共價有機骨架材料的性能及其在食品安全檢測領域的應用進展

劉婧怡，趙海田,，姚 磊

（1.哈爾濱工業大學化工與化學學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱學院食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150086）

共價有機骨架材料（covalent organic frameworks，COFs）是一類由有機基元通過共價鍵連接而形成的晶態有機多孔聚合物，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雜志首次報道了這種新型多孔材料[1]，COFs便因其簡單的制備方法、獨特的共價結構和優異的性能脫穎而出，引起學界的廣泛關注。

與金屬有機框架（metal organic frameworks，MOFs）結構[2]類似，COFs是一類長程有序結構的多孔聚合物。COFs是由有機基元經熱力學控制的可逆聚合而成，可以通過合成過程中的自糾錯和自修復而得到納米尺度范圍內的有序結構。因此，相比其他共價有機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聚合物等無定形材料[3]，COFs具有顯著的結構規則、孔徑均一等特性。

近十年來，COFs領域在開發新結構和新應用等方面發展迅速，目前COFs材料已經發展到上百種。雖然COFs材料種類眾多，但是按照共價鍵形成的類型區分，最常見的有三大類：含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs。COFs已廣泛應用于氣體儲存、催化、光電傳感、分離和藥物遞送等諸多領域[4]，近年來，在食品安全檢測領域也有良好的應用發展趨勢。本文介紹了COFs（含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs）的材料特性及其應用的優勢與限制，并總結分析了COFs在食品中有毒有害物質檢測方面的應用進展，以期對COFs在食品安全檢測新技術方面的推廣應用提供理論參考。

1 COFs的主要類型及特性

一般認為合成COFs的化學反應必須是熱力學可逆的，因此，目前應用于COFs合成的方法很有限，按其形成的共價鍵類型可將其分為3 類，包括含硼COFs、三嗪COFs與亞胺COFs[5]。以上3 類COFs的合成主要涉及6 種可逆反應，如圖1所示。含硼COFs：包括硼酸三聚脫水生成硼酸酐反應（A）、硼酸和酚類脫水生成硼酸酯反應（B）以及硼酸與硅烷醇生成硼硅酸鹽反應（C）；三嗪COFs：腈基三聚環化生成共價三嗪基骨架反應（D）；亞胺COFs：醛胺脫水縮合席夫堿反應（E）、醛與酰肼生成腙反應（F）。由于生成可逆共價鍵的構建單元不同，3 種COFs合成工藝及特性也存在一定的區別。

目前，常見的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高溫（80～120 ℃）加熱2～9 d，通過對溶劑、反應時間、溫度、催化劑等條件的調控可以獲得不同結晶度、形貌特征、粒徑的COFs[7]。離子熱法多應用于三嗪類COFs，限于條件難以把握而目前應用并不廣泛；微波合成法的最大優勢是反應時間短，Campbell等[8]成功應用微波輔助制備了2D COF-5，反應時間不到20 min；研究報道，在室溫和常壓下合成了亞胺類COFs[9]，這為COFs材料的量化生產提供了可能。

圖1 COFs可逆共價鍵形成的6 種主要反應途徑[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）通過可逆反應生成B—O鍵而構建的一類COFs材料。由于硼酸和硼酸酯的引入，含硼COFs也表現出各種獨特的“含硼”材料特性[10]。硼原子摻入到碳骨架中，不僅可以增加對H2的攝取，還可以降低費米能級，提高材料的電化學性能[11]，此外，硼原子還可以有效地抑制金屬聚集[12]。因此含硼COFs可以作為優異的儲氫材料，或者結合金屬原子制備超級電容材料。Deshmukh等[13]通過構建摻雜金屬原子的含硼COFs可以將材料的儲氫容量提高至7.5%。Wang Ruining等[14]研究發現，基于硼氧六環連接構建的COFs是半導體，其能帶結構顯示出平帶特征，通過改變硼氧六環之間連接的苯環個數可調控帶隙，并可在較大的壓縮應變下保持平面特征，表明含硼COFs有望成為柔性電子設備中的優選材料[15]。

含硼COFs也具有一定的局限性，B—O鍵的鍵能較低，缺電子硼位點易受親核試劑（如水分子）的攻擊，導致其在水中不穩定，甚至在空氣濕度較大的環境中也經常易于水解，導致孔道坍塌繼而結構被破壞，大幅限制了其應用。針對這一局限性，學界也開展了一系列相關研究。Lanni等[16]通過將疏水性烷基鏈引入COFs孔中構建了“烷基化孔”，可以減緩水解對含硼COFs的影響。Du Ya等[17]通過形成螺硼酸鹽鍵構建了一種新型離子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，制備了相對濕度實時測定傳感器，結果發現，雖然材料的結晶度會在實際應用中發生變化，但其70 d的測定標準偏差僅為2.3%，具有一定的實用性。

