表面印迹技术通过亲疏水性调控赋予低成本双配体金属有机框架固定相多模分离能力

《Separation and Purification Technology》：Surface imprinting empowers low-cost dual-ligand MOF stationary phase for multimodal separation via hydrophilic-hydrophobic regulation

　　

引言

甲砜霉素（SM₂）是一种在兽医学中广泛应用的多谱抗菌药物，在畜牧业、家禽养殖业和水产养殖中均有大量使用。研究证实，未被代谢的SM₂以母体形式经动物排泄物和养殖废水进入水和土壤等环境介质，构成典型的兽药污染物[1]，[2]。SM₂在环境中的持久存在和长期暴露会对水生生态系统产生慢性毒性效应，被认为是抗微生物耐药病原菌富集的主要驱动力，对生态系统稳定性和公共健康构成潜在长期风险[3]，[4]。此外，在蛋白质类运动营养补充剂中非法添加禁用的食品源性兴奋剂，如合成类固醇激素和糖皮质激素，会扰乱内分泌稳态并造成不可逆的器官损伤，更为严重的是，有损竞技体育的公平性，凸显了对准确高效检测方法迫切需求[5]。高效液相色谱（HPLC）因其卓越的抗基质干扰能力、低检测限、准确的定量能力和较短的分析周期，在分子检测和筛选中获得了广泛应用[6]，[7]，[8]。在复杂基质中灵敏、精确地检测痕量分析物的关键在于工程化色谱填料，使其兼具卓越的選択性和识别特异性[9]，[10]，[11]，[12]，[13]，[14]。

金属有机框架（MOFs）是由金属次级构建单元（SBUs）与有机连接体通过配位定向组装形成的有序多孔材料。得益于通过网状化学实现的精确结构和功能可调性，以及固有的高比表面积和丰富的相互作用位点，MOFs已成为跨多个领域跨学科研究的焦点，涵盖能量转换[15]，[16]，[17]、环境监测[18]，[19]，[20]、多相催化[21]，[22]，[23]，[24]和吸附分离[25]，[26]，[27]等领域。文献调研表明，通过将MOFs与二氧化硅基质复合制备的MOF@SiO₂复合固定相，有效克服了纯MOF颗粒固有的缺陷，包括粒径分布宽和高压稳定性有限（这些缺陷容易导致柱压过高和框架崩塌）[28]，同时还能提高对位置异构体和水溶性分析物的分离選択性，支持正常相液相色谱（NPLC）和亲水相互作用液相色谱（HILIC）[29]，[30]，[31]，[32]。然而，MOF@SiO₂固定相仍存在关键局限性，包括对目标分子缺乏特异性识别以及对高疏水性分析物保留和分离能力不足，这些因素共同限制了其在复杂样品精密分离分析中的应用。

分子印迹聚合物（MIPs）是通过仿生分子印迹技术制备的人工受体模拟物，对模板分子具有高度特异性识别能力，在分析学、材料学、环境科学和生命科学领域具有广阔的应用前景[33]，[34]，[35]，[36]，[37]。MIPs的核心设计逻辑精确模拟了生物体中特异性的抗原-抗体识别机制。模板分子、功能单体和交联剂在共价或非共价力的驱动下组装成稳定的预聚合络合物，随后的聚合过程锁定三维网络结构，模板洗脱后生成互补的识别空腔，从而实现高选择性、高亲和力的特异性结合[38]，[39]。所形成的孔结构增强了分子识别和传质渗透性，有利于分析物的扩散，推动了MIPs在固定相中的应用[40]，[41]。此外，MIPs展现出卓越的合成多样性，通过匹配适当的功能单体和交联剂，可从大分子到蛋白质和细胞等不同目标进行定制合成，并进一步提供了修饰和精确调节多孔基底表面亲水性/疏水性及界面特性的机会[42]。特别是基于多孔基底的表面分子印迹聚合物（SMIPs），有效克服了传统本体聚合的核心缺陷，如形态不均一、印迹效率不理想、传质缓慢和模板洗脱困难。通过将识别位点定位于表面和近表面区域，SMIPs实现了整体性能和应用潜力的显著提升[43]，[44]，[45]。

