功能化磁性納米材料在樣品前處理中的應用研究進展

李 菲, 吳昊宬, 李一峻, 何錫文, 陳朗星*, 張玉奎,2

(1. 南開大學化學學院, 生物傳感與分子識別天津市重點實驗室, 天津 300071;2. 中國科學院大連化學物理研究所, 遼寧 大連 116011)

隨著現(xiàn)代分析技術的飛速發(fā)展,越來越多的樣品可以通過高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)、氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)或其他相關平臺進行分析。但與此同時,分析化學所面臨的樣本性質(zhì)的復雜程度也是前所未有的,與純標準品不同,生物、環(huán)境、食品樣品通常含有多種成分,且組成復雜,如金屬離子、有機小分子、聚合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì),這些多樣復雜的成分可能引起一系列問題,包括儀器污染、信號干擾和基體效應等[1]。同時被檢測物的濃度要求越來越低,穩(wěn)定性也可能隨時變化,因而給分析檢測帶來了一系列困難,尤其是各種環(huán)境與生物樣本采集后直接進行分析的可能性很小,因此一般都要經(jīng)過樣品制備與前處理才能對樣品進行準確測定?？紤]到各類分析樣品基質(zhì)的復雜性以及目標成分的低含量,在進行樣品分析之前,需要對樣品進行濃縮富集和凈化[2,3],從而提高目標分析物的濃度(富集),減少基體成分的存在(樣品凈化),使處理后的樣品以與測量系統(tǒng)相適應的形式進行分析[4]。因此,在分析科學領域,選擇合適的樣品制備程序是保證色譜分離和分析物定量的關鍵[5]。

圖 1 MSPE分離富集生物、環(huán)境、食品等樣品中目標分析物的示意圖Fig. 1 Graphical representation of magnetic solid-phase extraction (MSPE) protocol on the isolation and enrichment of target analytes in biological, environmental and food samplesMOFs: metal-organic frameworks; COFs: covalent organic frameworks; MIPs: molecular imprinted polymers; QDs: quantum dots.

本文綜述了近年來由碳基納米材料(碳納米管(CNTs)、石墨烯、類石墨相氮化碳(g-C3N4)等)、分子印跡聚合物(MIPs)、離子液體(ILs)、硼酸親和配體、金屬有機骨架(MOFs)、共價有機骨架(COFs)、量子點、金屬氧化物等修飾的功能化磁性納米材料的制備及其在生物、環(huán)境污染物、食品樣品等分析檢測中的應用。通過表面功能化修飾,磁性納米材料不僅能克服環(huán)境中氧、pH等的影響,還能提高物理和化學穩(wěn)定性,而且為進一步與目標分子結(jié)合提供了更合適的官能團[9,10]。

1 碳基納米材料功能化的磁性納米材料

碳基納米材料,包括碳納米管、石墨烯、活性炭、g-C3N4等,以其良好的化學穩(wěn)定性、生物相容性、高的比表面積和吸附容量受到了越來越多的關注[11-14]。這類材料的表面一般含有大量環(huán)氧基、羥基(-OH)和羧基(-COOH)等親水基團,在水中易形成均勻的懸浮液,回收富集難度較大,大規(guī)模應用成本高。為了避免這類碳基納米材料因為難以回收而成為一種新的污染源,同時也為了提高材料的回收利用率,許多科學家將磁性納米粒子與這類碳基納米材料通過共價作用[15]、π-π堆積作用[16]、氫鍵作用[17]、靜電作用[18]和疏水作用[19]等結(jié)合,形成一種新的碳基材料功能化的磁性納米材料,在樣品前處理中得到了較好的應用。

