COF-RC的简便合成及其用于水果中氨基甲酸酯类农药残留的高效固相萃取与UHPLC-MS/MS高灵敏分析

《Food Chemistry: X》：Facile synthesis of a covalent organic framework for efficient solid-phase extraction and analysis of carbamate pesticide residues in fruits

　　

研究人员简便合成了一种共价有机框架（COF，covalent organic framework）COF-RC，用于水果中氨基甲酸酯类农药残留的高效固相萃取（SPE，solid-phase extraction）与分析。COF-RC表现出高结晶性、微孔性和化学稳定性。COF-RC-SPE方法获得优异回收率（92.7–102.9%）。采用HPLC-MS/MS（高效液相色谱-串联质谱）分析获得超低检测限（LODs，limits of detection，0.01–0.051 ng/g）。COF-RC实现了水果样品中氨基甲酸酯类农药的选择性和灵敏检测。

研究背景：氨基甲酸酯类农药因广谱生物活性、环境持久性相对较短及较部分其他类别农药毒性较低而广泛用于农业。其作用方式为抑制乙酰胆碱酯酶（AChE，acetylcholinesterase），破坏神经冲动传递并导致害虫死亡。尽管其在作物保护中有效，但残留可通过环境暴露和食物链污染威胁人类健康与非靶标物种，尤其涉及水果、蔬菜和乳制品；作为AChE抑制剂，氨基甲酸酯可产生神经毒性并干扰免疫和代谢功能，带来慢性健康风险。因此，监管机构建立了最大残留限量（MRLs，maximum residue limits）。液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）因灵敏度、选择性和定量能力被广泛采用，但食品基质复杂且氨基甲酸酯浓度痕量，直接分析困难，需包括净化、提取和浓缩的高效样品前处理；前处理效果很大程度取决于吸附剂材料，直接影响回收率、选择性和重现性。固相萃取（SPE）因简便、适应性强、有机溶剂消耗少和提取效率高而常用，但C18、硅胶、活性炭和聚合物等传统吸附剂常缺乏选择性、稳定性低且吸附容量有限。共价有机框架（COF，covalent organic framework）是由有机构建单元经共价连接形成的结晶多孔材料，具有高表面积、可调孔结构、结构稳定性和易裁剪功能化，但用于样品提取和净化的COF仍较少；已报道的COF基氨基甲酸酯吸附剂多局限于少量目标物或有限基质范围。氨基甲酸酯为半极性化合物，可经羰基接受氢键或经氨基提供氢键，并含芳环或杂环，因此含芳构建单元和氢键位点的COF可经氢键和π–π作用保留氨基甲酸酯。基于此，研究人员开发并验证了以多功能三嗪基COF-RC为选择性吸附剂的SPE方法，用于四种复杂水果基质中七种氨基甲酸酯的同时测定；COF-RC由2,4,6-三羟基苯-1,3,5-三甲醛（L1）与1,3,5-三(4-氨基苯基)三嗪（L2）缩合而成，形成富含含氮基团、羟基和扩展π共轭体系的二维框架，并评估其灵敏度、准确度、精密度、选择性、基质适用性和吸附剂重复使用性。研究表明该方法回收率为92.7–102.9%，LOD为0.0101–0.051 ng/g，LOQ为0.0305–0.1545 ng/g，吸附剂至少可重复使用10个循环，支持其作为食品安全常规监测工具，并拓展了COF基氨基甲酸酯多残留提取的基质适用范围。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员以L1与L2为构建单元，经Schiff碱缩合溶剂热合成COF-RC；采用粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、N₂吸附-脱附、热重分析（TGA）表征；系统优化SPE的洗脱溶剂与体积、pH、离子强度、吸附剂用量、吸附/解吸时间和振荡速率；建立UHPLC-MS/MS检测七种氨基甲酸酯，并用于当地市场采购的新鲜椰枣、番茄、葡萄和苹果样品。

