBD是一种强极性固定相，发现了目标物与TpBD的范德华作用力、π-π以及氢键相互作用等多重分离机理，揭示了COFs用于GC的良好应用前景。

手性COFs在手性催化和手性分离领域极具应用价值，但手性 COFs合成目前仍有很大挑战。Qian等［12］通过在COFs反应单体上引入手性功能基团，采用“自下而上”法成功合成了3种手性COFs，并采用原位生长法制备了上述3种手性COFs的毛细管色谱柱用于GC手性分离。所制备的COFs手性色谱柱实现了手性化合物1-苯基乙醇、1-苯基-1-丙醇、柠檬烯和乳酸甲酯的高选择性分离。热力学测定结果表明COFs对上述手性化合物的分离均由焓变驱动。手性COFs的空间选择性、范德华作用力、氢键作用力和π-π相互作用是实现手性分离的关键。该工作对手性COFs的合成以及手性COFs在手性催化及手性分离领域的应用具有重要意义。

1．2 高效液相色谱

COFs具有比表面积大、溶剂稳定性好等优点，可望用做高效液相色谱(HPLC)固定相。然而，目前文献［1－9］报道的 COFs大多为亚微米级，且粒径分布不均匀，直接用于填装HPLC色谱柱可能导致柱压高、柱效低等问题，阻碍了其在 HPLC中的应用。

将COFs与整体柱材料相结合制备COFs整体柱是解决上述问题的有效方法之一。Liu等［13］采用共价键合的方法制备了聚(TpPa-MA-co-EDMA)整体柱，用于改善分离有机小分子。所制备的聚(TpPa-MA-co-EDMA)整体柱不仅具有良好的均匀性和通透性，同时在分离多环芳烃、酚类物质、胺类物质、非甾体类抗炎药物和苯并噻吩类等有机小分子方面具有较高的柱效、较好的分离度和精密度。分析物和TpPa-1之间的疏水、π-π和氢键相互作用是高效分离上述有机小分子的关键。结果表明，聚(TpPa-MA-co-EDMA)整体柱在HPLC分离有机小分子方面有良好的应用前景，同时也展示了COFs在HPLC中的应用潜力。

将COFs负载于球形基质表面制备球形COFs复合材料是解决上述问题的另一有效途径。Wang等［14］开展了以氨基修饰的球形SiO2为基质，采用原位生长法制备单分散球形TpBD@SiO2复合材料用于HPLC的研究。通过调节COFs反应单体Tp和BD的浓度，可控制TpBD@SiO2复合材料表面TpBD的厚度。利用中性(乙苯和甲苯、多环芳烃)、酸性(对苯二酚、对甲苯酚和对氯苯酚)和碱性等探针分子对TpBD@SiO2色谱柱的性能进行了评价，发现了疏水、氢键、π-π相互作用的多重保留机理。TpBD@SiO2复合材料可在等度和无需添加缓冲剂条件下实现核酸碱基、核苷和脱氧核苷的高选择性分离。上述结果表明，球形TpBD@SiO2复合材料兼具球形SiO2良好的填充性能和TpBD良好的分离能力，是一种有应用前景的色谱固定相。

最近，Zhao等［15］报道了将片层共价三嗪骨架(CTF)负载于腈基功能化球形SiO2表面制备CTF@SiO2复合材料用于HPLC的研究。在反相模式下利用单取代苯、多环芳烃、酸性及碱性化合物等探针分子考察了CTF@SiO2复合材料色谱柱的分离及保留机理，并对比了商品化C18色谱柱以及腈基功能化SiO2色谱柱的分离性能。CTF@SiO2复合材料中的腈基和芳香性基团是其改善HPLC分离性能的基础。CTF@SiO2复合材料良好的填充性能和分离效果有望用于复杂样品分析。

手性COFs也可负载于球形SiO2表面用于HPLC。Zhang等［16］设计并合成了一种新的腙键桥连手性BtaMth，所合成的手性BtaMth具有好的结晶度、高的孔隙率和良好的化学稳定性。采用“一步法”制备了BtaMth@SiO2复合材料，用于HPLC分离硝基甲苯和硝基氯苯同分异构体、β氯氰菊酯和叶菌唑顺反异构体。BtaMth@SiO2复合材料色谱柱对上述异构体的分离性能优于氨基SiO2色谱柱，表明BtaMth@SiO2复合物良好的异构体分离性能及HPLC应用潜力。