1.2 三嗪COFs

三嗪COFs是基于腈基的三聚環化反應構建的COFs，具有很強的熱穩定性、化學穩定性與機械穩定性[19]。三嗪COFs因含1,3,5-三嗪環這種芳香性的平面π-共軛結構而具有一些獨特的光電性質；另外，其中大量氮原子摻雜會賦予此類材料對小分子氣體更高的結合力[20]。Li Yajuan等[21]開發了一類以四氰基對苯醌二甲烷和4 個π-共軛腈作為三聚單體的新型富氮微孔三嗪COFs，當合成溫度為800 ℃時，具有最佳的比表面積（3 663 m2/g）和氮相對含量（8.13%）。該材料在離子中，具有42.8 Wh/kg能量密度，在10 000 次循環后沒有任何電容退化，作為電化學儲能系統的高性能電極材料具有巨大的潛力。Wang Keke等[22]報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CO2的最高吸附容量為57.2 cm3/g，CO2/CH4平衡吸附量比值高達102.4，具有優異的選擇性捕獲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 ℃）環境長時間（一般40 h）反應，促使腈環三聚。此外，三嗪COFs合成材料的結晶度有限，大多呈現為無定形材料。Ren Shijie等[23]嘗試了在室溫條件合成三嗪COFs，結果發現利用微波輔助處理，可使材料產生一定的結晶度，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形成亞胺鍵（C＝N）連接而構建的一類COFs材料。此類COFs既有類似含硼COFs優異的結晶度，又具有類似三嗪COFs良好的熱穩定性，并且合成條件簡單（在室溫條件下即可合成），因此亞胺COFs是目前應用最為廣泛的COFs類材料。由于構建亞胺COFs的單體含有醛基、氨基等基團，可作為COFs衍生化的位點，實現材料的多樣化、功能化。Kuehl等[24]以六乙基環己烷和苯四胺為原料，利用溴化反應對材料進行官能團化，實現了對孔徑、電荷等條件的直接調控，借此可制備25 種含帶不同電荷和不同孔徑的功能化COFs，充分驗證了亞胺COFs合成的多樣性。

亞胺COFs由于含有C＝N，在酸、堿環境下不穩定，晶型也會隨之發生變化而使應用受到限制。近年來，研究人員為穩定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-酮結構互變[25]（圖2A）、引入分子內氫鍵[26]（圖2B），合成了在酸性條件下具有超高穩定性的COFs。Xu Hong等[27]通過將甲氧基結合到COFs孔壁中來增強層間相互作用（圖2C），以穩定亞胺COFs，合成的材料具有出色的酸堿穩定性、高結晶度和孔隙率。

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

綜上可見，含硼COFs具有一系列“含硼”的獨特性質（如結晶度高、儲氫容量大、可抑制金屬聚集等），但又由于其在水中的不穩定性而使其應用受到了很大限制；三嗪COFs具有極強的穩定性，但又存在著合成條件苛刻，材料結晶度不高等問題；亞胺COFs除了具有與含硼COFs相似的優異結晶度外，還具有良好的熱穩定性，但也存在酸、堿條件下不穩定的缺點。因此，構建優異的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行研究，進而提高COFs的適用性。

2 COFs在食品安全檢測領域的應用

食品中有害殘留物檢測對象主要包括農藥獸藥殘留、環境污染物、非法添加物、食品添加劑、生物毒素等。由于食品基質復雜，且分析物含量通常低至微克乃至納克級，因此，必須經過提取、凈化和濃縮等前處理才能進行分析檢測。有效的樣品前處理不僅能夠去除基質干擾，而且能夠提高檢測靈敏度[28]。由于COFs具有高比表面積、低密度、高穩定性等諸多優點，現已被用作吸附劑應用在環境、醫藥、能源、食品等領域。近幾年，COFs在食品安全分析檢測領域的應用也成為研究的熱點，尤其是在抗生素類藥物、生物毒素、添加劑、重金屬以及農獸藥等物質的分離富集前處理方向已有較多報道（表1）。

表1 COFs在食品安全檢測領域的應用Table 1 Application of COFs in food safety detection

續表1

2.1 抗生素

抗生素是目前應用十分廣泛的藥物，但由于對其濫用所造成的抗生素污染也一直是食品安全檢測領域關注的重點。Xu Guiju等[29]合成了一種氮摻雜COFs作為固相萃取柱填料，用于從復雜樣品中8 種磺胺類抗生素（sulfonamide antibiotics，SAs）的快速分離。結果表明，該COFs對8 種SAs的吸附量達到130～151 mg/g，相比于對照組（磁性超交聯聚苯乙烯、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，用于預處理肉樣中的5 種SAs，檢測限為1.7～2.7 ng/mL。Zhou Nan等[31]設計合成了基于COFs和Ce-MOF的納米復合物制備的高靈敏度的電化學傳感器，用于檢測土霉素，檢測限可低至17.4 fg/mL。Liu Xiaokang等[32]利用鈷基金屬有機骨架（Co-MOF）和對苯二甲腈共價有機骨架（TPN-COFs）合成了一種新型納米結構雜化材料Co-MOF @ TPN-COFs，并將其用于青霉素的電化學檢測傳感器，其線性范圍為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節產生生物毒素，直接威脅著人類的生命健康。如生物胺類毒素多存在于發酵肉制品中，易誘發結腸癌、直腸癌等[33]。Zhang Dianwei等[34]開發出基于半導體納米晶體量子點接枝的雙功能分子印跡COFs材料，將其作為吸附劑富集檢測酪胺，實現快速吸附，可在12 min內實現95%的回收率。Chang Qingyun等[35]通過室溫無溶劑機械化學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，線性范圍為5.0～800.0 μg/L，并且該固相萃取柱重復使用50 次以上提取效率無明顯變化，應用于實際樣品檢測限為0.92～2.57 μg/L，遠低于傳統的C18材料（100～960 μg/kg）。此外，Salonen等[36]合成了在水中穩定存在的COFs用于吸附海水中的岡田酸海洋藻毒素，可以在60 min內達到平衡，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，發現其對4 種黃曲霉毒素平均吸附量高達450 pmol/柱，具有良好的預濃縮能力。

