功能化金屬-有機(jī)骨架作為高效吸附劑對(duì)含水樣品中藥物污染物的選擇性富集
材料和方法
- 材料和試劑：1,3,5 - 三（對(duì)咪唑基苯基）苯（縮寫為M - L）購(gòu)自Chemsoon有限公司（中國(guó)上海）。1 - 烯丙基咪唑、2,2' - 偶氮二異丁腈（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）、多面體低聚倍半硅氧烷（POSS，甲基丙烯?；〈?，籠狀混合物，n = 8, 10, 12）購(gòu)自東京化學(xué)工業(yè)（TCI - 上海，中國(guó)）、西格瑪 - 奧德里奇（上海，中國(guó)）。法匹拉韋（CAS注冊(cè)號(hào)（RN）259793 - 96 - 9，編號(hào)為化合物3）、3 - 羥基吡嗪 - 2 - 酰胺（CAS RN 55321 - 99 - 8，編號(hào)為化合物1）、吡嗪胺（CAS RN 5049 - 61 - 6，編號(hào)為化合物2）購(gòu)自上海皓鴻生物醫(yī)藥科技有限公司。6 - 溴 - 3 - 羥基吡嗪 - 2 - 甲酰胺（CAS RN 259793 - 88 - 9，編號(hào)為化合物5）、6 - 氯 - 3 - 羥基吡嗪 - 2 - 甲酰胺（CAS RN 259793 - 90 - 3，編號(hào)為化合物4）、泛昔洛韋（CAS RN 104227 - 87 - 4，編號(hào)為化合物8）、更昔洛韋（CAS RN 82410 - 32 - 0，編號(hào)為化合物6）、阿昔洛韋（CAS RN 59277 - 89 - 3，編號(hào)為化合物7）購(gòu)自上海畢得醫(yī)藥科技有限公司。甲醇、二甲基甲酰胺、乙腈、甲酸和氨水為HPLC級(jí)，甘油、乙二醇、Ni(NO?)?·6H?O、Co(NO?)?·6H?O、Zn(NO?)?·6H?O、Cd(NO?)?·4H?O、Cu(NO?)?·3H?O、NaNO?、KH?PO?為分析級(jí)，微孔過濾膜（PTFE，0.22μm，直徑 = 25mm）和針式過濾器（內(nèi)徑 = 25mm，帶有可更換膜的空間）均購(gòu)自濟(jì)南試劑公司。色譜紙來自Whatman（GE healthcare UK LTD）。色譜柱（Agilent，ZORBAX Eclipse Plus C18，3×100mm，1.8μm）用于本工作。本工作中使用的水均為純凈水（娃哈哈有限公司，中國(guó)）。
- 儀器：制備過程中使用離心機(jī)（Thermo，美國(guó)）。使用SUPRA™ 55熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（Zeiss，德國(guó)）進(jìn)行SEM觀察。使用Kubo - X1000（北京Builder Electronic，中國(guó)）測(cè)量BET比表面積（在50℃真空干燥，然后通過氮?dú)鉁y(cè)試）。使用D/MAX - R8衍射儀（Rigaku，日本）進(jìn)行粉末X射線衍射（XRD）（Cu Kα，掃描速度 = 5°/min）。使用Netzsch STA 449F3（德國(guó)）進(jìn)行熱分析（熱重分析（TG）；差示掃描量熱法（DSC）），溫度范圍為室溫至700℃。使用XH - MC - 1實(shí)驗(yàn)室微波合成反應(yīng)器（北京祥鵠科技，中國(guó)）進(jìn)行微波反應(yīng)。使用K - Alpha +（Thermo，美國(guó)）進(jìn)行X射線光電子能譜（XPS）。使用FEI Tecnai G2 F20進(jìn)行透射電子顯微鏡（TEM）。LC實(shí)驗(yàn)在LC Ultimate 3000色譜系統(tǒng)（Thermo，美國(guó)）上進(jìn)行。
- 制備功能MOF：按照我們之前的工作[25]并進(jìn)行了一些修改，合成了經(jīng)C = C鍵修飾的功能MOF：首先將5g PVP（K30）加入到50mL甲醇和30mL甘油的混合物中，然后在50℃下攪拌得到均勻溶液。然后加入0.5mmol橋聯(lián)配體（M - L，粉末）、0.2mmol 1 - 烯丙基咪唑（溶解在10mL甲醇中）。冷卻至室溫后，迅速加入0.1mmol M²?鹽（溶解在10mL甲醇中，M = Co、Ni、Cu、Zn或Cd）。劇烈攪拌2min使M²?充分分散后，將整個(gè)混合物密封并在室溫（20 - 25℃）下保持24h。時(shí)間到后，容器底部可以看到一層固體沉淀物。然后加入10mL飽和NaNO?水溶液以輔助離心（14000rpm，5 - 10min）。收集的沉淀物隨后依次用甲醇/水（v/v，6:1）和甲醇洗滌。最后，產(chǎn)品在60℃下干燥過夜。
