CN108262019B - 一种磁性磺酸基功能化COFs材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁性磺酸基功能化COFs材料及其制备方法和应用。该COFs材料包括2,4,6‑三甲酰基均苯三酚、2,5‑二氨基苯磺酸经Schiff碱缩合反应形成的共价有机骨架，以及修饰到共价有机骨架上的磁性纳米粒子，所述磁性纳米粒子为氨基功能化的Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子。该COFs材料的孔径限域作用可以排除尿液基质中蛋白质等大分子的吸附；COFs材料上的磺酸基与芳香胺类化合物的氨基的静电吸附作用强，可以高效吸附芳香胺类化合物并阻止负电性化合物的吸附；COFs材料上的苯环结构和芳香胺类化合物的苯环之间具有强π‑π作用；该COFs材料实现了复杂基质中痕量芳香胺类化合物的选择性高效富集。

Description

一种磁性磺酸基功能化COFs材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于共价有机骨架材料(COFs)领域，具体涉及一种磁性磺酸基功能化COFs材料及其制备方法和应用。
背景技术
一些芳香胺类化合物具有致癌和致突变的作用，可以通过吸入、食入或透过皮肤吸收而导致中毒。FDA卷烟制品和卷烟烟气中有害物质及潜在危害物质名单(HPHCs)中包含6种芳香胺，4-氨基联苯、1-氨基萘、2-氨基萘、邻茴香胺、2,6-二甲基苯胺、邻甲苯胺。这些芳香胺类化合物被作为卷烟烟气暴露生物标志物。
对于生物标志物的研究有利于说明人类暴露于此类物质时健康风险的性质及程度。由于芳香胺生物标志物含量较低，检测时干扰较大，对样品的前处理要求较高。尿液可有效反映近期环境污染物多途径的暴露，对尿液中芳香胺化合物的分析研究非常具有代表意义。Grimmer等(Detection of carcinogenic aromatic amines in the urine of non-smokers.Sci Total Environ,2000,247(1):81-90)用酶解法处理尿液，采用五氟丙酸酐衍生化反应及GC-MS法，分析了尿液中的芳香胺。Riedel等(Determination of threecarcinogenic aromatic amines in urine of smokers and nonsmokers.J AnalToxicol,2006,30(3):187-195)采用衍生化-GC-MS法检测了吸烟者和非吸烟者尿样中的σ-甲苯胺，2-氨基萘和4-氨基联苯。GC-MS法因需衍生化反应，样品前处理非常繁琐耗时。
公布号为CN102788852A的专利申请公开了一种液相色谱-串联质谱法检测人体尿液中其中芳香胺化合物的方法，其是利用浓HCl水解尿液，并通过PAH分子印迹柱进行纯化处理，然后利用LC-MS/MS进行分析。该方法能够简化样品前处理步骤，提高分析效率，但商品化的PAH分子印迹柱为多环芳烃(PAHs)分子印迹柱，并非芳香胺分子印迹柱，存在选择性不高的问题。
开发一种对芳香胺类化合物具有选择性高效富集的吸附材料，对于芳香胺生物标志物的检测和研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性磺酸基功能化COFs材料，从而解决现有材料对芳香胺类化合物的选择性吸附性能较差的问题。本发明还提供了上述磁性磺酸基功能化COFs材料的制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种磁性磺酸基功能化COFs材料，包括2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸经Schiff碱缩合反应形成的共价有机骨架，以及修饰到共价有机骨架上的磁性纳米粒子，所述磁性纳米粒子为氨基功能化的Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子。
本发明提供的磁性磺酸基功能化COFs材料，利用2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸和磁性纳米粒子反应制备COFs材料，COFs材料的孔径限域作用可以排除尿液基质中蛋白质等大分子的吸附；COFs材料上的磺酸基与芳香胺类化合物的氨基的静电吸附作用强，可以高效吸附芳香胺类化合物并阻止负电性化合物的吸附；COFs材料上的苯环结构和芳香胺类化合物的苯环之间具有强π-π作用，在以上因素的共同作用下实现了复杂基质中痕量芳香胺类化合物的选择性高效富集。
所述氨基功能化的Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子以Fe3O4为核，以SiO2为壳，可按照现有技术进行制备。优选的，所述氨基功能化的Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子由包括以下步骤的方法制备而成：
a)以纳米Fe3O4粒子为核，正硅酸乙酯为硅源，采用stober法制备Fe3O4@SiO2核壳纳米粒子；