上述关于COFs的HPLC研究均基于二维(2D)COFs。最近，Han等［17］首次报道了“自下而上法”合成三维(3D)手性COFs用于HPLC手性分离的研究。所合成的3D手性COFs具有较大的比表面积和良好的化学稳定性，成功用于分离手性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。结果表明，手性孔道和氢键作用是实现手性分离的关键，同时也发现了该手性COFs优异的尺寸排阻效应，拓展了手性COFs用于手性HPLC的应用。

1．3 毛细管电色谱

Niu等［18］首次报道了原位化学键合法将亚胺类COF LZU1键合于硅烷功能化毛细管内壁用于开管毛细管电色谱(CEC)分离有机小分子的研究。由于LZU1的尺寸选择性以及分析物和LZU1骨架上有机单体之间的疏水相互作用，该色谱柱可实现烷基苯、多环芳烃、苯胺类等探针分子的高效分离。LZU1大的比表面积及其在毛细管内壁高的覆盖率使得LZU1色谱柱对萘具有较高的载样量(0.6 g/L)。分析物的日内保留时间和峰面积的相对标准偏差(RSDs)分别为 1.4%～2.6%和 2.7%～8.7%，日间保留时间和峰面积的 RSDs分别为1.3%～3.9%和3.9%～9.7%，柱间样品保留时间的RSDs为1.0%～3.9%，300次色谱分离样品的保留时间RSDs为2.1%。结果表明，化学键合法制备的COFs色谱柱具有良好的稳定性和CEC应用潜力。

Bao等［19］采用聚多巴胺辅助结合层层生长的方法将多层COF-5负载于毛细管内壁用于CEC。研究发现，层层生长3次的COF-5毛细管柱具有最佳的色谱分离性能和较短的制备周期。通过对比在石英和玻璃毛细管内壁生长COF-5的方法验证了毛细管内壁生长COF-5的适用性，同时也指出聚多巴胺非共价和共价键合作用与层层生长法相结合是COF-5良好稳定性的基础。所制备的COF-5毛细管柱具有高柱效(分离甲苯的柱效为1.54×105plates/m)、良好的稳定性和重现性，实现了中性、酸性和碱性等化合物的基线分离。结果表明，通过聚多巴胺辅助的方法可以将硼酸类COFs负载于多种基质表面，为硼酸类COFs的分析化学应用提供了新方法。

最近，Kong等［20］通过毛细管柱内壁功能化的醛基与反应单体之间的席夫碱反应，诱导LZU1在毛细管内壁原位生长用于CEC。由于引入的LZU1具有良好的尺寸选择性、疏水和氢键相互作用，有效改善了毛细管柱对中性化合物、氨基酸和非甾体抗炎药物的选择性。同时，LZU1毛细管柱具有良好的稳定性及重现性。

2 COFs在样品预处理中的应用

2．1 固相微萃取

固相微萃取(SPME)是一种集萃取、浓缩、解吸和进样于一体的样品预处理技术，具有使用方便、快捷、无需有机溶剂、灵敏、价廉等优点，已广泛用于样品预处理。近年来，以COFs为涂层的SPME研究也已引起人们的关注［21－24］。

Zhang等［21］采用物理涂覆法制备了SCU1不锈钢纤维，并成功用于萃取室内的挥发性苯系物。虽然物理涂覆法是制备SPME纤维最简便的方法之一，但其稳定性和重现性有待提高。为此，Wu等［22］开展了聚多巴胺辅助法制备COFs不锈钢纤维用于顶空萃取蔬菜和水果中的菊酯类农药的研究。所制备的COFs不锈钢萃取纤维对菊酯类农药的选择性和萃取效率好、富集因子高、检出限低、重现性好，最终用于蔬菜和水果等实际样品中菊酯类农药的检测。目标物与COFs之间的π-π、疏水、氢键和分子间相互作用是高效萃取菊酯类农药的关键。

化学键合法也可有效提高COFs萃取纤维的稳定性和重现性。Wang等［23］开展了共价化学交联法制备SNW-1不锈钢纤维用于萃取苯酚类化合物的研究。以硅烷化试剂将不锈钢纤维表面进行氨基功能化，通过酰胺缩合反应将SNW-1键合于不锈钢纤维表面。所制备的不锈钢萃取纤维对酚类化合物富集因子高、检出限低、线性和重现性好。SNW-1对苯酚类化合物的高选择性和富集效率源于SNW-1和苯酚类化合物之间的疏水相互作用。最近，Wu等［24］利用巯基-乙烯基 click反应将 COFs固定于不锈钢纤维表面，用于萃取和检测蔬菜中的农药残留。化学键合及COFs的层状结构有效保证了该COFs不锈钢纤维良好的稳定性及较大的吸附容量。在最优的萃取条件下，对4，4'-滴滴滴、毒死蜱等农药的富集因子为 2 190～10 998，检出限为0.000 3～0.002 3 ng/kg，日内和日间的萃取峰面积RSDs分别为3.4%～7.6%和5.7%～11.6%，回收率为78.2%～107.0%。目标物分子与COFs之间的π-π、氢键和分子间相互作用是高效萃取的主要影响因素。

