核苷类物质、糖类物质、糖蛋白等生物分子都含有顺式二醇结构，它们具有重要的生理学功能，这类物质已经成为生物和医学研究前沿的重要靶点。然而，由于生物样品中这类物质含量低，基质复杂，使其分离、分析较为困难。因此，开发快速、高效、高选择性的方法用于这类物质的萃取富集具有重要的意义。硼酸化亲和材料作为一种独特的吸附剂，已成为选择性分离和富集顺式二醇类物质的重要方法。硼酸功能团的引入使得硼酸化亲和材料具有多种特点, 包括高选择性、可逆共价键、pH可控地俘获/释放、快速缔合/解吸动力学以及与质谱仪的良好相容性。在过去十年中，硼酸亲和材料在糖蛋白富集和分离、蛋白质组学、小分子代谢分析等方面都得到了越来越广泛的应用。本文对硼酸化亲和材料的最新进展综述，主要关注硼酸亲和的基本原理和过去十年中的重要进展以及相关应用。

1 概况

在代谢组学、糖组学和蛋白质组学的研究上，含有顺式二醇类的核苷酸、糖类、糖和糖蛋白分子是目前研究前沿的重要靶点。在许多研究中，发现含顺式二醇的分子通常在生物样品中的丰度极低，同时在分析检测时存在较大的干扰。因此，选择性地分离富集通常是分析顺式二醇类生物分子的关键步骤之一。硼酸化亲和材料作为一种独特的选择性分离和富集顺式二醇类物质的介质，在过去十年中得到越来越多的关注^[1]。

硼酸化亲和材料对顺式二醇分子的识别能力，主要取决于材料的结构、配体结构、结合环境等。①在pH值较高时(pH＞7)，硼酸基质能与顺式二醇类化合物形成稳定的环状硼酸酯，且pH值越高，该环状硼酸酯越稳定；而在pH较低时，顺式二醇类物质又能从硼酸基质上释放下来；②支撑材料的结构也会影响硼酸亲和材料pH值及其亲和力，特别是材料结构的分子印迹的空间限制和纳米尺度的空间约束；③配体结构和材料结构对硼酸化亲和材料的选择性也有明显的影响。除了硼酸化亲和作用外, 还有其他二级相互作用, 例如疏水相互作用、离子交换作用和氢键等, 可发生在硼酸化亲和材料上。这些相互作用力的大小程度取决于硼酸化配体的结构和所用的辅助材料，可以通过选择合适的硼酸配体和辅助材料来抑制这些次级相互作用，从而提高硼酸亲和材料的选择性。

2 硼酸化配体结构

硼酸亲和材料的结合性能，包括结合度、粘结性、结合选择性和结合力，都是由硼酸配体的结构决定的。为了生成特定属性的硼酸化亲和性材料，研究人员做过许多尝试。迄今使用的常用配体可分为以下三类。第一类为单一配体，包括含电子提取基团的硼酸配体、含有内四配位B-N或B-O键的武尔夫型硼酸、含有分子内三配位B-O键改进的武尔夫型硼酸和杂环硼酸；第二类为多分子组配体，多分子组功能性材料具有操作简单、低pH值粘结、亲和力强、选择性高等优点，然而, 与武尔夫型硼酸相比, 这种方法的适用pH范围窄，一般需在低pH值环境下操作；第三类为树枝状硼酸配体，单硼酸对含顺式二醇的生物分子的结合强度相对较弱，硼酸与糖或糖蛋白之间的离解常数介于0.1到0.001 mol/L，树枝状硼酸的特性可实现生物分子相互作用中的多重结合，配体结构具有更强的结合性能，大大提供高了萃取材料的亲和力。

3 硼酸亲和材料的种类

除改变硼酸配体外, 改变硼酸亲和基底材料的种类对其性能也有显著的影响。为提高硼酸化亲和材料对顺式二醇类物质的选择性，现阶段已开发了多种硼酸亲和材料，包括大孔整体柱、介孔材料、纳米粒子材料和温度敏感材料等。