b)将Fe3O4@SiO2核壳纳米粒子分散在甲苯中，加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液进行偶联反应，即得。
步骤a)中，每1.0-4.0g纳米Fe3O4粒子对应使用1-5mL正硅酸乙酯。stober法所采用的混合溶剂由无水乙醇、水、浓氨水按体积比(50-200)：(20-60)：(1-5)混合而成，浓氨水的浓度为25-28wt％。
优选的，所述纳米Fe3O4粒子由包括以下步骤的方法制得：FeCl3·6H2O和无水乙酸钠在乙二醇溶剂中进行水热反应，即得所述纳米Fe3O4粒子。FeCl3·6H2O和无水乙酸钠的质量比为(1.0-3.0)：(2.0-5.0)。所述水热反应是在190-210℃下反应5-10h。
步骤b)中，每0.2-2.0g Fe3O4@SiO2核壳纳米粒子对应加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液5-20mL，3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液的质量浓度为5-20％。所述偶联反应是在100-120℃下回流反应20-30h。
2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸、磁性纳米粒子的重量比为(10-30)：(10-40)：(10-50)。以该配比进行反应制备的COFs材料的选择性富集效果达到最佳。
上述磁性磺酸基功能化COFs材料的制备方法所采用的技术方案是：
一种磁性磺酸基功能化COFs材料的制备方法，包括：将2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸、磁性纳米粒子在溶剂中进行Schiff碱缩合反应，即得。
所述溶剂为三甲基苯和二氧杂环乙烷按体积比1：(3-6)组成的混合溶剂。
所述Schiff碱缩合反应在乙酸为催化剂的条件下进行。优选的，乙酸的加入质量为2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸、磁性纳米粒子总质量的5-50％。
所述Schiff碱缩合反应是在90-120℃下反应60-80h。
采用上述优选参数制备的磁性磺酸基功能化COFs材料，产品质量稳定性好，对尿液中的芳香胺类化合物具有极佳的选择性高效富集作用，可方便用于人体尿液中芳香胺类化合物的分析检测过程中。
本发明同时提供上述磁性磺酸基功能化COFs材料在磁固相萃取中的应用。
该磁性磺酸基功能化COFs材料中含有磁性纳米粒子，在对芳香胺类化合物进行选择性富集后，通过外界磁场即可实现相分离，操作简单、快速，大大简化了芳香胺类化合物的检测流程，节省大量时间并降低成本。
以人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取为例，尿液经浓盐酸处理或酶解处理后，加入磁性磺酸基功能化COFs材料进行芳香胺类化合物的选择性富集，利用磁场作用分离出吸附后的磁性磺酸基功能化COFs材料，然后采用洗脱溶剂进行洗脱，所得洗脱液即可作为样品溶液使用。
在上述磁固相萃取过程中，可通过在容器的外部使用磁铁使磁性磺酸基功能化COFs材料方便与液相分离，洗涤、洗脱等过程大大简化。
可利用上述磁固相萃取过程将磁性磺酸基功能化COFs材料应用到人体尿液中芳香胺化合物检测中。
对人体尿液进行预处理后，加入磁性磺酸基功能化COFs材料进行磁固相萃取，在磁场作用下分离出吸附有待测物的磁性磺酸基功能化COFs材料，使用洗脱溶剂进行洗脱，得到洗脱液；将洗脱液浓缩后进行HPLC-MS/MS分析。
所述预处理是向人体尿液中加入浓盐酸，在60～80℃处理0.5-2h后，加入NaOH溶液调整pH值为中性，然后加入pH＝7.0的乙酸铵-氨水缓冲溶液进行混合。
优选的，每1-5mL人体尿液加入质量浓度为36-38％的浓盐酸0.1-1mL。每1-5mL人体尿液对应加入乙酸铵-氨水缓冲溶液的体积为5-10mL；对应加入磁性磺酸基功能化COFs材料的质量为100-500mg。
磁固相萃取的时间为0.5-1h。所述洗脱溶剂由甲醇对浓氨水稀释而成，浓氨水的浓度为25-28wt％，洗脱溶剂中氨的浓度为2-7wt％。使用5-20mL洗脱溶剂进行洗脱，将所得洗脱液浓缩到0.1-1mL即可。
利用该方法进行人体尿液中芳香胺化合物的检测，磁性磺酸基功能化COFs材料的成本较商用固相萃取柱大大降低，检测流程大大简化，提高了芳香胺化合物的检测效率和检测准确性。
附图说明
图1为磁性磺酸基功能化COFs材料的合成示意图；
图2为磁固相萃取过程的工作原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中磁性纳米粒子按以下步骤制备：
a)将1.35gFeCl3·6H2O和3.6g无水乙酸钠溶解到35mL乙二醇中，磁力搅拌混合物至固相溶解，将溶液转移至水热反应釜中，200℃下水热反应8h，固液分离，使用浓度为0.1mol/L的稀盐酸洗涤、干燥，得到纳米Fe3O4粒子；