CNTs作為一種新型的碳材料,受到科研工作者的廣泛關注。合成磁性碳納米管(MCNTs)通常有兩種方法:兩步法和一步法。兩步法合成MCNTs一般包括兩個步驟:一是磁性納米顆粒(MNPs)的合成;二是由MNPs和CNTs結(jié)合,制備MCNTs復合材料。而第二步主要采取管內(nèi)填充和表面嫁接兩種方式完成[20]。Hooshmand等[21]采用兩步法制備了Fe3O4納米粒子填充的碳納米管,以蜂蜜為穩(wěn)定劑、還原劑和磁性碳納米管的封蓋劑,合成了一種新的磁性納米復合材料,用于從人體樣品中高效提取和測定抗癌藥物舒尼替尼。該方法簡單、靈敏、快速,適用于人體樣品中相關物質(zhì)的分離和制備,并已成功地應用于中試研究。一步制備法是在納米管表面原位合成磁性納米顆粒。Tang等[22]提出了一種簡單的一步化學沉淀法,在碳納米管上制備磁性納米復合材料:將CNTs懸浮在含(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O和NH4Fe(SO4)2·12H2O的混合溶液中,滴加氨水沉淀氧化鐵,在高純氮氣保護下,50 ℃反應一段時間;反應后,懸浮液在室溫下冷卻。這樣在碳納米管表面直接一步法原位生長MNPs,產(chǎn)物可用外磁場加以分離。實際應用研究表明,MCNTs對實際樣品中的阿特拉津和Cu(Ⅱ)有較好的去除效果,并且分離方便,是一種很好的環(huán)保材料。

表 1 碳基納米材料功能化的磁性納米材料在樣品前處理中的應用

MCNTs: magnetic carbon nanotubes; MGO: magnetic graphene oxide; MC3N4: magnetic graphitic carbon nitride (g-C3N4); BHb: bovine hemoglobin; BSA: bovine serum albumin; AAS: atomic absorption spectroscopy; HRMS: high resolution mass spectrometry; UHPLC: ultra high performance liquid chromatography; FAAS: flame atomic absorption spectrometry; CVAFS: chemical vapor atomic fluorescence spectroscopy; ICP: inductive coupled plasma emission spectrometry.

自從Novoselov等[23]于2004年首次發(fā)現(xiàn)石墨烯以來,它作為單原子厚層碳納米材料在各個領域得到了廣泛的關注[23-25]。氧化石墨烯(GO)可以看作是具有不同官能團的石墨烯[26],因其表面大量的活性基團而被廣泛用于各類吸附材料中。目前,制備磁性石墨烯材料主要采用碳納米管負載所用的表面嫁接方法,即首先對石墨烯進行預處理,之后再與制備好的磁性顆粒相結(jié)合。Othman等[27]利用表面嫁接的方法合成了石墨烯-磁性氧化鐵納米粒子(GO-MNPs),并將其用作亞甲基藍(MB)染料的有效吸附劑,該材料不僅具有高吸附率和良好的再生能力,而且具有吸附后易于分離的磁效應。

作為一種綠色高效的吸附劑,具有芳香族三嗪結(jié)構(gòu)的g-C3N4在富集或去除金屬離子和有機芳香族化合物方面顯示出巨大的潛力[28]。然而,由于g-C3N4易團聚,難以通過離心從液相中分離出來,因此可將Fe3O4微粒固定在g-C3N4納米片表面,并應用于磁性固相萃取[29-32]。磁性的g-C3N4/Fe3O4雜化材料由于具有超順磁性,很容易通過外磁場從液相中分離出來[33]。更多的碳基材料功能化的磁性納米新材料在樣品前處理中的應用見表1。

表 2 分子印跡聚合物功能化的磁性納米材料在樣品前處理中的應用

RLS: resonance light scattering.

2 分子印跡聚合物功能化的磁性納米材料

MIPs具有與特定模板分子在形狀、大小和官能團上互補的結(jié)合位點,因MIPs具有結(jié)構(gòu)可預測性、識別特異性,在色譜分離、固相萃取、化學傳感等領域的應用廣泛性而受到極大的關注[57,58]。自1994年,Sellergren等[59]報道將MIPs作為固相萃取吸附劑,選擇性地從尿液樣本中萃取戊烷脒的工作后,MIPs在樣品預處理中得到廣泛應用。液液萃取(LLE)是目前應用最廣泛的樣品預處理技術,但存在著有機溶劑消耗大、富集效率低等缺點[57]。由于MIPs對模板分子具有良好的識別性能,能夠很好地克服傳統(tǒng)樣品預處理過程中缺乏選擇性等缺點,已被作為優(yōu)良的選擇性吸附材料應用到樣品預處理過程中[60]。因此,將分子印跡聚合物與磁性納米粒子相結(jié)合,得到具有大比表面積和易接近結(jié)合位點的磁性分子印跡聚合物(MMIPs),可實現(xiàn)對目標分析物的高選擇性、快速、簡便分離。