3.1 大孔整体柱

大孔整体柱，又称单片柱，被定义为“用连续的固定相，形成一个单一的均匀的柱体”。与常规色谱柱相比，整体柱具有制备方便、成本低、低背压、快速对流的传质、可微型化和毛细管小型化等显著优点。其中如整体毛细管高效液相色谱法(monolithic capillary-based high-performance liquid chromatography)^[2]，与传统的液相色谱法比较，具有改进的色谱分辨力、高效性、较低的样品用量、更方便的在线耦合质谱和高灵敏度的特点。

自20世纪90年代以来已经出现了整体柱，而关于硼酸化亲和整体柱首次报道是在2006年^[3]。由于硼酸亲和性和整体柱的显著优点，两者的结合得到了迅速的发展。根据整体柱的结构性质，到目前为止，硼酸化亲和整体柱的出现可分为以下两类:①硼酸化亲和有机聚合物整体柱；②硼酸化亲和有机无机杂化整体柱。

3.1.1 硼酸化亲和有机聚合物整体柱

有机聚合物整体柱易于制备，其结构易于调节以满足不同分析的需求，在不同的pH值环境下具有良好的稳定性，因此硼酸化亲和有机聚合物整体柱是目前最常见的硼酸亲和材料。除材料基质外，大孔整体柱的纳米尺寸和形状对硼酸化亲和材料的性能也有重要影响。纳米尺度介质可以提供独特的尺寸选择性，其允许小分子自由通过内部的同时，也能阻碍大分子的进入。在许多功能化材料中，限制一部分大分子的进入，选择性提取小分子^{[4, 5]}，这种尺寸排斥效应被用作核心选择性。南京大学刘震团队开发出一种类似于蛋白质的多孔功能性材料，称为限制性接触硼酸化亲和多孔材料^[6]，用于特定的免疫球蛋白(IgG)的提取。同时，也采用开环聚合法制备硼酸亲和整体柱^[7], 因为它能产生高度有序的3D骨架聚合物，从而在一定程度上克服了自由基聚合引起的非均匀且不规则的微结构的固有缺陷，在中性条件下实现了顺式二醇生物分子的萃取富集。

材料表面硼酸配体的密度也是影响硼酸化亲和作用的一个重要因素，较高的密度有利于提高其对顺式二醇类分子的亲和力。然而，常规的硼酸化亲和材料的合成路线和过程, 难以预测可接触亲和配体的密度。合理的解决方法之一是将适当的硼酸配体固定在具有高比表面积和高密度的易接近的无官能团的支撑材料上，通过固定4-巯基苯硼酸(MPBA)和2-巯基乙胺(MPA)到一个金纳米粒子修饰过的整体柱基质上，开发出一种结构独特的硼酸化亲和整体柱^[8]，该材料具有良好的亲水性和大的比表面积，提高了硼酸对顺式二醇的亲和性，从而提高了糖蛋白的富集选择性和效率。

3.1.2 硼酸化亲和有机无机杂化整体柱

有机聚合物整体柱存在有机溶剂的中易溶胀、机械稳定性、渗透性低差等缺点。相比之下, 无机整体柱具有良好的抗溶胀性、高机械稳定性、较大的表面积和高渗透性。然而，无机整体柱的制备过程比较复杂，对pH值环境变化的稳定性较差。因此，将两者结合的有机无机杂化整体柱保留了两者的优点，同时克服了两者的缺点, 近年来得到了较快的发展。其中研发出来一系列苯硼酸二氧化硅混合整体柱的“一锅法”^{[9, 10]}，以解决低表面积和低结合亲和力，在顺式二醇分子的分离富集上取得了很好的效果。

3.2 介孔材料

介孔材料拥有有规律有序的孔隙排列，表面积大，孔径范围分布非常狭窄的特性。第一个介孔材料由美孚石油公司开发，被称为MCM系列的介孔材料。硼酸化亲和性与介孔二氧化硅的结合始于2009年，是一种硼酸化亲和介孔二氧化硅材料^[11], 可用于富集带有顺式二醇官能团的糖类分子。Liu等人研发了一种硼酸化亲和介孔材料MCM-41^[12], 用于富集内源性糖肽，由于萃取介质高的比表面积，保证了对目标糖类分子高的萃取效率。