2.3 添加劑

添加劑在食品中的濫用與違規使用造成食品安全問題已屢見不鮮，如蘇丹紅已經被國際癌癥研究機構歸類為第3類致癌物[38]，嚴禁用作食品添加劑，但仍時有不法商家使用的案例見諸報道。因此對于食品領域各類添加劑的監督檢測是十分必要的。Zhang Ying等[39]基于量子點接枝COFs制備的三維分子印跡聚合物用于檢測水產養殖和牲畜飼料的添加劑喹喔啉-2-羧酸，最佳條件下，在60 min內喹喔啉-2-羧酸的回收率為87.9%。Ding Hui等[40]構建了一種分子印跡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4 種對羥基苯甲酸酯，發現使用6 mg吸附劑即可實現在0.1～500 μg/L范圍內，86%～102%的回收率。Zhang Chengjiang等[42]制備了新型腙鍵共價有機聚合物（hydrazone linked-covalent organic polymer，HL-COP），并通過HL-COP微固相萃取，測得6 種蘇丹紅染料的富集因子為305～757，吸附量是3 種常用商業吸附劑（C18、碳納米管、石墨烯材料）的1.0～11.0 倍，表現出極強的預濃縮能力。

2.4 其他

此外，COFs對于多環芳烴、酚類有害物質、重金屬、農獸藥等也有著優異的吸附特性。Li Ning[43]、Shi Xuexiang[44]和Ma Tiantian[45]等基于雜化COFs測定食品樣品中痕量多環芳烴均表現出優異的富集能力和適用性。已有學者利用COFs痕量檢測食品中酚類有害物質（酚類內分泌干擾物[46-47]、苯酚[48]和氯酚[49]）開展了研究，結果表明其具有檢測限較低、靈敏度高的特點。Xiong Yuhao等[50]通過快速微波-離子熱法合成三嗪COFs用于模擬過氧化物酶骨架，利用比色法檢測銅離子，具有高選擇性、靈敏性和低成本等特點。Liu Jingmin等[51]應用COFs作為吸附劑，實現了對自來水、牛奶等實際樣品中10 種痕量重金屬元素的在線預富集。Wu Mingxue等[52]合成新型腙型COFs，并將其固定在不銹鋼纖維上進行頂空固相微萃取，用于提取檢測水果和蔬菜中的擬除蟲菊酯，結果表明新型腙型COFs具有良好的線性范圍與低檢測限。Song Yuhong[53]、Zhao Wenjie[54]等利用COFs分別對苯甲酰脲類殺蟲劑和四環素兩種獸藥的分離富集進行了研究，實驗結果也體現了COFs材料的優異性。

3 結 語

雖然自首例COFs合成至今僅十幾年，但相關研究發展迅速。三大類COFs各有優點，如含硼COFs的“含硼”特性、三嗪COFs的強穩定性、亞胺COFs的合成簡便性等。近幾年，研究人員針對三大類COFs存在的問題（如含硼COFs在水中的不穩定性、三嗪COFs結晶度低、合成條件苛刻、亞胺COFs酸堿不穩定性等）進行了大量研究，也做出了一定的改善。目前，COFs已被逐步引入食品安全檢測領域，用于多種物質的檢測分析，并表現出檢測限低、富集能力強、應用效果好等諸多優點。但是作為新興材料，在投入實際推廣應用之前，COFs尚存在選擇性不強、吸附后分離檢測不方便、易受環境影響等問題需要不斷改進和完善。因此，如何有效地結合其他技術開發各種新型功能性COFs及其衍生物，以增強其對不同性質的目標物和各種檢測環境的適應性，是當前研究的熱點，如結合分子印跡聚合物提高材料的選擇性，結合磁納米材料簡化分離操作，結合量子點實現熒光檢測，摻雜MOFs、納米纖維等強化材料性能等。相信隨著國內外食品科學、材料科學、分析化學等領域相關技術的不斷發展進步，COFs可以通過功能化有效促進食品安全檢測領域向更靈敏、更高效、更便捷方向發展，COFs在食品科學與工程領域中的應用前景也將更加廣闊。