功能化金属-有机骨架作为高效吸附剂对含水样品中药物污染物的选择性富集
材料和方法
- 材料和试剂：1,3,5 - 三（对咪唑基苯基）苯（缩写为M - L）购自Chemsoon有限公司（中国上海）。1 - 烯丙基咪唑、2,2' - 偶氮二异丁腈（AIBN）、γ - 甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（γ - MAPS）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP - K30，平均分子量 = 40,000）、多面体低聚倍半硅氧烷（POSS，甲基丙烯酰基取代，笼状混合物，n = 8, 10, 12）购自东京化学工业（TCI - 上海，中国）、西格玛 - 奥德里奇（上海，中国）。法匹拉韦（CAS注册号（RN）259793 - 96 - 9，编号为化合物3）、3 - 羟基吡嗪 - 2 - 酰胺（CAS RN 55321 - 99 - 8，编号为化合物1）、吡嗪胺（CAS RN 5049 - 61 - 6，编号为化合物2）购自上海皓鸿生物医药科技有限公司。6 - 溴 - 3 - 羟基吡嗪 - 2 - 甲酰胺（CAS RN 259793 - 88 - 9，编号为化合物5）、6 - 氯 - 3 - 羟基吡嗪 - 2 - 甲酰胺（CAS RN 259793 - 90 - 3，编号为化合物4）、泛昔洛韦（CAS RN 104227 - 87 - 4，编号为化合物8）、更昔洛韦（CAS RN 82410 - 32 - 0，编号为化合物6）、阿昔洛韦（CAS RN 59277 - 89 - 3，编号为化合物7）购自上海毕得医药科技有限公司。甲醇、二甲基甲酰胺、乙腈、甲酸和氨水为HPLC级，甘油、乙二醇、Ni(NO₃)₂·6H₂O、Co(NO₃)₂·6H₂O、Zn(NO₃)₂·6H₂O、Cd(NO₃)₂·4H₂O、Cu(NO₃)₂·3H₂O、NaNO₃、KH₂PO₄为分析级，微孔过滤膜（PTFE，0.22μm，直径 = 25mm）和针式过滤器（内径 = 25mm，带有可更换膜的空间）均购自济南试剂公司。色谱纸来自Whatman（GE healthcare UK LTD）。色谱柱（Agilent，ZORBAX Eclipse Plus C18，3×100mm，1.8μm）用于本工作。本工作中使用的水均为纯净水（娃哈哈有限公司，中国）。
- 仪器：制备过程中使用离心机（Thermo，美国）。使用SUPRA™ 55热场发射扫描电子显微镜（Zeiss，德国）进行SEM观察。使用Kubo - X1000（北京Builder Electronic，中国）测量BET比表面积（在50℃真空干燥，然后通过氮气测试）。使用D/MAX - R8衍射仪（Rigaku，日本）进行粉末X射线衍射（XRD）（Cu Kα，扫描速度 = 5°/min）。使用Netzsch STA 449F3（德国）进行热分析（热重分析（TG）；差示扫描量热法（DSC）），温度范围为室温至700℃。使用XH - MC - 1实验室微波合成反应器（北京祥鹄科技，中国）进行微波反应。使用K - Alpha +（Thermo，美国）进行X射线光电子能谱（XPS）。使用FEI Tecnai G2 F20进行透射电子显微镜（TEM）。LC实验在LC Ultimate 3000色谱系统（Thermo，美国）上进行。
