低共熔溶剂辅助绿色合成基于 TpPa-COF 的表面分子印迹聚合物用于杨梅素的选择性吸附

《Separation and Purification Technology》：Deep eutectic solvent-assisted green synthesis of a TpPa-COF-based surface molecularly imprinted polymer for selective adsorption of Myricetin

　　

摘要 本研究探索了一种二维块状共价有机框架（COF）的合成与应用，及其整合到表面分子印迹聚合物（SMIPs）中，用于从食品样品中选择性吸附杨梅素（Myr）。该 COF 是使用由氯化胆碱和甘油组成的二元低共熔溶剂（DES1）合成的，而分子印迹聚合物（MIPs）则是利用由氯化胆碱、丙烯酰胺和乙二醇组成的三元低共熔溶剂（DES2）在 COF 表面聚合而成。在优化 DESs 的比例后，所得到的应用于 COF 的 50%-DES(DC)-MIP 在 pH 6.0 下，0.5 小时内表现出 40.04 mg/g 的高吸附容量。吸附过程特征为 Langmuir 等温线和准二级动力学，是放热的。XPS 和 UV-Vis 光谱证实了吸附机制，表明 Myr 吸附到基于 COF 的 MIP 上主要是由氢键和 π-π 堆积相互作用驱动的。由于 COF 作为基体材料，增强了聚合物的结构稳定性和耐溶剂性，50%-DC-MIP 表现出优异的回收性，在五个循环中保持性能一致。由于优异的选择性，50%-DC-MIP 被有效地应用于葡萄汁、杨梅汁和绿茶，回收率分别为 94.67% 至 102.25%、93.75% 至 108.33% 和 97.33% 至 101.15%。这些发现突显了基于 COF 的 MIPs 在复杂食品样品中选择性提取和检测杨梅素等生物活性化合物的潜力，通过利用 DES 作为环保溶剂，符合绿色化学原则。

引言 杨梅素（Myr）是黄酮类的天然成分 [1]，其特点是具有优异的生物学和药理学活性，包括抗氧化 [2]、抗炎 [3] 和抗癌 [4]。然而，由于 Myr 浓度低且存在结构相似的类似物，从复杂的植物样品中选择性分离 Myr 仍然是一个挑战。因此，开发一种高效、快速且高选择性的 Myr 分离方法对于其潜在应用至关重要。近年来，固相萃取（SPE）作为一种有效提取 Myr 的有吸引力的方法而兴起，具有简单、成本效益高、回收率高和效率高等众多优点 [5]。此外，在 SPE 中使用多种定制吸附剂针对特定分析物 [6]。然而，许多吸附剂对目标分析物表现出较差的选择性。值得注意的是，与其他吸附剂相比，表面分子印迹聚合物（SMIPs）通过将印迹位点固定在特定基体材料的表面，可以显著提高目标分子的吸附选择性 [7]。同时，SMIPs 也可以解决传统 SMIPs 的嵌埋位点 [8]、低亲和力 [9] 以及模板洗脱困难等问题 [10]。尽管如此，在 SMIPs 合成中最小化对有毒有机溶剂的依赖，对于保障环境可持续性和人类健康至关重要 [11]。

绿色溶剂已成为各种化学过程中传统有机溶剂的有前景的替代品。这些溶剂的特点是毒性低、可生物降解且对环境的影响最小。与通常涉及危险化学品的传统溶剂不同，绿色溶剂提供了更安全、更环保的选择，符合绿色化学原则。其中，水 [12]、离子液体（ILs）[13] 和低共熔溶剂（DES）[14] 等绿色溶剂已在之前的研究中开发，并应用于 SMIPs 的合成。其中，DES 特别适合作为绿色和低毒溶剂，因为它不仅对多种有机化合物表现出良好的极性和溶解性，而且通过减少有毒、挥发性有机溶剂的使用来提高整体合成效率，有助于可持续和环保的过程 [15]。在 SMIPs 的合成中，DES 不仅作为溶剂，还作为功能单体，显著增强了 SMIPs 的制备过程。作为溶剂，DES 促进了模板分子 Myr 的溶解，并调节聚合物的孔隙率和比表面积。这促进了聚合过程中均匀混合物的形成，同时避免了与传统有机溶剂相关的环境担忧。