研究结果：3.1 COF-RC的合成与结构表征：通过L1醛基与L2氨基的Schiff碱缩合，在o-dichlorobenzene/butanol溶剂和6 M乙酸催化下120 °C反应5天合成COF-RC；多批次PXRD一致，表明批间结构重现性良好；形成经亚胺连接并发生烯醇-酮互变异构的二维β-酮烯胺连接框架。3.1.1 孔隙与比表面积分析：N₂吸附-脱附呈I型等温线，确认微孔性，BET（Brunauer–Emmett–Teller）比表面积910 m²/g，孔容1.10 cm³/g，孔径分布主峰16.0 ?，孔径较均一，高表面积提供吸附位点并利于分子扩散和保留。3.1.2 PXRD数据与结构模拟：实验PXRD在2θ≈6.9°出现(100)强反射，并有(110)、(200)、(210)较弱反射；与AA和AB堆叠模拟比较，AB堆叠模型与实验吻合，表明层间优先AB交错堆叠；峰宽归因于纳米晶尺寸和部分层间无序，但多级反射支持长程周期性和良好结晶性。3.1.3 结构与热稳定性：在DMSO、DMF、乙醇、HCl（pH 1）、NaOH（pH 13）和沸水中处理后PXRD基本不变；TGA显示约500 °C前热稳定，100 °C以下轻微失重归因于物理吸附溶剂和水分，500 °C以上主要失重归因于框架热分解和网络坍塌。3.1.4 FTIR光谱：1654 cm^?1醛C=O伸缩带消失、3398和3327 cm^?1伯胺NH伸缩振动明显减弱，1634 cm^?1吸收带与共轭β-酮烯胺框架一致；β-酮烯胺连接、三嗪氮原子和羟基提供多位点，经氢键和π–π作用增强对氨基甲酸酯的选择性保留。3.2 吸附机理：以propoxur为代表，COF-RC经β-酮烯胺框架、三嗪氮、羟基和扩展π共轭网络，与氨基甲酸酯的羰基、醚、芳香和氨基基团发生氢键、π–π堆叠和静电作用；羟基主要作为氢键供体，β-酮烯胺和三嗪氮作为氢键受体；吸附后FTIR中OH伸缩带由3458 cm^?1移至3490 cm^?1，框架带由1634 cm^?1移至1644 cm^?1；XPS（X射线光电子能谱）O 1s由约532.8 eV移至532.4 eV，支持含氧位点参与非共价界面作用。3.3 SPE条件优化：3.3.1 洗脱溶剂与体积：加入0.1% FA使carbosulfan回收率降至≤20%，无FA时甲醇对七种氨基甲酸酯回收率最高，2.5 mL甲醇回收率99–104%，故选甲醇且不加FA、体积2.5 mL。3.3.2 离子强度：0–20% NaCl范围内回收率96–103%，提取效率不受盐添加影响，后续不加盐。3.3.3 样品pH：pH 4时多数回收率低，pH 6–7最大且接近100%，pH 8–10多数下降而pirimicarb稳定，选pH 6–7。3.3.4 COF用量：5 mg时回收率47–75%，10 mg时99–104%，超过10 mg无改善，选10 mg。3.3.5 吸附和解吸时间：吸附30 min回收率97–103%，解吸15 min接近100%，选30 min和15 min。3.3.6 振荡速率：400 rpm回收率97–101%，低于400 rpm混合和传质不足，高于400 rpm无显著改善，选400 rpm。3.4 选择性评价：以八种有机磷农药（OPPs，organophosphorus pesticides）为潜在干扰物进行竞争性SPE，氨基甲酸酯回收率94.7–101.8%，OPPs为1.7–67.7%，仅temephos为67.7%，其余低于60–140%可接受范围；选择性归因于氨基甲酸酯与COF-RC的氢键、偶极-偶极和π–π作用，以及部分OPPs结构较大导致位点可及性降低。3.5 COF-RC稳定性与重复使用性：15个连续循环中前10次回收率90–103%，第14次所有氨基甲酸酯仍为75–98%，第15次propoxur降至58%而其他为67–93%；10次循环后PXRD和FTIR无显著变化，仅PXRD峰强度略降，表明晶体框架和保留相关官能团保持稳定，支持至少10次重复使用。3.6 方法验证：四类水果基质中线性良好，R²为0.9985–0.9997；LOD为0.0101–0.051 ng/g，LOQ为0.0305–0.1545 ng/g；日内精密度RSD为1.55–7.82%，日间为0.38–9.42%；多数分析物-基质组合基质效应在±20%内，pirimicarb在椰枣（43.97%）和番茄（37.32%）、fenoxycarb在椰枣（36.70%）呈中度离子增强，fenoxycarb在苹果（?26.39%）呈中度离子抑制，无强基质效应，支持采用基质匹配校准。3.7 实际样品应用：加标0.5、10和100 ng/g时，椰枣回收率92.7–101.5%（RSD 1.6–7.6%）、番茄93.7–100.8%（1.7–11.6%）、葡萄95.1–101.5%（2.2–8.2%）、苹果94.1–102.9%（1.6–6.8%），符合SANTE/11312/2021限值；未加标样品中fenoxycarb（3.27–10.02 ng/g）和propoxur（0.76–6.02 ng/g）最常检出，其他氨基甲酸酯以不同频率和浓度检出，表明方法适用于复杂食品基质痕量分析。3.8 与已报道方法比较：该方法LOD为0.01–0.051 ng/g，与多数比较技术相当或更低；吸附剂用量10 mg、甲醇2.5 mL，且可同时测定七种氨基甲酸酯，多残留覆盖广于多数已报道方法；回收率92.7–102.9%与MCOF-DhaTab-MSPE（73.8–88.9%）、Fe-Al MMH@MOF-MSPE（71.5–122.8%）和COF-TpDB-SPE（80.4–101.2%）等相比具有优势；COF-COOH@MIPs-SPE虽回收率100.64–102.78%但用于水样，而本研究在四种复杂水果基质中保持高回收率。讨论部分总结表明，COF-RC-SPE-UHPLC-MS/MS方法灵敏度高、吸附剂用量低、有机溶剂消耗适中、多残留覆盖较广，并在复杂水果基质中保持良好准确度和精密度，支持其实际应用和可重复使用性。

研究结论（译）：综上所述，研究人员通过L1与L2之间的Schiff碱缩合反应成功合成了COF-RC，得到具有高结晶性、微孔性以及良好化学和热稳定性的有序二维结晶框架。该材料表现出对氨基甲酸酯类农药的优先保留，主要由氢键、π–π堆叠和静电相互作用驱动。作为固相萃取吸附剂，COF-RC表现出良好的分析性能，在四种水果基质（椰枣、番茄、葡萄和苹果）中回收率为92.7–102.9%。该框架还表现出良好的结构耐久性，在至少10个连续重复使用循环中保持萃取效率而无显著性能损失。与UHPLC-MS/MS检测联用，所建立的COF-RC-SPE方法在所研究基质中表现出良好的灵敏度、重现性和适用性，支持其作为食品安全应用中常规氨基甲酸酯残留监测的实用工具的潜力。这些发现支持COF-RC作为可重复使用吸附剂用于农药残留分析的潜力，并提示其在环境和农食监测中具有更广泛的适用性。