Bagheri等[61]設計并制備了高選擇性的阿托品分子印跡磁性聚合物-氧化石墨烯復合材料,并建立了阿托品檢測方法,用于復雜血清樣品中阿托品的測定。Zhang等[62]采用水熱法合成了磁性Fe3O4納米粒子,并通過硅烷化反應在納米粒子表面引入了碳碳雙鍵。以肝素寡糖(heparin oligosaccharides)為模板,2-氨基甲基丙烯酸乙酯(AEM)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和丙烯酰胺(AAm)為功能單體,N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)為交聯(lián)劑,采用表面自由基聚合法合成了磁性溫敏MIPs,可以通過溫度的變化來調(diào)節(jié)靶向肝素低聚糖的結(jié)合能力。Zhang等[63]開發(fā)了一種分子印跡聚合物修飾的磁性納米材料,用于人血清中的轉(zhuǎn)鐵蛋白的檢測和分離富集。該方法在磁球表面用2-羧基硼酸修飾作為轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合位點,接著用轉(zhuǎn)鐵蛋白和正硅酸乙酯(TEOS)分別作為模板和交聯(lián)劑在磁球表面形成分子印跡聚合物,洗脫模板之后,在弱酸性條件下將近紅外半菁類(CyA)熒光化合物結(jié)合在分子印跡聚合物上,轉(zhuǎn)鐵蛋白與磁性分子印跡聚合物的結(jié)合會使CyA的熒光發(fā)生淬滅,從而達到檢測轉(zhuǎn)鐵蛋白的目的,該納米材料也可以對轉(zhuǎn)鐵蛋白進行分離富集。磁性分子印跡聚合物的快速分離與識別特異性使其廣泛應用于生物、環(huán)境、食品等復雜樣品的前處理中(見表2)。

3 離子液體功能化的磁性納米材料

ILs是一類熔點在100 ℃或以下的有機鹽,通常由有機陽離子和有機(無機)陰離子組成,具有許多優(yōu)越的物理化學特性,包括低飽和蒸氣壓、良好的化學和熱穩(wěn)定性、高離子導電性、獨特的溶劑化能力等[86]。近年來,通過對離子液體化學結(jié)構(gòu)進行合理設計,其在分析化學領域的應用得到了迅速發(fā)展[87-91]。同時,離子液體也被認為是一種有價值的可取代揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds)的萃取劑[92]。為了提高離子液體在固相萃取中的應用能力,可以將其作為萃取劑載體和相分離基礎的磁性納米粒子相結(jié)合,形成離子液體功能化的磁性納米粒子,用于生物、環(huán)境和食品等復雜樣品中痕量組分的分析。其中,最常見的一種復合方式是:(1)通過共沉淀法或水熱法制備Fe3O4磁性納米粒子;(2)制備SiO2包覆的磁性納米粒子:二氧化硅化學穩(wěn)定性好,可保護磁核,同時其表面能進行多種化學修飾;(3)在Fe3O4@SiO2表面通過化學反應制備離子液體[93-95],或?qū)⑸唐坊碾x子液體與磁性納米粒子通過靜電作用等[96-101]形成離子液體功能化的磁性納米粒子。Cao等[102]采取了以上方法,用自組裝的方法成功制備了離子液體功能化的磁性納米粒子,不但防止了Fe3O4的氧化和聚集;同時,與其他同類吸附劑相比,該復合材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸附性能。更多的離子液體功能化的磁性納米材料在樣品前處理中的應用見表3。

表 3 離子液體功能化磁性納米材料在樣品前處理中的應用

PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons; CAP: chloramphenicol; ETAAS: electrothermal atomic absorption spectrometry; TD: thermal desorption.