2．2 固相萃取

2015年，Zhang等［25］率先将 COFs应用于在线微固相萃取食物中的苏丹染料。设计和合成了一个新的具有良好形貌和吸附性能的腙键连接COFs，利用其骨架强的疏水性、丰富的苯环和亚胺键实现了苏丹类染料的高选择性和高灵敏度富集，其富集效果优于3种常用商品化吸附剂，最终成功用于检测辣椒粉和香肠等实际样品中的苏丹染料。通过对比不同疏水性的多环芳烃(PAHs)和不同取代基萘衍生物的萃取效果证明了COFs与目标物之间的π-π、疏水和氢键等多重的萃取机理。

Zhong等［26］开展了凝胶-溶胶法制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)/CTFs包覆搅拌棒用于在线固相萃取水中酚类污染物的研究。所制备的CTFs搅拌棒具有良好的重现性，在最优萃取条件下对酚类污染物的检出限为0.08～0.30 μg/L，线性范围为0.5～500 μg/L，富集因子为 64.9～145.6，优于商品化的PDMS和聚乙二醇(PEG)包覆的搅拌棒，成功用于检测环境水样中的酚类污染物，取得了较好的回收率。

上述关于COFs的固相萃取研究均集中于有机污染物，COFs还可用于在线富集环境中的金属离子。最近，Liu等［27］报道了 CTpBD用于流动注射富集与电感耦合等离子体质谱联用检测环境水样和食品中的 Cr(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、V(Ⅴ)、Cu(Ⅱ)、As(Ⅲ)、Se(Ⅳ)和 Mo(Ⅵ)等多种金属离子，并显示出良好的稳定性、检出限和重现性。

在线固相萃取技术虽然可以大大缩短样品分析时间、增加样品分析通量、减少操作程序、有效提高分析结果重现性和实现样品分析自动化，但对COFs粒径和机械稳定性要求较高。颗粒较细的COFs由于会产生较大的反压而难以应用于在线固相萃取。目前，具有合适粒径和机械稳定性的COFs并不多，因此限制了COFs在线固相萃取技术的发展和应用。

基体分散固相萃取(MSPD)是有效避免上述问题的有效方法之一。Ma等［28］以TpPa-1为吸附剂，采用基体分散法选择性富集N-糖肽。TpPa-1对N-糖肽具有非常高的选择性，可以在fmol水平和非N-糖肽浓度为1 000倍的条件下实现人N-糖肽的选择性富集。同时，TpPa-1良好的稳定性、较低的密度和骨架上丰富的结合位点使其具有良好的可重复使用性和较高的吸附容量。结果表明，COFs在复杂生物样品中具有良好的应用潜力。

制备COFs聚合物整体柱是有效避免上述问题的另一方法。最近，Wang 等［29］和 Zhang 等［30］分别报道了COFs掺杂和COFs键合聚合物整体柱用于萃取人血清和尿液中苯甲酮以及食物中磺胺类和荧光增白剂的研究。

磁分离技术具有操作简单、快速、兼容性和选择性好等特点，将COFs与磁固相萃取结合很有吸引力。最近，Li等［31］发展了可控合成核-壳结构磁性Fe3O4@TpBD复合材料用于高效富集和去除水中双酚类污染物的研究。采用单体诱导生长法，通过控制反应单体的浓度实现对磁性Fe3O4@TpBD复合材料壳层厚度的控制。由于TpBD具有强的疏水性和丰富的亲水性基团，使得所制备的Fe3O4@TpBD复合材料对双酚A和双酚F吸附速率快、吸附容量高、易解吸。且该材料可重复使用，是一种有应用潜力的磁固相萃取吸附剂。Wang等［32］和Chen等［33］分别报道了Fe3O4@LZU1复合材料用于磁固相萃取环境和生物样品中的PAHs和紫杉醇的研究。