此外，DES 通过提高溶解度并作为功能单体提供强作用力，增强了 Myr 与聚合物之间的相互作用，从而提高了 SMIPs 的性能。作为功能单体，DES 通过与模板分子 Myr 相互作用，在聚合过程中发挥积极作用，促进 SMIPs 内选择性结合位点的形成。DES 中独特的氢键和 π-π 堆积允许形成对 Myr 高度特异性的印迹，确保高效的识别和吸附 [16]。DES 作为溶剂和功能单体的双重功能简化了合成过程，减少了所需试剂的数量，并提高了整体 SMIPs 生产的可持续性，使其成为绿色化学应用的有吸引力的选择。通过减少对有毒、挥发性有机溶剂的需求，DES 有助于实现更可持续和环保的过程。

或者，在 SMIPs 制备中选择适当的载体材料对于实现最佳的印迹效率和吸附容量至关重要。特别是，作为一种具有大比表面积、高度有序孔隙、显著热稳定性和耐溶剂性的结晶多孔纳米材料，共价有机框架（COFs）被广泛应用于合成 SMIPs [17]。然而，在 COF 的合成中，传统有机溶剂存在若干局限性，包括环境污染 [18]、毒性 [19]、高挥发性 [20] 以及对所需化学反应的潜在干扰 [19]，这可能会损害合成的效率、纯度和稳定性。传统溶剂系统可以被更绿色的 DES 替代，提供了一种环保、经济且可持续的方法 [21]。凭借其高热稳定性和可调粘度，DES 促进了具有改进结晶性、增强稳定性和更精细孔结构的 COF 产物的形成。这一特性有利于开发一种绿色、可持续且高效的制备基于 COF 的 SMIPs 的方法。

在本研究中，首先使用二元 DES 1（氯化胆碱/甘油）作为辅助绿色反应介质合成了二维层状 TpPa-COF，随后使用三元 DES 2（氯化胆碱/丙烯酰胺/乙二醇）制备了 DES 辅助的基于 COF 的分子印迹聚合物（DC-MIP）。DES 1 促进了 TpPa-COF 在温和条件下的形成，而 DES 2 同时作为聚合介质和功能成分，提高了模板溶解度、COF 分散性和选择性识别位点的形成。通过调整 DES 2/甲醇比例进一步优化印迹系统的组成，以获得最佳的 50%-DC-MIP。通过 FT-IR、XRD、SEM、TEM、XPS、TGA 和 N? 吸附 - 脱附分析系统表征了制备材料的结构和形态。随后从吸附动力学、平衡等温线、热力学、pH 值、吸附剂用量以及对结构相关化合物的选择性方面研究了 50%-DC-MIP 对 Myr 的吸附行为。基于结构表征和光谱证据进一步阐明了吸附机制，并评估了 50%-DC-MIP 在葡萄汁中 Myr 测定的可重复性和适用性。总体而言，这项工作提供了一种 DES 辅助策略，用于构建具有高效和选择性识别 Myr 能力的基于 COF 的表面分子印迹材料。

1,3,5-三醛基间苯三酚（Tp, >97%）、对苯二胺（Pa, >97%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF, >99%）、橙皮素（Nag, >97%）、Na2HPO4·12H2O (>99%)、NaH2PO4·2H2O (>99%)、甘油（Gly, >98%）、丙烯酰胺（AM, >98%）、芦丁（Rh, >98%）、乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA, >98%）、偶氮二异丁腈（AIBN, >99%）、咖啡酸（Caf, >99%）和杨梅素（Myr, >97%）均购自上海麦克林生化科技有限公司。乙醇（Et, >95%）、乙酸（Ac, >95%）、乙二醇（EG, >98%）和甲醇（Me, >95%）均购自国药集团化学试剂有限公司。氯化胆碱（ChCl, 98%）购自阿拉丁试剂有限公司。所有实验中使用的双去离子水（DDW）由实验室水纯化系统提供。将相同浓度的 Na2HPO4·12H2O 和 NaH2PO4·2H2O 水溶液按特定比例混合，形成磷酸盐缓冲生理盐水（PBS）。0.45 μm 微孔过滤膜购自山东博纳生物集团有限公司。