圖 2 硼酸和順式二醇的結(jié)合-釋放過程Fig. 2 Binding-releasing mechanism of boric acid and cis-diol

4 硼酸親和配體功能化的磁性納米材料

硼酸在建筑材料、蛋白質(zhì)組學、生物標記、傳感等領域都有著廣泛的應用[112]。硼酸中的硼元素具有一種不滿足八隅體的缺電子結(jié)構(gòu),是一種路易斯酸,可以與帶有負電荷或含有自由電子的路易斯堿如氰根離子、氟離子、糖類等結(jié)合[113]。硼酸在與上述路易斯堿結(jié)合之后,由缺電子的正三角形sp2雜化結(jié)構(gòu)變?yōu)樗拿骟w結(jié)構(gòu)的sp3雜化,從而改變其電荷性質(zhì)。在硼酸與糖類的結(jié)合中,硼酸在堿性環(huán)境下形成sp3雜化結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以特異性地與糖類分子中的1,2-或1,3-順式二羥基結(jié)構(gòu)結(jié)合形成五元或六元環(huán)酯,而在酸性條件下硼酸的sp3結(jié)構(gòu)被破壞,環(huán)酯開環(huán),釋放糖類分子[114](見圖2)。

硼酸功能化材料最初是由Weith等[115]在1970年用苯硼酸修飾的纖維素固定相制備的硼親和色譜柱,通過液相色譜分離糖類和核酸類物質(zhì)。隨著硼酸親和材料的發(fā)展,開始出現(xiàn)各種新型的硼酸材料,例如多孔的整體柱材料[116,117]、介孔材料[118]、納米顆粒[119-123]、分子印跡聚合物[124,125]、溫敏性材料[126],以及聚合物基質(zhì)的材料[127],這些材料通常被用于分離含有順式二羥基的化合物。硼酸材料的親和性質(zhì)由硼酸配體和基質(zhì)共同決定。通常來說,硼酸親和配體的pKa越低,其親和能力越強,更利于其在低pH的實際樣品中的應用。增強硼酸親和材料的選擇性除了降低硼酸配體的pKa之外,還可以通過改變一定條件來抑制或消除一些二級的疏水作用、離子作用以及氫鍵作用引起的非特異性吸附。硼酸親和技術主要有以下幾個特點:(1)硼酸親和技術是一種普適性的親和技術;(2)硼酸親和技術的原理是硼酸親和配體和目標分子之間可逆的共價作用;(3)可以通過改變環(huán)境pH來釋放目標分子,保證實驗操作的簡易性;(4)用于解吸的洗脫液是酸性水溶液,可以很方便地實現(xiàn)硼酸親和技術和質(zhì)譜的在線或離線聯(lián)用,快速準確的分離鑒定目標分子[128]。

表 4 硼酸功能化磁性納米材料在樣品前處理中的應用

為了增加Fe3O4納米顆粒表面的硼酸密度,相應提高對糖蛋白的吸附容量,Zhang等[129]用蒸餾沉淀聚合和點擊化學方法相結(jié)合,制備了一種硼酸修飾的磁性納米材料,用于對糖蛋白的分離富集:在磁球表面用甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)修飾雙鍵后,應用蒸餾沉淀聚合的方式在表面修飾氯原子,然后用疊氮化鈉將其取代,獲得點擊化學的反應位點并與含炔鍵的硼酸配體反應,使磁球表面修飾上硼酸基團,從而實現(xiàn)糖蛋白的富集。

An等[130]使用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的方法,制備了聚合物刷修飾的磁性氧化石墨烯,用于糖蛋白的分離富集:在磁性氧化石墨烯表面通過π-π堆積作用修飾原子轉(zhuǎn)移自由基(ATRP)溴引發(fā)劑,再通過ATRP聚合在石墨烯表面修飾4-乙烯基苯硼酸,從而能夠在堿性條件下吸附含有順式二羥基結(jié)構(gòu)的糖蛋白,并且在酸性條件下脫附。更多的硼酸親和配體功能化的磁性納米材料在樣品前處理中的應用見表4。

