郭东升课题组：高灵敏特异性检测和高效吸附全氟污染物

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水污染问题目前已成为世界上最为紧迫的环境问题之一。全氟烷基化合物，例如全氟辛基磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA），广泛用于含氟聚合物、泡沫灭火剂等生产领域。因其具有高毒性、持久性、生物积累性、远距离迁移性等性质，对人类健康和环境产生了严重的危害。目前检测PFOS和PFOA的方法大多需要精密的仪器和复杂的操作，而成本低、操作简单的光谱法则受限于较低的灵敏度。因为C-F键的高键能，PFOS和PFOA的降解十分困难，且会产生新的有毒副产物，吸附是净化污染水源最有效的方法。但是，活性炭、树脂等经典的吸附剂缺乏对PFOS和PFOA的特异性。目前PFOS和PFOA的特异性吸附剂的研究还很少，而且缺乏在同一体系实现实时检测和高效吸附。因此，设计合成对PFOS和PFOA具有选择性强键合的人工受体，同时实现高灵敏检测和特异性吸附具有重要意义。

      近日，根据PFOS和PFOA的结构特点，南开大学郭东升教授课题组设计了胍基修饰杯芳烃主体，用于特异性结合PFOS和PFOA。并以此构建了高灵敏超分子传感和高效吸附体系，用以检测和吸附污水中的PFOS和PFOA。首先，作者详细考察了胍基杯芳烃与PFOS和PFOA的键合行为。实验结果表明，该杯芳烃通过静电、氢键、范德华和疏水作用等协同作用达到对PFOS和PFOA强键合，其结合常数可达纳摩尔（nM）级。
      借助指示剂置换检测方法，利用荧光素作为荧光指示剂，作者在缓冲溶液、自来水和湖水中实现了对PFOS和PFOA的荧光定量检测。检测限可低至21.4 nM (11.3 μg L-1)，表明该检测方法能够直接应用于机场、工业园区和军事基地附近等重度污染水源的检测。对于轻度污染水源中PFOS和PFOA的检测，可以通过固相萃取浓缩后再进行检测的方法实现。另外，作者利用手机app，建立了PFOS和PFOA的标准曲线，无需专业的分光光度计即可实现对PFOS和PFOA的可视化检测。
      进而，作者构筑了负载四氧化三铁纳米粒子的胍基杯芳烃组装体，通过简单的磁吸附和过膜处理，能够有效的吸附分离水中的PFOS和PFOA。这一基于杯芳烃分子识别和组装的超分子策略对污水中全氟污染物的检测和吸附分离具有广阔的应用前景。
这一研究成果已于近期发表在Nature Communications 上，文章第一作者是南开大学博士研究生郑哲，通讯作者是郭东升教授。
       Guanidinocalix[5]arene for sensitive fluorescence detection and magnetic removal of perfluorinated pollutants Zhe Zheng, Huijuan Yu, Wen-Chao Geng, Xin-Yue Hu, Yu-Ying Wang, Zhihao Li, Yuefei Wang, Dong-Sheng Guo  Nat. Commun., 2019, 10, 5762, DOI: 10.1038/s41467-019-13775-1


       杯芳烃 一般是指由亚甲基桥连苯酚单元所构成的大环化合物，1942年金克(Zinke，奥地利)首次合成得到，因其结构像一个酒杯而被古奇(C.D.Gutscht，美国)称为杯芳烃。 绝大多数的杯芳烃熔点较高，在250℃以上。在常用的有机溶剂中的溶解度很小，几乎不溶于水。杯芳烃具有大小可调节的“空腔”，能够形成主客复合物，与环糊精、冠醚相比，是一类更具广泛适应性的模拟酶，被称为继冠醚和环糊精之后的第三代主体化合物。杯芳烃包括苯酚杯芳烃以及杂环杯芳烃如杯吡咯，杯吲哚，杯咔唑等。


       郭东升，博士，南开大学化学学院教授、博导。2001年获南开大学学士学位，2006年获南开大学博士学位，导师刘育教授。2006年留校任教，历任讲师、副教授、教授。主要从事生物医药功能导向的杯芳烃超分子化学研究工作。在设计合成新型水溶性杯芳烃衍生物的基础上，着重考察其分子识别与组装等基础理化性质，进而将其应用到生物医药领域，包括生物传感、调节蛋白结构/活性、跨膜转运和超分子光诊疗等，从而为肿瘤和阿尔兹海默症等系列重大疾病的诊断和治疗提供新的解决思路。目前已在Nature Chem.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.等刊物上发表论文90余篇，累计引用3500余次。在国内、外学术交流会议上做学术报告20余次。2013年获国家优秀青年科学基金资助，入选南开大学百名青年学科带头人培养计划；2014年入选天津市青年拔尖人才支持计划，天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才；2018年入选天津市创新人才推进计划中青年科技创新领军人才；2015年获天津市自然科学一等奖(第二完成人)。目前担任《中国化学快报》青年编委，Frontiers in Chemistry》编委。