温和原位生长在 3D 打印整体柱上的氨基功能化 COF 涂层用于痕量重金属的在线测定

《Analytica Chimica Acta》：Mild in-situ growth of amino-functionalized COF coatings on 3D-printed monolithic columns for online determination of trace heavy metals

　　摘要- 通过投影微立体光刻技术设计并制造了一种体心立方拓扑整体柱。- 采用温和的原位生长策略，在3D打印整体柱上制备了氨基功能化COF涂层。- TP-BB COF修饰的3D打印整体柱具有优异的吸附性能和良好的长期可重复使用性。- 将七个整体柱与自定义3D打印气动阀阵列集成，用于在线ICP-MS分析。- 所开发的在线分析方法用于测定人体尿液样品中的Cu、Pb和Bi。引言重金属在人体内的异常蓄积会对生理功能造成严重损害[1]。其中，铅（Pb）暴露不仅会导致儿童神经系统发育迟缓，还可能诱发成年人的多种疾病，例如不孕不育和高血压[2]。同时，铜（Cu）和铋（Bi）等微量元素的稳态失衡也已知会引发代谢紊乱[3]、[4]。因此，在复杂生物基质中灵敏、准确地测定痕量重金属离子对于环境监测和临床健康评估都具有重要意义。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）凭借其优异灵敏度、低检出限（LOD）以及同时多元素测定能力，被广泛用于金属分析[5]。然而，生物样品的分析常因基质组成复杂、目标分析物浓度极低而受到阻碍，并常表现为明显的基质效应[6]。因此，在ICP-MS分析前开发高效的样品前处理技术，以实现目标离子的富集和减少基质干扰，仍是痕量金属分析中的关键步骤。毛细管整体微萃取（CME）是一种具有快速传质、高比表面积和易于与自动化系统集成等特点的固相微萃取技术，在痕量金属分析中展现出广阔的应用前景[7]。近期，利用三维（3D）打印技术构建整体柱结构已成为该领域的一个新兴研究方向[8]。与传统制备方法相比，3D打印整体柱具有结构可灵活设计、制备流程简单以及重现性优异等优势[9]。然而，目前大多数3D打印整体柱普遍缺乏发达的微孔结构和功能结合位点（如氨基和巯基），无法有效与金属离子配位，这在一定程度上限制了其在痕量金属萃取中的应用[10]、[11]、[12]。共价有机框架（COFs）以规则排列的微孔结构和易于调节的功能基团而著称，将其嵌入3D可打印基质中构成了一条克服上述缺点的有前景的路径[13]、[14]、[15]。正如我们在先前工作中所展示，Ou等人将巯基功能化COF整合到混合整体柱中，以引入表面巯基功能，从而实现Cd、Hg和Pb的选择性萃取[16]。Zhang等人利用所合成COF的羰基，提升了芯片式整体柱阵列对非甾体抗炎药（NSAIDs）的特异性吸附能力[17]。然而，将COF高效、稳定地固定在3D打印整体柱骨架上面临着两大瓶颈。首先，主要障碍在于传统合成路线与骨架结构完整性之间的不相容性：表面涂覆或物理混合往往会导致功能层剥离或内部孔隙堵塞，严重阻碍了COF在整个3D结构上均匀、形貌一致的成核生长。此外，传统的COF原位生长通常需要高温和强极性有机溶剂，而这很容易导致通过投影微立体光刻（PμSL）制备的聚合物骨架发生开裂甚至结构崩塌——鉴于其本身较差的热稳定性和耐溶剂性。PμSL聚合材料在温度高于80 ℃时会发生开裂或坍塌，且当材料暴露于DMF等有机溶剂时，这种降解会进一步加剧。由于大多数传统高温COF合成是在120 ℃的有机溶剂中进行，因此开发一种室温原位生长方法变得十分必要。其次，引入大量具有强金属配位能力的游离氨基对于高效吸附重金属离子至关重要[18]、[19]。遗憾的是，传统COF合成（例如亚胺缩合）会将大部分胺单元作为核心反应性单体消耗掉，导致所得材料缺乏暴露的游离氨基活性位点[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。因此，开发一种既能在温和条件下于骨架上原位形貌一致地生长COF，又能同时保留丰富游离氨基活性位点的策略，对于推进3D打印COF基整体柱的实际应用意义重大。在本工作中，我们提出了一种温和的原位生长策略，用于在3D打印整体柱上构建具有游离氨基活性位点的功能化COF涂层，并开发了一种新型3D打印SPE-ICP-MS平台，用于痕量金属离子的在线富集与分析。具体而言，我们合成了Bandrowski碱（BB）单体，该单体具有两种化学活性不同的氨基：一个锚定在环己二烯基环上的高反应性氨基，以及一个相对低反应性的位于苯环上的氨基。在与醛类单体进行缩合反应时，高反应性氨基优先参与形成亚胺键，并发生后续环化反应生成苯并二咪唑结构，而苯环上的低反应性氨基则被完好保留。该合成策略有效避免了在苛刻反应条件下对3D打印骨架造成结构损伤，并实现了致密COF材料在微通道内壁上的均匀、形貌一致生长。更重要的是，它解决了COF制备过程中保留游离氨基这一长期存在的合成瓶颈。在对一种具有优异Cu2?、Pb2?和Bi3?萃取性能的对氨基功能化COF进行系统筛选后，我们成功制备了分级多孔TP-BB 3D打印整体柱。此外，通过与3D打印气阀组件的模块化集成，我们开发了一套3D打印氨基功能化COF整体柱阵列系统。通过将自定义阵列系统与ICP-MS联用，建立了一种用于人体尿液样品中痕量Cu2?、Pb2?和Bi3?在线萃取与分析的新方法。原位生长的TP-BB 3D打印整体柱表现出优异的抗基质干扰能力、高样品通量以及对模块化自动化在线分析的良好适应性，为复杂生物样品中重金属离子的高效、准确检测提供了一种可行而有前景的策略。各章节摘要仪器设备与试剂本工作中所用仪器的详细信息汇总于表S1（补充材料），ICP-MS的具体操作参数列于表S2。本工作中所用主要试剂的详细信息列于表S3。BB单体的合成BB单体按照文献[25]的方法合成。首先，在持续搅拌下将3 mL的28 wt%氨水加入300 mL去离子（DI）水中，随后加入10 g……3D打印整体柱的结构设计使用SolidWorks 2021软件对八种不同拓扑结构单元进行了3D建模（图2）。建模过程中，各拓扑单元的几何比例参数被统一设定：单元长度（L）与杆径（t）之比固定为20:1，杆径设定为20 μm，对应的单元长度为400 μm。各拓扑结构的表面积和比表面积（SSA，按单位质量表面积计算）为……结论综上所述，我们开发了一种在温和条件下原位生长氨基功能化COF分级多孔3D打印整体柱的新型策略，有效克服了在3D打印框架中制备氨基功能化COF的局限性。该方法将3D打印技术的高度可定制性与COF材料大比表面积和丰富的功能位点优势完美结合。所构建的……CRediT作者贡献声明Tianyu Chen：撰写—初稿、验证、研究。Man He：撰写—审阅与编辑、方法论。Beibei Chen：撰写—审阅与编辑、监督、方法论、概念设计。Bin Hu：撰写—审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念设计。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本工作由中国国家自然科学基金（编号：22174103）资助。Tianyu Chen | Man He | Beibei Chen | Bin Hu