b)纳米Fe3O4粒子(4.0g)均匀分散到由无水乙醇(160mL)、去离子水(40mL)和浓氨水(28wt％，3mL)组成的混合液中，在搅拌条件下逐滴加入TEOS(2mL)反应，得到Fe3O4@SiO2纳米粒子；
c)将1.0g Fe3O4@SiO2纳米粒子分散在100mL无水甲苯中，在N2保护下，滴加浓度为10wt％的3-氨基丙基三甲氧基硅烷的无水甲苯溶液10mL，在110℃下回流反应24h，即得氨基功能化的Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子。
实施例1
本实施例的磁性磺酸基功能化COFs材料，如图1所示，采用以下步骤进行制备：
将2,4,6-三甲酰基均苯三酚(21.0mg)、2,5-二氨基苯磺酸(28.2mg)溶于三甲基苯/二氧杂环乙烷混合溶剂(由0.2mL三甲基苯、0.8mL二氧杂环乙烷混合而成)中，加入0.1mL浓度为3mol/L的乙酸溶液，在室温下混合形成均一溶液；然后在氮气保护条件下，加入0.02g磁性纳米粒子，在100℃反应72h，反应后分离出黑色固体产物，依次用无水二甲基甲酰胺、无水四氢呋喃以及无水丙酮洗涤后，用无水甲醇洗涤2-3次完成活化，在150℃下真空干燥12h，即得磁性磺酸基功能化COFs材料。
将本实施例的磁性磺酸基功能化COFs材料应用于人体尿液中芳香胺化合物的检测，包括以下步骤：
1)磁固相萃取：将于-18℃中储存的尿样取出并于室温下解冻，取5mL解冻的尿样置于塑料离心管中，加入1mL浓盐酸溶液，在80℃恒温水浴中处理2h，然后冷却至室温，加入1.2mL浓度为10mol/L的NaOH溶液中和至pH值为7.0，之后加入10mL浓度为0.5mol/L、pH＝7.0的乙酸铵-氨水缓冲溶液混合均匀，得到样品溶液；
将样品溶液转移到50mL烧杯中，加入100μL D7-1-氨基萘(浓度为50ng/mL)和D9-4-氨基联苯(浓度为10ng/mL)混合内标溶液，以及100mg磁性磺酸基功能化COFs材料后磁力搅拌30min，将磁铁置于烧杯一侧的外壁使吸附后的磁性磺酸基功能化COFs材料与溶液实现相分离，倾倒烧杯内溶液；移除磁铁，向烧杯中加入10mL水进行洗涤，磁力搅拌10min，再次使用磁铁实现相分离后，倾倒出洗涤水；向烧杯中加入10mL的洗脱溶剂(由甲醇对浓氨水稀释而成，浓氨水的浓度为28wt％；洗脱溶剂中氨的浓度为5wt％)，磁力搅拌10min后，使用磁铁实现相分离，倾倒收集洗脱液；将洗脱液浓缩到0.1mL后作为待测溶液待用，过程示意图如图2所示；
2)HPLC-MS/MS分析：使用内标法建立各目标化合物的标准工作曲线，将待测溶液进HPLC-MS/MS仪器分析，将检测数据代入标准工作曲线，计算得到样品中1-氨基萘、2-氨基萘、3-氨基联苯、4-氨基联苯的浓度。
步骤2)中，HPLC-MS/MS分析的色谱条件为：谱柱为Waters C18(100mm×2.1mmi.d.,2.7μm)，柱温：30℃；流动相A为含0.1％甲酸的水溶液，流动相B为含0.1％甲酸的乙腈溶液；采用梯度洗脱，条件如下：0-3min，100％A0％B；3.1-16.0min，75％A25％B；16.1-20min，0％A100％B；20.1-25.0min，100％A；进样体积10μL；流速200μL/min。
质谱条件为：离子源：电喷雾电离源(ESI)；扫描方式：正离子扫描；检测方式：多反应监测MRM；电喷雾电压：5500V；气帘气压力：30psi；辅助气1压力：70psi；辅助气2压力：70psi；离子源温度：500℃；各化合物的定量离子对、定性离子对、驻留时间、碰撞能量(CE)及去簇电压(DP)参见表1。
表1各化合物的定量离子对、定性离子对、驻留时间、碰撞能量及去簇电压
Figure BDA0001578159440000061
表2示出了以3倍信噪比(S/N)为检测限，10倍S/N为定量限的各芳香胺化合物的线性方程、相关系数、检测限及定量限。
表2芳香胺化合物的线性方程、相关系数、检测限及定量限
Figure BDA0001578159440000062
将同一尿样一天内进行6次平行测定以及分5天测定，测定结果的相对标准偏差(RSD)表示该方法的日内精密度和日间精密度，同时进行加标回收率实验，结果如表3所示。
表3实施例1的方法的日内精密度、日间精密度及回收率
Figure BDA0001578159440000071
由表3的结果可以看出，该方法的精密度好、加标回收率高，适用于人体尿液中芳香胺代谢物的检测。
收集5个吸烟者和2个非吸烟者尿液样品，采用实施例1中的方法，对尿液样品中的1-氨基萘、2-氨基萘、3-氨基联苯、4-氨基联苯代谢物进行磁固相萃取及HPLC-MS/MS分析，结果如表4所示。
表4吸烟者和非吸烟者的尿液样品分析(pg/mL)
Figure BDA0001578159440000072
可以看出，采用实施例1的方法可方便检测中人体尿液中1-氨基萘、2-氨基萘、3-氨基联苯、4-氨基联苯代谢物的含量，检测过程简单，检测精密度和稳定性好；表4中，吸烟者尿液中芳香胺代谢物含量明显高于非吸烟者，使用该磁固相萃取技术所获得的净化处理液也可以为芳香胺化合物的后续研究打下良好基础。
实施例2