- 制备功能MOF：按照我们之前的工作[25]并进行了一些修改，合成了经C = C键修饰的功能MOF：首先将5g PVP（K30）加入到50mL甲醇和30mL甘油的混合物中，然后在50℃下搅拌得到均匀溶液。然后加入0.5mmol桥联配体（M - L，粉末）、0.2mmol 1 - 烯丙基咪唑（溶解在10mL甲醇中）。冷却至室温后，迅速加入0.1mmol M²⁺盐（溶解在10mL甲醇中，M = Co、Ni、Cu、Zn或Cd）。剧烈搅拌2min使M²⁺充分分散后，将整个混合物密封并在室温（20 - 25℃）下保持24h。时间到后，容器底部可以看到一层固体沉淀物。然后加入10mL饱和NaNO₃水溶液以辅助离心（14000rpm，5 - 10min）。收集的沉淀物随后依次用甲醇/水（v/v，6:1）和甲醇洗涤。最后，产品在60℃下干燥过夜。
- 制备MOF@纸膜：分为三个步骤：（1）用C = C键修饰滤纸，（2）通过自由基聚合将MOF固定在纸上，（3）将MOF修饰的纸安装在SPE装置中。所有步骤均参考我们之前的工作[25]并进行了微调。步骤1：将滤纸切成直径为25mm的圆形片，然后将纸浸入1mol/L NaOH水溶液中在室温下浸泡12h。用水洗涤纸至pH达到7后，用甲醇洗去残留的水。然后将活化的纸在45℃下干燥过夜。然后将纸浸入40%γ - MAPS甲醇溶液（v/v）中在室温下再浸泡12h。最后，将修饰的纸用甲醇洗涤并在45℃下干燥过夜。步骤2：将3mg MOF（超过5mg MOF会导致膜的渗透性变差，关于MOF量的详细分析，请参见图S4下方的分析）、10mg AIBN加入到混合溶液（450μL DMF和50μL乙二醇）中。通过超声处理，将混合物充分分散成均匀溶液。然后将500μL溶液滴在三层重叠的修饰纸上。纸完全吸收反应物后，将纸放入微波炉中并在80℃下加热30min。所得纸用甲醇洗涤，然后在45℃下干燥。使用前，将纸密封并在室温下保存。步骤3：将三层MOF修饰的纸放在两层微孔过滤膜（PTFE，0.22μm）之间，并固定在针式过滤器（内径 = 25mm）中。然后将针式过滤器固定在带有5mL注射器的SPE装置中。针式过滤器通过限速阀与真空罐连接。为了进行比较，根据步骤3，将三层未修饰的纸或C = C修饰的纸放置在SPE装置中作为对照。每次使用前，用5mL甲醇洗涤萃取膜并检查是否泄漏。
- 吸附测试：以膜过滤的形式进行吸附实验。使用甲醇制备储备溶液：化合物2、3、4、5和8为2mg/mL，化合物1为1mg/mL，化合物6和7为0.5mg/mL（甲醇：水 = 1:1，v/v）。然后加入水制成20μg/mL的样品溶液。化合物3（法匹拉韦）用作初始测试样品。对于pH测试，分别向20μg/mL样品中加入1% HCOOH（v/v）和1% NH₃·H₂O（v/v）。对于离子强度测试，分别向20μg/mL样品中加入5%（m/v）和10%（m/v）的NaNO₃。对于溶剂效应的比较，分别使用水和乙腈作为溶剂制备20μg/mL的样品。对于选择性测试，由于结构相似，将化合物1 - 5和化合物6 - 8分别分组并制成混合的20μg/mL样品。每次，将5mL样品溶液以稳定的速度过滤一次。分别通过LC分析样品溶液和收集的滤液。回收率定义为滤液的峰面积与相应原始样品的峰面积相比减少的百分比。LC条件为：（1）对于化合物3和化合物1 - 5的混合物，流动相为（A）乙腈和（B）含有20mM KH₂PO₄的水，A:B = 10:90（v/v）。进样体积为10μL（进样体积在使用的色谱柱上进行了测试，10μL可以保证所有化合物的柱效率，对于乙腈溶剂，进样体积为1μL以避免溶剂效应）。流速为0.3mL/min。柱温为30℃。信号在230nm处收集。（2）对于化合物6 - 8的混合物，流动相为（A）乙腈和（B）含有20mM KH₂PO₄的水，梯度（表示为A%，v%）为1% - 5% @ 0 - 8min，5% - 40% @ 8 - 8.1min，40% @ 8.1 - 13min，40% - 1% @ 13 - 13.1min，1% @ 13.1 - 15min。进样体积为10μL。流速为0.3mL/min。柱温为30℃。信号在220nm和280nm处收集，并通过Chameleon软件在最佳积分路径上生成色谱图。为了研究不同金属基MOF和POSS的量，使用来自一种合成条件的三个膜对20μg/mL的化合物3样品进行测试。为了研究选择性，使用混合样品在同一个膜上进行三次测试。为了研究pH、盐浓度和溶剂种类的影响，对于每个条件，使用5mL混合样品（化合物3458，20μg/mL）在同一个膜上进行三次测试。