傅里叶变换红外光谱（FT-IR, 4000–500 cm?1）是在 NICOLET NEXUS 470 FT-IR 仪器（Nicolet, 美国）上记录的。X 射线粉末衍射（XRD）测量是使用 Shimadzu-6100 衍射仪（Shimadzu, 日本）进行的。吸附剂的形貌通过扫描电子显微镜（SEM, JSM-7800F, 日本）和透射电子显微镜（TEM, JEM-2010HR, 日本）观察。使用 NOVA-2000 比表面积和孔径分析仪（Quntachrome, 美国）测量比表面积和孔径分布。X 射线光电子能谱（XPS）测量是在配备 Al Kα X 射线源的 Thermo VG Multilab 2000 能谱仪上进行的。吸附剂的亲水性通过接触角测量仪（Kruss, DSA100S）检测。使用 pHs-3C 精密 pH/mV 计（利达，中国）进行 pH 调整，并使用 PBS 调整 pH 值。紫外 - 可见分光光度计（UV-2450, 岛津，日本）组合用于测量 Myr 和其他黄酮类的浓度。

将氯化胆碱（1.40 g, 10.0 mmol）和甘油（1.84 g, 20.0 mmol）加入烧瓶中，在 80.0 °C 的水浴中搅拌加热，直到形成均匀透明的液体。然后将所得的二元 DES 1 冷却并平衡至室温后使用。

将氯化胆碱（2.23 g, 16.0 mmol）、丙烯酰胺（0.284 g, 4.0 mmol）和乙二醇（3.56 mL, 16.0 mmol）依次加入烧瓶中，在 80.0 °C 的水浴中搅拌，直到获得均匀透明的液体，得到三元 DES 2。

将 Tp（0.10 mmol, 21.0 mg）和 Pa（0.15 mmol, 16.2 mg）加入到 5.0 mL 塑料离心管中预先制备的 200.0 μL DES 1 中。混合物在室温下剧烈搅拌 2.0 小时以合成 TpPa-COF。反应后，通过离心收集沉淀，并用乙醇洗涤三次。由 Tp 和 Pa 反应形成的 TpPa-COF 如图 1 所示。沉淀经离心并用乙醇洗涤三次。将收集到的粉末在 135.0 °C 下与 DMF 回流 8.0 小时以去除未反应物质，然后依次用乙醇和丙酮洗涤。最后，将沉淀置于 60.0 °C 的真空干燥箱中 12.0 小时，获得名为 TpPa-COF 的深红色粉末。

通过向烧瓶中加入 2.5 mL DES 2 作为功能单体和溶剂，0.5 mL 甲醇作为辅助增溶剂，以及 10.0 mg Myr 作为模板分子，制备黄色预聚合溶液，随后搅拌 40 分钟以确保完全溶解。随后，加入 10.0 mg TpPa-COF 作为基体材料，并连续搅拌 1.0 小时。随后，引入 100.0 μL EGDMA 作为交联剂，另加入 10.0 mg AIBN 作为自由基引发剂，混合物在 60.0 °C 的氮气氛围下聚合 4.0 小时。反应后，将所得产物用乙醇洗涤数次，然后置于 60.0 °C 的真空干燥箱中 48.0 小时。此外，用甲醇/乙酸（8:2, v/v）混合物洗脱 MIP，直到洗脱液中不再检测到 Myr。将洗脱后的聚合物用去离子水洗涤至中性，然后在 60.0 °C 的真空干燥箱中干燥 48.0 小时，得到粉色 DC-MIP 粉末。表 1 中呈现的试剂表明，应用于 COF 的非印迹聚合物（DC-NIP）、利用不同体积比的 DES 2/甲醇混合物作为溶剂的印迹聚合物（DC-MIP）和模板去除分子印迹聚合物（TR-MIP）是使用相同方法合成的。

为了对比，按照用于 50%-DC-MIP 的相同程序合成了传统溶剂对照 MIP（CS-MIP）。TpPa-COF、Myr、EGDMA 和 AIBN 的量，以及预聚合和聚合条件保持相同，除了用甲醇替代 DES 1 和 DES 2。所得聚合物经过相同的洗涤、模板洗脱和干燥程序。