- 制備MOF@紙膜：分為三個(gè)步驟：（1）用C = C鍵修飾濾紙，（2）通過自由基聚合將MOF固定在紙上，（3）將MOF修飾的紙安裝在SPE裝置中。所有步驟均參考我們之前的工作[25]并進(jìn)行了微調(diào)。步驟1：將濾紙切成直徑為25mm的圓形片，然后將紙浸入1mol/L NaOH水溶液中在室溫下浸泡12h。用水洗滌紙至pH達(dá)到7后，用甲醇洗去殘留的水。然后將活化的紙?jiān)?5℃下干燥過夜。然后將紙浸入40%γ - MAPS甲醇溶液（v/v）中在室溫下再浸泡12h。最后，將修飾的紙用甲醇洗滌并在45℃下干燥過夜。步驟2：將3mg MOF（超過5mg MOF會(huì)導(dǎo)致膜的滲透性變差，關(guān)于MOF量的詳細(xì)分析，請(qǐng)參見圖S4下方的分析）、10mg AIBN加入到混合溶液（450μL DMF和50μL乙二醇）中。通過超聲處理，將混合物充分分散成均勻溶液。然后將500μL溶液滴在三層重疊的修飾紙上。紙完全吸收反應(yīng)物后，將紙放入微波爐中并在80℃下加熱30min。所得紙用甲醇洗滌，然后在45℃下干燥。使用前，將紙密封并在室溫下保存。步驟3：將三層MOF修飾的紙放在兩層微孔過濾膜（PTFE，0.22μm）之間，并固定在針式過濾器（內(nèi)徑 = 25mm）中。然后將針式過濾器固定在帶有5mL注射器的SPE裝置中。針式過濾器通過限速閥與真空罐連接。為了進(jìn)行比較，根據(jù)步驟3，將三層未修飾的紙或C = C修飾的紙放置在SPE裝置中作為對(duì)照。每次使用前，用5mL甲醇洗滌萃取膜并檢查是否泄漏。
- 吸附測(cè)試：以膜過濾的形式進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。使用甲醇制備儲(chǔ)備溶液：化合物2、3、4、5和8為2mg/mL，化合物1為1mg/mL，化合物6和7為0.5mg/mL（甲醇：水 = 1:1，v/v）。然后加入水制成20μg/mL的樣品溶液?；衔?（法匹拉韋）用作初始測(cè)試樣品。對(duì)于pH測(cè)試，分別向20μg/mL樣品中加入1% HCOOH（v/v）和1% NH?·H?O（v/v）。對(duì)于離子強(qiáng)度測(cè)試，分別向20μg/mL樣品中加入5%（m/v）和10%（m/v）的NaNO?。對(duì)于溶劑效應(yīng)的比較，分別使用水和乙腈作為溶劑制備20μg/mL的樣品。對(duì)于選擇性測(cè)試，由于結(jié)構(gòu)相似，將化合物1 - 5和化合物6 - 8分別分組并制成混合的20μg/mL樣品。每次，將5mL樣品溶液以穩(wěn)定的速度過濾一次。分別通過LC分析樣品溶液和收集的濾液。回收率定義為濾液的峰面積與相應(yīng)原始樣品的峰面積相比減少的百分比。LC條件為：（1）對(duì)于化合物3和化合物1 - 5的混合物，流動(dòng)相為（A）乙腈和（B）含有20mM KH?PO?的水，A:B = 10:90（v/v）。進(jìn)樣體積為10μL（進(jìn)樣體積在使用的色譜柱上進(jìn)行了測(cè)試，10μL可以保證所有化合物的柱效率，對(duì)于乙腈溶劑，進(jìn)樣體積為1μL以避免溶劑效應(yīng)）。流速為0.3mL/min。柱溫為30℃。信號(hào)在230nm處收集。（2）對(duì)于化合物6 - 8的混合物，流動(dòng)相為（A）乙腈和（B）含有20mM KH?PO?的水，梯度（表示為A%，v%）為1% - 5% @ 0 - 8min，5% - 40% @ 8 - 8.1min，40% @ 8.1 - 13min，40% - 1% @ 13 - 13.1min，1% @ 13.1 - 15min。進(jìn)樣體積為10μL。流速為0.3mL/min。柱溫為30℃。信號(hào)在220nm和280nm處收集，并通過Chameleon軟件在最佳積分路徑上生成色譜圖。為了研究不同金屬基MOF和POSS的量，使用來自一種合成條件的三個(gè)膜對(duì)20μg/mL的化合物3樣品進(jìn)行測(cè)試。為了研究選擇性，使用混合樣品在同一個(gè)膜上進(jìn)行三次測(cè)試。為了研究pH、鹽濃度和溶劑種類的影響，對(duì)于每個(gè)條件，使用5mL混合樣品（化合物3458，20μg/mL）在同一個(gè)膜上進(jìn)行三次測(cè)試。