最近，Yan等［34］采用溶剂热原位还原Ni离子的方法制备了磁性CTF/Ni复合材料用于快速磁固相萃取塑料包装材料中的邻苯二甲酸酯类污染物。CTF/Ni复合材料与邻苯二甲酸酯类污染物之间较强的π-π和疏水相互作用，使其对邻苯二甲酸酯类污染物具有很好的萃取效率。同时，磁性的引入可以快速地将目标物从基质溶液中分离，减小基质对萃取的影响。该方法具有分析时间短、灵敏度高、溶剂消耗少、重现性好等优点，有望用于其他痕量有机污染物的分析。

上述制备磁性COFs复合材料的方法均在高温条件下进行，同时反应时间较长。发展室温快速合成磁性COFs复合材料的方法很有必要。Lin等［35］报道了室温溶剂法快速(＜5 min)制备核-壳型Fe3O4@COFs复合材料，用于富集复杂生物样品中的多肽，同时排阻蛋白质。对两个具有相近相对分子质量和尺寸但不同极性和芳环数目的多肽进行吸附，结果表明，磁性Fe3O4@COFs复合材料对芳环数目较多的肽具有良好的萃取效率。较快的吸附动力学(＜5 min)、较好的可重复利用性和化学稳定性使其非常适合用于肽的纯化。Fe3O4@COFs不但对肽具有良好的吸附性能，还可有效排阻蛋白质，拓展了COFs在蛋白质组学中的应用。He等［36］在室温条件下通过磁性纳米粒子表面的氨基诱导TpPa-1生长制备花束状磁性Fe3O4@TpPa-1复合材料，用于磁固相萃取水中PAHs。TpPa-1大的比表面积以及与PAHs的π-π相互作用是高效富集PAHs的基础。

最近，Gao等［37］也报道了室温合成 Fe3O4@TbBd复合材料用于选择性富集多肽并同时有效排阻蛋白质的研究。Fe3O4@TbBd复合材料大的比表面积和孔体积、规则有序和疏水性的孔结构、良好的磁分离性能、优异的热和化学稳定性，使其对疏水性多肽具有很好的选择性。同时，该材料对蛋白质具有严格的尺寸排阻效应，可以用于人血清中的低丰度疏水性多肽的高效富集，并能排除高丰度蛋白质。在5 μg/L的人血清消解液中检测出29个疏水性多肽，明显优于未经过Fe3O4@TbBd复合材料处理的方法，显示出Fe3O4@TbBd复合材料良好的蛋白质组学应用前景。

蛋白质的糖基化在许多疾病和生命过程中起着重要作用。发展高选择性的吸附剂和高效的样品预处理方法对蛋白质的糖基化分析尤显关键。Wang等［38］采用两步溶剂热法制备了海胆状的Fe3O4@TpPa-1复合材料用于富集糖肽。所发展的磁固相萃取方法具有低检出限(28 fmol)和高选择性，可以在人血清免疫球蛋白G(IgG)和辣根过氧化物酶(HRP)样品中检测出37和22个糖肽，在人血清消解液中检出的糖肽和糖蛋白质数分别为228和114个，优于商品化吸附剂，显示出COFs良好的糖蛋白质组学应用潜力。

3 总结与展望

上述研究初步揭示了COFs在色谱和样品预处理领域良好的应用前景。然而，相对于数目庞大的COFs而言，目前仅有少数COFs用于色谱和样品预处理的研究。为了进一步推动COFs色谱和样品预处理的研究进展，建议今后在以下几个方面加强研究。就COFs材料而言，现有COFs的合成方法苛刻、费时、成本高，部分COFs稳定性较差而大大限制了COFs在色谱和样品预处理领域的应用。因此，开展绿色、简便的COFs合成方法，合成溶剂或水稳定的COFs将会有效促进COFs在色谱和样品预处理领域的应用进展。此外，手性COFs的研究仍处于起步阶段，开展新颖手性COFs的合成及应用研究具有重要意义。同时，3D COFs的涌现为COFs的色谱和样品预处理应用提供了更宽广的舞台。近年来，由COFs与其他功能材料结合形成的COFs复合材料的涌现，不仅大大丰富了COFs的种类和性质，同时弥补了其中任一单一相的应用限制，因此开展COFs复合材料的色谱和样品预处理研究将是一个非常有前景的方向。相对现有的分离富集材料而言，COFs具有比表面积大、热和溶剂稳定性好、种类多样、结构和性能可设计等优点，有望解决一些传统材料难以解决的分离富集问题。总之，作为一类新型的多功能多孔材料，COFs将在色谱和样品预处理中得到越来越广泛的应用。