- 材料层面的模拟：使用Materials Studio软件模拟这些化合物（1 - 8）与MOF材料的相互作用。使用DMol3程序包在密度泛函理论（DFT）方法下计算所有构型（MOF和化合物 - X（COMX，X = 1 - 8）的优化。交换和相关项使用GGA（广义梯度近似）- PBE（Perdew，Burke和Ernzerhof）方法确定[41]。为了在MOF材料的这个超晶胞的C轴上创建足够的吸附空间，使用超晶胞（MOF - 晶胞）作为吸附剂，对化合物1 - 8进行吸附模拟。最后，使用Sorption模块在COMPASSII力场下模拟了几个化合物 - X在MOF板可及表面上的吸附构型。使用Metropolis Monte Carlo方法进行了105个Monte Carlo步骤和10个退火循环的化合物1 - 8在框架中的吸附计算。获得了每个化合物的最终吸附构型。化合物 - X在MOF中的吸附能（EADS）通过以下公式计算：
，其中EMOF和ECOMX分别代表初始MOF和单个化合物 - X的能量，EMOF - COMX是最终吸附结构的总能量，n和m是MOF单元和吸附质的数量。 - CFD研究选择性：通过COMSOL Multiphysics软件（模块：多孔介质界面中稀释物种的传输）进行CFD模拟。模拟参数见表S1。对于模型中使用的物理量，假设吸附剂在纸上的分布、复合膜的孔隙率、样品的浓度、垂直于横截面的流速是均匀的。必要的物理参数（如扩散系数、孔隙率等）来自合理的估计，其他参数（BET比表面积、浓度、分子量）来自实验。由于所有实验均在室温下进行，因此不考虑温度效应。使用Langmuir吸附模型与流动耦合。Langmuir模型中的参数（每个化合物的Langmuir常数和单层容量）在合理范围内进行参数化，以获得与不同组实验结果相当的回收率（吸附百分比）。由于温度不变，每个化合物的Langmuir常数固定，每个化合物的单层容量在不同样品中变化，以显示竞争效应。
- SPE程序和样品制备：化合物3、4、5和8用于SPE测试。对于工作曲线，分别制备浓度系列（1ng/mL、10ng/mL、50ng/mL、100ng/mL、500ng/mL、1000ng/mL）。实际样品为：实验室后院的池水、当地实验室的自来水、当地公园的泉水和当地市场的商业饮用水。池水在使用前通过0.22μm过滤器过滤，其他样品直接使用。所有实际样品均在4℃下储存，并在三天内使用。对于回收率测试，在实际样品中加入50ng/mL和500ng/mL的混合样品。SPE过程包括：（1）采样：以稳定的速度过滤5mL样品1次，（2）洗脱：使用5mL甲醇（含有1% HCOOH，v/v）洗脱1次，（在采样和洗脱过程中，将液体完全从膜上抽出）（3）浓缩：将洗脱溶液用氮气干燥，并通过250μL 5%甲醇（在水中，v/v）重新溶解。（4）清洗：使用5mL甲醇洗涤萃取膜，在下一次使用前，密封SPE装置上的注射器。LC分析条件：流动相为（A）乙腈和（B）含有20mM KH₂PO₄的水，梯度（表示为A%，v%）为5% - 40% @ 0 - 6min，40% - 5% @ 6 - 6.1min，5% @ 6.1 - 8min。进样体积为10μL。流速为0.4mL/min。柱温为30℃。信号在230nm处收集（打开光谱扫描进行化合物鉴定）。
