【COF传感器】基于共价有机框架的荧光传感器阵列和QSAR研究，用于识别含能杂环化合物

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摘要：
南京理工大学朱隆懿、罗军、钱华和兵器工业卫生研究所毒理技术研究中心刘志勇&高俊宏老师等报道的本篇文章（Anal. Chem. 2024）中报道了一种基于共价有机框架（COFs）的荧光传感器阵列（COFx传感器阵列），用于高效筛选能量异质环状化合物（EHCs）。通过合理设计COFs的孔径和连接策略，简化了传感器阵列。成功区分了18种EHC代表物，包括单环、双环和三环EHCs，浓度范围从10μM到1mM。该传感器阵列对广泛的干扰物表现出强大的选择性。进行了定量构效关系（QSAR）分析，以研究传感器阵列的机理。建立了三个多元线性回归模型，使用分子描述符评估和预测Stern-Volmer系数值，实现了EHCs结构与传感器阵列信号输出之间的明确相关性。保留了五个分子描述符，以揭示传感器阵列分辨率的控制因素。QSAR分析有助于COFx传感器阵列的设计和开发，为定制多元分析提供了新方法。

研究背景：
1. 能量异质环状化合物（EHCs）的准确识别在弹药评估、环境监测和生物安全方面具有重要意义，但目前尚未充分探索。
2. 传统仪器用于分析EHC类似物，但操作复杂且成本高，迫切需要现场快速准确识别EHCs的方法。
3. 本文作者创新改进：
   - 提出基于COFs的荧光传感器阵列，通过设计不同的孔径和连接策略来实现对EHCs的高效筛选。
   - 利用QSAR分析，建立了分子描述符与EHCs的荧光猝灭性能之间的数学模型，为传感器阵列的机理研究和定制化多元分析提供了新思路。

实验部分：
1. COFs的合成：
   1) 将指定量的2,4,6-三甲基-1,3,5-三嗪(TMT)、对苯二甲醛(TA)、2,4,6-三(4-氨基苯基)-1,3,5-三嗪(TAPT)等单体溶于溶剂中，按照文献中的比例和条件进行反应，制备出多种COFs。
   2) 采用溶剂热法合成COFs，将反应物放入聚四氟乙烯衬里的不锈钢容器中，然后在特定温度下加热一定时间。
   3) 反应结束后，通过离心、洗涤和干燥得到最终的COFs产品。
2. 荧光分析：
   1) 制备COFx浓悬液：精确称取4 mg COFx，加入到4 mL超纯水中，经20分钟超声处理，得到均匀的COFx浓悬液。
   2) 荧光响应测试：取80 μL COFx浓悬液，与不同浓度的分析物在720 μL超纯水中混合，37 °C孵育0.5小时。
   3) 使用荧光光谱仪测量荧光强度，激发波长设定为365 nm，发射光谱范围从400 nm扫描至700 nm，每个样品进行三次平行测定。
3. 理论计算与分子描述符的计算：
   1) 使用Gaussian 09软件进行密度泛函理论(DFT)计算，选取B3LYP/6-31G基组，计算EHCs和COFs的HOMO-LUMO能级。
   2) 利用ChemDraw 20.0构建EHCs的3D结构，经MM2优化后，通过DRAGON软件计算分子描述符。
4. QSAR模型开发与评估：
   1) 通过DTC-QSAR软件，进行多元线性回归(MLR)分析，选择适合的遗传算法参数，进行变量选择和模型优化。
   2) 根据Stern-Volmer方程计算Ksv值，将数据集划分为训练集和测试集，评估模型的预测能力和稳定性。

分析测试：
1. 粉末X射线衍射（PXRD）：
   - 使用Bruker D8 Advance衍射仪记录PXRD图谱，COFx的衍射峰与预期的结构数据一致。
2. 荧光光谱（FL）：
   - 使用Hitachi F-7000光谱荧光光度计测量，记录了不同COFx样品的荧光发射光谱。
3. 扫描电子显微镜（SEM）：
   - 利用ZEISS Gemini SEM 360拍摄COFx的SEM图像，观察到COF3和COF4呈现球形，其他COFx主要为条带状形貌。
4. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：
   - 通过Thermo Fisher NICOLET IS20 FTIR光谱仪获得COFx的FTIR谱图，验证了COFx骨架中化学键的存在。
5. 理论计算结果：
   - DFT计算得到的EHCs和COFs的HOMO-LUMO能级差范围在文献中给出具体数值，用于分析荧光猝灭机制。
6. 分子描述符分析：
   - 通过DRAGON软件计算得到的描述符数据，如ATSC6e、GATS5v、SpMax6_Bh(s)等，用于QSAR模型的建立。
7. QSAR模型的统计参数：
   - 给出MLR模型的调整决定系数(R2 adj)、留一法交叉验证相关系数(Q2 LOO)等统计参数的具体数值，例如R2 adj = 0.95, Q2 LOO = 0.80。
8. 主成分分析（PCA）：
   - 利用Origin 2020软件进行PCA分析，得到各主成分的贡献率，如PC1、PC2、PC3的贡献率分别为79.3%、8.8%、4.7%。
9. 传感器阵列的检测限制：
   - 列出COFx传感器阵列对EHCs的检测限制，例如对于特定EHC的检测限制为1 × 10−6 M。
10. 实际样品测试结果：
    - 利用DNTF基复合推进剂进行测试，通过PCA坐标上的最小欧几里得距离成功识别DNTF，展示了传感器阵列的实际应用潜力。

总结：
本文成功设计并开发了一种基于COFx的传感器阵列，用于准确识别18种EHCs代表物。通过调整单体的化学结构和连接策略，实现了对单环、双环和三环EHCs的满意区分。此外，通过QSAR分析，建立了结构描述符与EHCs荧光猝灭性能之间的数学模型，为传感器阵列的机理研究和定制化多元分析提供了新的视角。

展望：
本文的研究为EHCs的快速准确识别提供了新的方法，具有重要的实际应用价值。未来，作者可以进一步探索：
1. 提高传感器阵列的灵敏度和选择性，以适应更广泛的应用场景。
2. 研究不同EHCs结构对传感器阵列响应的影响，进一步优化传感器材料的设计。
3. 开展实际样品的测试，验证传感器阵列在复杂环境中的实用性和稳定性。
4. 探索QSAR模型在其他类型的传感器阵列中的应用，拓展其在化学传感领域的应用范围。

Covalent Organic Frameworks-Based Fluorescence Sensor Array and QSAR Study for Identification of Energetic Heterocyclic Compounds
文章作者：Haikang Han, Longyi Zhu,* Shengyuan Deng, Ying Wan, Kewei Ren, Zhiyong Liu,* Junhong Gao,* Bin Zhu, Fangxia An, Jun Luo,* and Hua Qian*
DOI：10.1021/acs.analchem.4c01855
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c01855

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