【HFH-COF-v】室温可控合成层级花瓣状中空共价有机框架用于脑钠肽富集

首页 > 行业动态 > 【HFH-COF-v】室温可控合成层级花瓣状中空共价有机框架用于脑钠肽富集

摘要
本文介绍了一种在室温下可控合成层级花状中空共价有机框架（HFH-COFs）的简便策略。通过改变构建单元，验证了合成 HFH-COFs 点击进入相关产品链接 的普适性。受其独特形态、极大的比表面积和良好化学稳定性的启发，HFH-COFs 负载金纳米颗粒后可作为有吸引力的吸附探针，用于从人血清中富集脑钠肽。这项工作为室温下可控合成 HFH-COFs 开辟了全新途径，并拓展了 COFs 作为复杂生物样品中富集探针的应用前景。

研究背景
行业问题：共价有机框架（COFs）作为新兴的晶态多孔材料，在众多领域有潜在应用。然而，目前对 COF 形态的精确控制仍面临挑战，尽管已开发出一些合成特殊结构 COF 的策略，但反应条件苛刻或反应速率过快，导致产物结晶结构差、规整度低。同时，脑钠肽（BNP）作为心血管疾病的重要诊断和预后标志物，从复杂生物流体中直接通过质谱检测内源性、超低丰度的 BNP 是一项巨大挑战，亟需开发高效、选择性富集 BNP 的探针。
现有方案：近年来，一些策略用于合成特定结构的 COF，如管状、核壳结构、中空结构和纳米片结构的 COF，但这些方法存在局限性。在 BNP 检测方面，尚未有理想的富集探针来解决其检测难题。
本文创新：本文作者提出一种在室温下可控合成 HFH-COFs 的方法，通过调节合成参数，成功制备出具有高比表面积、优异化学 / 热稳定性、高结晶度和均匀介孔结构的 HFH-COFs。并利用 HFH-COFs 负载金纳米颗粒，开发出一种从复杂生物样品中高效、选择性捕获超痕量 BNP 的样品预处理方法。

实验部分
1. HFH-COFs 的合成：
1) 将 1,3,5 - 三（4 - 氨基苯基）苯（TPB）和 2,5 - 二乙烯基对苯二甲醛（DVA）溶解在含有不同比例乙腈（ACN）和乙酸（HAc）的水溶液中，室温放置 72h 得到黄色粉末状产物。
2) 研究发现，H₂O/ACN 的体积比是影响 HFH-COF-1 结构形成的重要因素。当 ACN 溶剂中 H₂O 比例从 0 增加到 4% 时，COF 结构从球形转变为层级对称花状核壳结构；增加到 8% 时，HFH-COFs 的均匀性、单分散性和结晶度最佳；继续增加到 20%，中空结构消失转变为纳米棒聚集结构。
3) HAc 浓度也对 HFH-COF-1 的形态有重要影响。HAc 浓度从 1.9M 增加到 3.4M 时，HFH-COF-1 的平均直径从 650nm 减小到 430nm；浓度增加到 3.9M 时，尺寸变化不大且单分散性变差。
4) 合成普适性验证：基于相同的合成方法，合成了另外八种亚胺连接的 COFs，这些 COFs 均呈现高度均匀的层级花状中空结构，验证了该合成方法的普适性。
2. HFH-COF-1@Au 的制备及性能测试：
1) 利用 HFH-COF-1 负载金纳米颗粒制备 HFH-COF-1@Au，TEM 和 EDS 结果显示金纳米颗粒均匀固定在 HFH-COF-1 骨架上。
2) 以标准 BNP 为模型靶标，研究 HFH-COF-1@Au 对 BNP 的吸附能力。结果表明，经金纳米颗粒富集后，洗脱液中检测不到 BNP；而经 HFH-COF-1@Au 富集后，BNP 的 MS 峰强度显著增强，证明了 HFH-COF-1@Au 对 BNP 富集的有效性。
3) 优化 HFH-COF-1@Au 对 BNP 富集的性能，确定 HFH-COF-1/Au 质量比为 20:1.5（mg mg⁻¹）时为最佳负载量，10μL 洗脱液效果最佳。
4) 评估 HFH-COF-1@Au 对 BNP 的检测限，发现即使 BNP 浓度低至 0.02 fmol μL⁻¹ 也能被检测到，且在人血清样品中成功检测到 BNP，证实了其实用性。