- 材料層面的模擬：使用Materials Studio軟件模擬這些化合物（1 - 8）與MOF材料的相互作用。使用DMol3程序包在密度泛函理論（DFT）方法下計(jì)算所有構(gòu)型（MOF和化合物 - X（COMX，X = 1 - 8）的優(yōu)化。交換和相關(guān)項(xiàng)使用GGA（廣義梯度近似）- PBE（Perdew，Burke和Ernzerhof）方法確定[41]。為了在MOF材料的這個(gè)超晶胞的C軸上創(chuàng)建足夠的吸附空間，使用超晶胞（MOF - 晶胞）作為吸附劑，對(duì)化合物1 - 8進(jìn)行吸附模擬。最后，使用Sorption模塊在COMPASSII力場(chǎng)下模擬了幾個(gè)化合物 - X在MOF板可及表面上的吸附構(gòu)型。使用Metropolis Monte Carlo方法進(jìn)行了105個(gè)Monte Carlo步驟和10個(gè)退火循環(huán)的化合物1 - 8在框架中的吸附計(jì)算。獲得了每個(gè)化合物的最終吸附構(gòu)型?；衔?- X在MOF中的吸附能（EADS）通過以下公式計(jì)算：
，其中EMOF和ECOMX分別代表初始MOF和單個(gè)化合物 - X的能量，EMOF - COMX是最終吸附結(jié)構(gòu)的總能量，n和m是MOF單元和吸附質(zhì)的數(shù)量。 - CFD研究選擇性：通過COMSOL Multiphysics軟件（模塊：多孔介質(zhì)界面中稀釋物種的傳輸）進(jìn)行CFD模擬。模擬參數(shù)見表S1。對(duì)于模型中使用的物理量，假設(shè)吸附劑在紙上的分布、復(fù)合膜的孔隙率、樣品的濃度、垂直于橫截面的流速是均勻的。必要的物理參數(shù)（如擴(kuò)散系數(shù)、孔隙率等）來自合理的估計(jì)，其他參數(shù)（BET比表面積、濃度、分子量）來自實(shí)驗(yàn)。由于所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，因此不考慮溫度效應(yīng)。使用Langmuir吸附模型與流動(dòng)耦合。Langmuir模型中的參數(shù)（每個(gè)化合物的Langmuir常數(shù)和單層容量）在合理范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)化，以獲得與不同組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)?shù)幕厥章剩ㄎ桨俜直龋?。由于溫度不變，每個(gè)化合物的Langmuir常數(shù)固定，每個(gè)化合物的單層容量在不同樣品中變化，以顯示競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。
- SPE程序和樣品制備：化合物3、4、5和8用于SPE測(cè)試。對(duì)于工作曲線，分別制備濃度系列（1ng/mL、10ng/mL、50ng/mL、100ng/mL、500ng/mL、1000ng/mL）。實(shí)際樣品為：實(shí)驗(yàn)室后院的池水、當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室的自來水、當(dāng)?shù)毓珗@的泉水和當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)的商業(yè)飲用水。池水在使用前通過0.22μm過濾器過濾，其他樣品直接使用。所有實(shí)際樣品均在4℃下儲(chǔ)存，并在三天內(nèi)使用。對(duì)于回收率測(cè)試，在實(shí)際樣品中加入50ng/mL和500ng/mL的混合樣品。SPE過程包括：（1）采樣：以穩(wěn)定的速度過濾5mL樣品1次，（2）洗脫：使用5mL甲醇（含有1% HCOOH，v/v）洗脫1次，（在采樣和洗脫過程中，將液體完全從膜上抽出）（3）濃縮：將洗脫溶液用氮?dú)飧稍?，并通過250μL 5%甲醇（在水中，v/v）重新溶解。（4）清洗：使用5mL甲醇洗滌萃取膜，在下一次使用前，密封SPE裝置上的注射器。LC分析條件：流動(dòng)相為（A）乙腈和（B）含有20mM KH?PO?的水，梯度（表示為A%，v%）為5% - 40% @ 0 - 6min，40% - 5% @ 6 - 6.1min，5% @ 6.1 - 8min。進(jìn)樣體積為10μL。流速為0.4mL/min。柱溫為30℃。信號(hào)在230nm處收集（打開光譜掃描進(jìn)行化合物鑒定）。