5 金屬有機框架功能化的磁性納米材料

MOFs是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有周期性無限網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的一類新型有機-無機雜化材料[137]。與傳統(tǒng)多孔材料相比,MOFs兼具了無機化合物和有機高分子兩者的優(yōu)點,具有高的孔隙率、大的比表面積、結(jié)構(gòu)與功能多樣性、具有不飽和的金屬位點等特性[138]。這些特性使MOFs在存儲和分離[139-142]、傳感[143-146]、質(zhì)子傳導[147-152]、藥物傳輸[153-155]等方面都有很廣泛地應用。因此通過結(jié)合磁性納米材料及MOFs優(yōu)點,制備磁性MOFs復合材料,將大大擴展其使用范圍。目前已報道有多種方法將磁性納米粒子與MOFs結(jié)合起來制備復合材料:包埋法(embedding)、層層組裝法(layer-by-layer)、封裝法(encapsulation)和混合法(mixing)[156]。

表 5磁性MOFs納米材料在樣品前處理中的應用

Table5Applicationsofmagneticmetalorganicframeworksnanomaterialsinpretreatmentofsamples

SampleAnalyteAnalytical techniqueRefer-enceWater samplesPb2+AAS[157]Corn and peanutorchratoxin AUHPLC-MS/MS[158]Egg WhiteglycoproteinHPLC[159]Water samplestetrabromobisphenol AHPLC-UV[160]WastewaterBR18 dye, Cu (Ⅱ)UV-Vis, AAS[161]Wastewatermethylene blueUV-Vis[162]PM2.5nitrophenolsMALDI-TOF MS[163]WastewaterarsenicICP-OES[164]Human urineglycopeptideMALDI-TOF-MS[165]LC-MS/MSHuman Plasmaphthalate easersGC-MS[166]Fruit samplesorganophosphorus GC-FPD[167]pesticidesWater samplesfluoroquinolonesUPLC[168]Human urinetricyclic antidepressantsHPLC-UV[169]Water samplestriazole pesticidesHPLC-MS/MS[170]Water samplesplasticizer compoundsGC-FID[171]

BR 18: basic red 18; OES: optical emission spectrometry; FPD: flame photometric detection.

Karimi等[157]、Zhang等[158]、Li等[159]等均采用層層組裝的方法,在Fe3O4納米粒子的表面包覆了不同的MOFs (Fe3O4-NHSO3H@HKUST-1、Apt-MMIL-101、Fe3O4@SiO2@UiO-PBA),可以分別從環(huán)境、食品、生物樣品中對相應的物質(zhì)(鉛離子、赭曲霉毒素、糖蛋白)進行分離和富集。同時,實驗研究發(fā)現(xiàn),通過對自組裝次數(shù)進行準確控制,可以有效地控制MOFs的厚度,從而達到尺寸可控的目的。另外,制備得到的磁性MOFs復合材料都可以回收,重復利用。更多的金屬有機框架功能化的磁性納米材料在樣品前處理中的應用見表5。