最佳实验参数，包括 pH 值、DES 含量、溶剂和吸附剂用量，在环境条件下使用批量吸附实验进行检查。

所有实验重复三次，通过 UV-Vis 测定吸附前后溶液中 Myr 的浓度。平衡时的吸附容量 qe (mg/g) 和时间 t (min) 时的吸附量 qt (mg/g) 计算如下（公式（1）和公式（2））
qe=(C0?Ce)V/W
qt=(C0?Ct)V/W
其中 C0 (mg/L)、Ce (mg/L) 和 Ct (mg/L) 分别是初始时间、平衡时和时间 t 时 Myr 的浓度。V(mL) 和 W(g) 分别是溶液的体积和吸附剂的质量。

通过比较 Myr 及其结构类似物的吸附效果来研究吸附剂的选择性。

选择 Rh、Nag 和 Caf 作为结构类似物。将 2.0 mg 的各种吸附剂与 8.0 mL 的不同结构类似物溶液混合，Myr 的比例为 1:1（甲醇/PBS = 1:3，0.01 mg/mL，pH = 6.0）。混合物在 298 K 下振荡 0.5 h，通过离心收集上清液。所有实验重复三次，使用 UV-Vis 测定吸附前后溶液中各种结构类似物的浓度。IF 计算如下（式 (3)）IF = qe(MIP) / qe(NIP)。其中 qe(MIP) 和 qe(NIP) 分别是吸附平衡时印迹聚合物和非印迹聚合物的吸附容量。

在再生实验中，将 2.0 mg 的 50%-DC-MIP 与 8.0 mL 的 Myr 溶液混合（甲醇/PBS = 1:3，0.02 mg/mL，pH = 6.0），然后在 298 K 下振荡 0.5 h。离心后收集上清液。通过 UV-Vis 测定上清液的浓度，并使用（式 (1)）计算吸附容量。随后，用 4.0 mL 的 Me/Ac (8:2, v/v) 混合物洗脱剩余吸附剂。洗涤并干燥吸附剂以备后续的吸附 - 脱附循环。此过程重复五次。

购得的鲜榨葡萄汁进行离心处理，并通过 0.45 μm 微孔滤膜去除果肉和其他沉淀物。取 1.0 mL 所得葡萄汁上清液，用 pH = 6.0 的甲醇/PBS (1:3) 混合溶液定容至 100.0 mL。采用标准加入法分析实际样品，Myr 的添加量分别为 0.0、3.0、4.0 和 5.0 mg/L。加入 2.0 mg DC-MIP 后，混合物振荡 0.5 h 以进行吸附。随后，通过 UV-Vis 检测上清液中 Myr 的浓度。

首先使用相同的分析程序测定未加标葡萄汁样品中的本底 Myr 浓度。对于加标样品，根据以下（式 (4)）计算回收率：回收率%= (C 加标样品 - C 原样品) / C 添加量 × 100。其中 C 加标样品是未加标样品中测得的 Myr 浓度，C 原样品是加标后测得的总 Myr 浓度，C 添加量是添加的 Myr 浓度。

章节片段
DC-MIP 的相互作用机制
图 2 描绘了 DC-MIP 的绿色合成策略。由 ChCl 和 Gly 组成的 DES 1 被制备并用作 COF 的合成溶剂。在常温常压搅拌下，Tp 和 Pa 最初通过醛基和氨基之间的缩合反应形成β-酮烯胺键。随后，通过涉及共价键“形成 - 断裂 - 转化 - 再生”的一系列动态平衡，实现“自我诊断”和“自我纠正”

结论
本研究通过使用以二元 DES-1 作为溶剂基质合成的 2D 块状 TpPa-COF，利用了 DES 的多功能性。以 Myr 为模板分子，三元 DES-2 同时作为单体和溶剂，而甲醇作为辅助溶剂用于制备 DC-MIP。采用多种表征技术，包括 FTIR、XRD、SEM、TGA、BET 和 WCA，来分析 DC-MIP，提供了对官能团的见解，

未引用参考文献 [24]
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的可能影响本论文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号 22178151）提供的协助和财政支持。

于荣鹏 | 黄沁雅 | 王婉仪 | 项良银 | 谢克尔·泽布 | 刘战朝 | 郑传波 | 刘燕
江苏科技大学冶金与材料工程学院，中国张家港 215600