本实施例的磁性磺酸基功能化COFs材料，采用以下步骤进行制备：
将2,4,6-三甲酰基均苯三酚(11.0mg)、2,5-二氨基苯磺酸(18.2mg)溶于三甲基苯/二氧杂环乙烷混合溶剂(由0.2mL三甲基苯、0.6mL二氧杂环乙烷混合而成)中，加入0.1mL浓度为3mol/L的乙酸溶液，在室温下混合形成均一溶液；然后在氮气保护条件下，加入0.02g磁性纳米粒子，在90℃反应80h，反应后分离出黑色固体产物，依次用无水二甲基甲酰胺、无水四氢呋喃以及无水丙酮洗涤后，用无水甲醇洗涤2-3次完成活化，在150℃下真空干燥12h，即得磁性磺酸基功能化COFs材料。
实施例3
本实施例的磁性磺酸基功能化COFs材料，采用以下步骤进行制备：
将2,4,6-三甲酰基均苯三酚(28.0mg)、2,5-二氨基苯磺酸(40.0mg)溶于三甲基苯/二氧杂环乙烷混合溶剂(由0.2mL三甲基苯、1.2mL二氧杂环乙烷混合而成)中，加入0.1mL浓度为3mol/L的乙酸溶液，在室温下混合形成均一溶液；然后在氮气保护条件下，加入0.04g磁性纳米粒子，在120℃反应60h，反应后分离出黑色固体产物，依次用无水二甲基甲酰胺、无水四氢呋喃以及无水丙酮洗涤后，用无水甲醇洗涤2-3次完成活化，在150℃下真空干燥12h，即得磁性磺酸基功能化COFs材料。
在本发明的磁性磺酸基功能化COFs材料的其他实施例中，2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸、磁性纳米粒子及催化剂乙酸的用量，具体的Schiff碱缩合反应的条件可在本发明限定的范围内进行适应性调整，可得到性能相当的COFs材料。

Claims (8)

1.一种磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，所述磁性磺酸基功能化COFs材料包括2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸经Schiff碱缩合反应形成的共价有机骨架，以及修饰到共价有机骨架上的磁性纳米粒子，所述磁性纳米粒子为氨基功能化的Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子；2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸、磁性纳米粒子的重量比为(10-30)：(10-40)：(10-50)。
2.如权利要求1所述的磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，所述氨基功能化的Fe3O4/SiO2核壳纳米粒子由包括以下步骤的方法制备而成：
a）以纳米Fe3O4粒子为核，正硅酸乙酯为硅源，采用stober法制备Fe3O4@SiO2核壳纳米粒子；
b）将Fe3O4@SiO2核壳纳米粒子分散在甲苯中，加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液进行偶联反应，即得。
3.如权利要求2所述的磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，步骤a）中，每1.0-4.0g纳米Fe3O4粒子对应使用1-5mL正硅酸乙酯。
4.如权利要求2所述的磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，步骤b）中，每0.2-2.0g Fe3O4@SiO2核壳纳米粒子对应加入3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液5-20mL，3-氨基丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液的质量浓度为5-20%。
5.如权利要求1所述的磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，所述磁性磺酸基功能化COFs材料的制备方法包括：将2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸、磁性纳米粒子在溶剂中进行Schiff碱缩合反应，即得。
6.如权利要求5所述的磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，所述溶剂为三甲基苯和二氧杂环乙烷按体积比1：（3-6）组成的混合溶剂。
7.如权利要求5所述的磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，所述Schiff碱缩合反应在乙酸为催化剂的条件下进行，乙酸的加入质量为2,4,6-三甲酰基均苯三酚、2,5-二氨基苯磺酸、磁性纳米粒子总质量的5-50%。
8.如权利要求5所述的磁性磺酸基功能化COFs材料在人体尿液中芳香胺类化合物的磁固相萃取中的应用，其特征在于，所述Schiff碱缩合反应是在90-120℃下反应60-80h。
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