6 共價有機框架功能化的磁性納米材料

2005年,Yaghi課題組[172]首次提出了共價有機框架的概念,并且描述這類材料為新型的、二維片層的、多孔的、結(jié)晶的、有序的共價有機框架。與此同時,COFs被定義為主要由C、H、N、B等輕質(zhì)元素組成的多孔有機共價框架材料。按照共價鍵連接方式的不同,COFs基本可分成3種類型:含硼酸類[172]、三嗪類[173]和亞胺類[174]。此外,COFs通常由于其大的π-離域電子體系,可以與芳環(huán)類化合物通過強的π-π堆積作[175,176]結(jié)合。經(jīng)過十幾年的發(fā)展,COFs在分離科學[177,178]領域,尤其是固定相[179-184]和固相微萃取[185-187]等方面,取得了越來越多的重大突破。到目前為止,COFs合成方面最大的挑戰(zhàn)仍舊是如何將功能化基團引入到COFs骨架中,合成更加有序和牢固的功能化COFs[188]。研究者將磁性Fe3O4直接與COFs通過化學鍵連接[189],或者通過其他化合物作為連接兩者之間的橋梁[190],制備了一系列的磁性COFs材料。其中核-殼結(jié)構(gòu)是較為經(jīng)典的結(jié)構(gòu)。磁性COFs材料的不斷豐富和發(fā)展,使得其在樣品前處理中的優(yōu)勢越來越顯著。Chen等[189]首先通過典型的溶劑熱反應制備了羧基功能化的Fe3O4納米粒子,這樣不僅提高了Fe3O4納米粒子在水溶液中的分散穩(wěn)定性,而且使COFs網(wǎng)絡對Fe3O4納米粒子的覆蓋成為可能。其次,在室溫下,通過均苯三甲醛(Tb)和聯(lián)苯胺(BD)在二甲基亞砜(DMSO)中的Schiff堿縮合反應,在Fe3O4納米粒子表面形成COFs殼層。結(jié)果顯示,核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@TbBD@COFs材料具有較高的比表面積(202.18 m2/g)、均勻的孔徑分布(2.8 nm)、高的磁響應度(41.4 emu/g)以及良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,是一種理想的選擇性分離富集雌激素的吸附劑(見表6)。

Li等[190]以超順磁性Fe3O4納米球為核心,以高穩(wěn)定性多孔COFs、1,3,5-三甲酰間苯三酚(TP)、BD作為殼層,用COFs的單體TP對核心的Fe3O4納米球進行功能化,以促進具有極好穩(wěn)定性的均勻COFs殼層的生長。晶體COFs殼層的厚度可以通過調(diào)節(jié)單體濃度來調(diào)節(jié)。這種單體介導的原位生長策略可用于在磁性納米球上控制COFs殼層的生長,從而構(gòu)建磁性核殼COFs納米球。制備的磁性核殼型COFs納米球具有快速去除水溶液中典型的內(nèi)分泌干擾物(EDCs)、雙酚A(BPA)和雙酚AF(BPAF)的潛力,具有較高的吸附容量和良好的可重用性。Yan等[191]提出了一種簡便有效的制備親水性Fe3O4@PDA@TbBD納米球的方法:首先采用水熱法制備了Fe3O4納米球,再用自聚合法將多巴胺(PDA)包覆在Fe3O4納米球上形成PDA層(Fe3O4@PDA);然后以二甲亞砜為溶劑、Fe3O4@PDA為親水磁核、TbBD為COFs殼層,一鍋法反應制得Fe3O4@PDA@TbBD@COFs復合材料。該材料具有較強的磁響應性、高的比表面積和良好的親水性,能夠在鄰苯二甲酸酯分析中顯示出很大的潛力。更多的共價有機框架功能化的磁性納米材料在樣品前處理中的應用見表6。

表 6 磁性COFs納米材料在樣品前處理中的應用

TCS: triclosan; TCC: triclocarban; HAAs: heterocyclic aromatic amines; PCBs: polychlorinated biphenyls.

7 量子點功能化的磁性納米材料

量子點是一種主要由ⅡB～ⅥA和ⅢA～ⅤA元素組成的半導體納米粒子,粒徑通常為2～20 nm,由于其粒徑非常小,因此表現(xiàn)出量子限域效應[201,202]。其價電子被激發(fā)到導帶后形成電子-空穴對而產(chǎn)生熒光。量子點具有很多獨特的物理和化學性質(zhì),比如高的熒光量子產(chǎn)率、高的摩爾吸光系數(shù)(較傳統(tǒng)有機染料高10～100倍)、寬的吸收譜帶和窄且對稱的發(fā)射峰(半峰寬為25～40 nm)、大的斯托克斯位移、高的抗光和化學漂白能力[203-205]。相較于傳統(tǒng)的有機染料,量子點有如下兩個明顯的優(yōu)勢:其一是可以通過合成方法和分離手段的改變來控制量子點的尺寸,從而調(diào)節(jié)其發(fā)射波長來滿足不同的需求;二是量子點較寬的吸收波段使多種量子點的混合體系可以被共同激發(fā)。這些優(yōu)點使量子點得到了化學工作者們越來越廣泛的的關注。