分析测试
1. 结构与组成表征：
1) FI-IR 光谱和固态 ¹³C NMR 光谱分析证实了 HFH-COF-1 中 - C=N 键的存在，表明 TPB 和 DVA 成功发生缩合反应。
2) PXRD 分析结合多尺度计算模型和 Pawley 精修，表明 HFH-COF-1 具有良好的结晶度，其衍射峰与模拟的 AA 堆叠模式更吻合。
2. 形貌与尺寸分析：
1) TEM 和 SEM 图像显示，不同合成条件下制备的 HFH-COF-1 呈现不同的形态和尺寸。随着 H₂O/ACN 比例和 HAc 浓度的变化，COF 结构从球形逐渐转变为花状中空结构，尺寸也相应改变。
2) DLS 分析结果与 TEM、SEM 图像中 HFH-COF-1 的尺寸相符，且显示其尺寸分布窄，说明均匀性高。
3. 孔隙结构与比表面积测定：
1) 氮气吸附 - 脱附等温线测定结果显示，不同尺寸的 HFH-COF-1 的 BET 比表面积分别为 2276 m²/g、2818 m²/g、2825 m²/g 和 2797 m²/g ，比大多数二维 COF 高。
2) NLDFT 计算得到的孔径分布表明，HFH-COF-1 具有规则的孔径，且在 2.73nm 处呈现窄分布。
4. 稳定性测试：
1) TGA 分析表明，HFH-COF-1 在 400°C 以下具有良好的热稳定性。
2) 用不同溶剂处理 HFH-COF-1 48h 后进行 PXRD 分析，发现其 PXRD 图谱几乎不变，证实了其高化学稳定性。
5. 机理分析：
1) 通过 TEM、SEM、BET 和 PXRD 等分析手段研究 HFH-COF-1 在不同反应时间的形态变化，发现其形成过程符合 Ostwald 熟化理论。COF 球内部的微晶比外部具有更高的表面能，因此内部微晶溶解并迁移到外部，在纳米棒外部重结晶 / 自组装，最终形成 HFH-COFs。
2) 在这个过程中，HFH-COF-1 的空腔尺寸保持不变（约 285nm），但颗粒尺寸逐渐增大，外部纳米棒长度增加，且随着反应时间增加，沿 c 轴的规则介孔通道更加明显，结晶度增强。

总结
1) 作者开发了一种室温下可控合成 HFH-COFs 的简便方法，制备的 HFH-COFs 具有独特的结构形态、规则的介孔通道、超高的比表面积和良好的热 / 化学稳定性。
2) 研究了 HFH-COFs 的形成机制，证实其形成受由内到外的 Ostwald 熟化理论主导。
3) 验证了该合成策略的普适性，通过相同方法合成了另外八种 HFH-COFs。
4) 将 HFH-COFs 负载金纳米颗粒成功应用于从复杂人血清样品中高效、选择性捕获超痕量 BNP，为生物和临床分析提供了有前景的富集探针。
5) 本研究可以进一步优化 HFH-COFs 的合成条件，探索更多影响其结构和性能的因素，以实现对其形态和性能更精准的调控。

Room-temperature controllable synthesis of hierarchically flower-like hollow covalent organic frameworks for brain natriuretic peptide enrichment
文章作者：Wende Ma, Guorong Li, Chao Zhong, Yixin Yang, Qianqian Sun, Dan Ouyang, Wei Tong, Wenchang Tian, Lan Zhang and Zian Lin*
DOI：10.1039/D1CC02646A
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cc/d1cc02646a