本研究旨在通过MIP改性拓展MOF@SiO₂的分离范围。我们拟采用UiO系列经典的Zr₆簇作为SBUs，以富马酸（FA）和2-氨基对苯二甲酸（NH₂-BDC）作为有机配体，合成一种低成本双配体Zr-MOF[46]。该MOF预计可提供丰富的氢键供体/受体位点、金属配位中心和π-π堆积作用，从而为分离建立坚实基础。随后，将MIP引入MOF表面制备SMIP，这不仅避免了传统本体聚合的常见缺陷，还能精确调节MOF表面的亲水/疏水界面。该方法可能有效解决MOF@SiO₂对高疏水性分析物保留不足和分离能力有限的问题，同时赋予特异性识别功能。得益于双配体MOF与SMIP的协同优势，所得SMIP-MOF@SiO₂可实现对多种分析物的多模态分离，并实现对SM₂的特异性识别与检测。我们采用一系列分析物作为探针来评估SMIP-MOF@SiO₂的分离能力，包括位置异构体、核苷/碱基（NBs）、多环芳烃（PAHs）、烷基酚（APs）和食品源性兴奋剂。随后，将开发的SMIP-MOF@SiO₂用于商业化SM₂片剂样品中主要成分的定量分析，以及对蛋白质类运动营养补充剂中食品源性兴奋剂的检测。

章节摘要

SiO₂-COOH的制备

按照已建立的方案制备SiO₂-NH₂[47]。将DMF（60 mL）、SiO₂-NH₂（3 g）和戊二酸酐（3 g）加入三口瓶中。在30°C下搅拌反应24小时，最后用乙醇和水洗涤产物并干燥。

MOF@SiO₂的制备

将SiO₂-COOH（3 g）和ZrCl₄（139.8 mg）分散在H₂O（12 mL）和DMF（48 mL）的混合溶液中，混合物在130°C下反应2小时。随后加入FA（46.4 mg）和NH₂-BDC

表征

SEM图像清晰显示微球表面附着有均匀的纳米颗粒，证实了MOF@SiO₂和SMIP-MOF@SiO₂的成功合成（图2A-C）。FT-IR光谱显示，1560和1450 cm^?1处的峰源于芳环骨架振动，而970 cm^?1附近的肩峰归属于FA的反式C=C键，证实了NH₂-BDC和FA的存在以及双配体MOF的成功合成。经过SMIP改性后，1720 cm^?1附近的峰

结论

本研究针对传统MOF基色谱固定相面临的核心挑战，即疏水性分离性能有限且缺乏特异性识别能力，通过将MOFs与SMIP技术的特异性识别特性相结合，成功构建了一种具有优异机械性能、良好的水相容性和长期耐久性的新型SMIP-MOF@SiO₂复合固定相。系统的机理研究表明

CRediT作者贡献声明

胡峰（Feng Hu）：撰写—初稿、验证、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。宥怡廷（Yiting You）：方法论、调查研究。宥钰辰（Yuchen You）：调查研究。王浩然（Haoran Wang）：验证。陈伟（Wei Chen）：指导。唐声（Sheng Tang）：撰写—审阅与编辑、指导、资源获取、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能对本研究结果产生影响的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：21906124）和湖北省自然科学基金（编号：2017CFB220）的资助。作者感谢实验家（Scientific Compass，www.shiyanjia.com）张新宇先生在BET分析方面提供的宝贵帮助，e ceshi（www.eceshi.com）在TGA测试方面的帮助，以及SCI-GO（www.sci-go.com）张震先生在WCA分析方面提供的帮助。

Feng Hu|Yiting You|Yuchen You|Haoran Wang|Wei Chen|Sheng Tang