磁性熒光納米材料既具有磁性分離功能,同時還具備熒光特性,因此可用來實現(xiàn)對病原體和毒素、蛋白質(zhì)和DNA等生物樣品的分離與檢測,與傳統(tǒng)的單一分離檢測方法相比,更加具有實用價值,是一種新穎、有前景的復合材料[206],但其在制備中也存在著一些挑戰(zhàn)。首先是制備過程的復雜性:磁性納米粒子和熒光量子點需要經(jīng)過層層修飾引入功能性基團,在這個過程中,可能伴隨一些不可控的副反應。其次,磁性納米材料對熒光量子點會有一定的影響,在兩者相連的過程中,量子點熒光可能猝滅。最后,各納米微粒之間的靜電或化學作用可能導致其微粒易團聚。一般情況下,制備磁性熒光納米材料有以下幾種方法:(1)偶聯(lián)法:通過采用活性基團功能化的磁性和熒光材料形成化學共價鍵或?qū)в胁煌姾傻碾娊赓|(zhì)分別吸附到兩種材料表面形成靜電作用從而將兩種材料結(jié)合在一起[207]; (2)包埋法:將磁性納米材料與熒光量子點混合,形成核,再通過選擇具備良好穩(wěn)定性和生物相容性的外殼材料將核包裹[208]; (3)種晶生長法:以磁性或熒光材料任意一種為種晶,在其表面直接誘導另一組分的異質(zhì)形核生長[209]。Cui等[210]采用了一種基于具有永久熒光和磁性的免疫納米復合材料(ZnS: Mn2+量子點和Fe3O4/SiO2)同時捕獲和鑒定循環(huán)腫瘤細胞(CTCs)的方法:將ZnS: Mn2+量子點和Fe3O4納米粒子包裹在SiO2納米球中,并將腫瘤特異性上皮細胞黏附分子抗體(anti-EpCAM)包覆于納米球表面,制備了一種多功能納米復合材料。合成的納米復合材料具有很高的腫瘤細胞結(jié)合能力,而且Fe3O4納米顆粒具有快速的磁性反應,可以在幾分鐘內(nèi)從患者的血液中捕獲循環(huán)腫瘤細胞;此外,利用ZnS: Mn2+量子點發(fā)射的橙黃色光可以直接識別細胞-免疫復合物,從而無需利用傳統(tǒng)CTCs識別過程中復雜的破壞過程而對細胞進行標記。這一簡單、方便和對細胞友好的方法對于解決細胞活力問題和實現(xiàn)無損CTCs檢測具有重要意義。

8 金屬氧化物功能化的磁性納米材料

金屬氧化物功能化的磁性納米材料是由磁性材料與金屬氧化物(通常有Al2O3、SnO2、CaO、ZnO、TiO2、ZrO2等)復合而成。其合成可以直接將磁性組分(Fe3O4)和功能組分(金屬氧化物)復合在一起,也可以先在磁核(Fe3O4)表面包覆一層SiO2,構(gòu)成Fe3O4/SiO2納米材料,再將功能組分包覆在Fe3O4/SiO2的外表面[211]。表面包覆金屬氧化物外殼的MNPs不但具有較強的單分散性及化學穩(wěn)定性,而且被賦予了很多新性質(zhì),拓寬了MNPs的應用領域[212]。在生命科學領域,重組蛋白的分離純化具有重要意義。在磷酸化蛋白組學中,與常規(guī)固定金屬離子親和色譜(immobilized metal affinity chromatography, IMAC)材料相比,TiO2、ZrO2和HfO2等金屬氧化物對磷酸化蛋白/多肽具有更高的選擇性[213-215]。因此,許多課題組開始探索新型的磁性金屬氧化物親和色譜(metal oxide affinity chromatography, MOAC)材料,如TiO2[216]、ZrO2[217]、NiO[218]、Al2O3[219]等包覆的磁性微納米材料。與IMAC法相似,MOAC法中磷酸化肽親和位點也是金屬離子,但這些金屬離子與相鄰的氧離子形成強大的化學鍵更加穩(wěn)定,因此不會出現(xiàn)IMAC法中金屬離子脫落損失的問題。MOAC法富集磷酸化肽的機理是材料表面的金屬氧化物與磷酸基團之間可逆的路易斯酸堿相互作用[220]。由于大部分金屬氧化物是兩性的[221],所以在酸性條件下金屬氧化物表面帶正電,可作為路易斯酸捕獲磷酸化蛋白/肽;而在堿性條件下表面帶負電,作為路易斯堿釋放結(jié)合的磷酸化蛋白/肽。

Ma等[222]提出了一種利用簡便、可重復、質(zhì)譜友好的制備磁性介孔Fe3O4@mTiO2核殼微球的新方法。在磷酸化肽選擇性富集的研究中,Fe3O4@mTiO2微球具有以下特點:(1)純的、高度結(jié)晶的TiO2層,對磷酸化肽有明顯的選擇性;(2)較大的孔體積和合適的孔徑,通過縮短富集時間和提高回收率,保證了較大的富集能力和較高的傳質(zhì)效率;(3)具備高磁響應性的Fe3O4核,通過簡單地施加外部磁場,可以方便地進行分離。此TiO2功能化的磁性納米材料為選擇性富集磷酸化肽及質(zhì)譜分析提供了很高的實用價值。

藍敏波課題組[223]合成了一種核-殼磁性介孔微球Fe3O4@H-TiO2@f-NiO用于選擇性富集磷酸化肽。該材料以Fe3O4納米粒子作為內(nèi)核,并在表面修飾一層介孔TiO2作為內(nèi)殼層,最后在最外層包覆花狀NiO。TiO2和NiO化學穩(wěn)定性好,與磷酸化肽結(jié)合力強。此外,材料的介孔結(jié)構(gòu)提供了較大的比表面積和尺寸排除效應。憑借以上優(yōu)勢,Fe3O4@H-TiO2@f-NiO對磷酸化肽展現(xiàn)出了出色的富集性能,在HeLa細胞提取的蛋白酶解液中,能夠富集到972個磷酸化肽。

9 總結(jié)與展望

針對復雜樣品基質(zhì)中的微量或痕量目標物,制備高效、高選擇性的吸附分離材料是樣品前處理中的核心和關鍵。本文綜述了碳基納米材料、分子印跡聚合物、離子液體、硼酸親和配體、金屬有機骨架、共價有機骨架、量子點、金屬氧化物等功能化磁性納米材料的制備及其在生物、環(huán)境污染物、食品樣品分離分析中的應用。通過不同方法對磁性材料進行功能化修飾,能夠在充分發(fā)揮磁性材料優(yōu)勢的基礎上改善其表面性質(zhì),提高對不同類型目標物的特異性或廣譜性分析能力,從而在各類復雜樣品的前處理過程中有著良好的應用潛力。

目前,關于功能化磁性納米材料在樣品前處理中的研究可以從以下幾個方面開展:(1)開發(fā)研究更多新型材料(如氫鍵有機骨架材料(HOFs)、化學適配體等)功能化修飾的磁性納米復合材料,從而適應各種復雜體系的樣品前處理過程;(2)發(fā)展簡便、高效、快速、綠色的磁性納米材料功能化方法;(3)雖然磁性材料具有制備簡單、分離方便等優(yōu)點,但是其在實際分析過程中難以實現(xiàn)自動化,因此需要基于磁性分離技術HPLC、GC、MS的聯(lián)用分析,實現(xiàn)樣品前處理與儀器分析的同步化、自動化;(4)復雜樣品中手性成分的預處理和分析仍存在較大挑戰(zhàn)?？傊?功能化磁性納米材料作為一種方便高效的復合材料,將在樣品前處理過程中得到越來越多的應用。