3.3 纳米材料

与介孔材料相比，纳米材料合成过程相对简单。迄今为止所报道的纳米材料大致可以分为以下几类：二氧化硅、有机聚合物、油脂、金属氧化物和贵金属。由于可以将硼酸和纳米材料的优点结合，硼酸亲和化的纳米材料已成为近十年来的热点，尤其是在复杂样品中对含顺式二醇生物大分子进行高效分离和分子识别。其中，磁性纳米材料(MNPs)^{[13, 14]}由于其良好的生物相容性、顺磁性、低毒、低成本、易于制备等优点而得到了广泛的应用，因此硼酸亲和化的Fe₃O₄被广泛应用于顺式二醇生物大分子的分离和富集。金纳米材料(AuNPs)^[15]因其物理和表面化学性质易于调节而越来越受到分析化学家的关注。由于金的性质, 通过硫醇基团和金之间的强大的相互作用，金纳米材料的表面可以固定大量的4-巯基苯硼酸(MPBA)，从而实现顺式二醇类物质的萃取分析。

硼酸化亲和材料功能基团的密度对其性能具有重要的影响。配体密度越高，材料所能提供的萃取效率越好。为了显著提高硼酸配体在基质表面的密度，从而提供良好的结合能力，研究者开发了一系列的新型结构的纳米材料。Xu等人使用表面引发的原子转移自由基聚合法，使得硅胶表面附着的柔性高分子链中含有硼酸重复单元的聚合物^[16]。Pan等人开发出了一种亲水性聚合物，将纳米结构材料和核壳(core-shell)聚合物混合，这些硼酸化亲和的纳米材料可以从复杂的糖基质中去除干扰成分，选择性地萃取糖蛋白，在糖蛋白质组学分析中具有很好的应用前景^[17]。

3.4 温感材料

温度敏感材料在催化作用、药物输送、自愈合涂层与生物分离展现了很大的应用潜能。温度敏感的硼酸化亲和材料的硼酸pKa值随温度上升，pKa值发生变化，可诱导顺式二醇化合物的解离。基于此原理，Liu等人研发出通过二氧化硅微球的表面温度响应，实现色谱分离的硼酸亲和材料^[18]。Xu等人通过铜催化叠氮炔的1, 3-偶极环加成反应(CuAAC)开发了可终止温度响应的硼酸化聚乙烯^[19]，实现在低温下有效的识别和分离顺式二醇类物质。

4 应用

硼酸化亲和材料在2006年之前没有得到广泛的应用，在过去十年中得到了迅速和深入的发展，多种具有不同亲和力和选择性的硼酸亲和材料被研发出来，在蛋白质组学、代谢组学、疾病诊断、适配体选择等方面取得了广泛的应用。

在蛋白质组学方面，Chen等人使用新型硼酸亲和整体柱，一种3-丙烯酰胺基苯硼酸与二甲基丙烯酸酯的聚合物(AAPBA-co-EDMA)，实现了对糖肽和糖蛋白的选择性富集^[20]；Zhang等人使用Fe₃O₄磁性纳米材料的硼酸化亲和材料实现了对复杂的蛋清糖蛋白的亲和分离^[21]；Muhammad等人使用辣根过氧化物酶印迹硅胶纳米粒实现了从稀释的人血清中提取辣根过氧化物酶^[22]；Liu通过限制进出的硼酸亲和多孔整体柱与特异性蛋白A结合，实现了从血清中提取的特异性IgG蛋白，从而实现对抗生素的提纯^[24]；Xu等人使用功能化介孔二氧化硅新型硼酸，实现对糖肽检测精度两个数量级的提升^[11]。在代谢组学方面，Jiang等人使用硼酸亲和有机无机杂化整体毛细管柱实现了生物样品中核苷和核糖基化代谢物的指纹图谱分析^[25]。在疾病诊断方面，蛋白质的糖基化与多种疾病的发生有关，许多糖蛋白被用作临床诊断的疾病标志物，Debruyne等人使用硼酸亲和物富集血清甲胎蛋白，实现了对检测肝癌的准确度的提高^[26]。在适配体选择方面，Tuerk等人使用硼酸亲和材料替代亲和抗体实现了一种对蛋白质高亲和性的核苷酸适配体的筛选^[27]；Nie等人使用硼酸亲和毛细管整体柱优化了指数富集配体系统，实现了对高特异性蛋白结合DNA适配子的选择^[28]。

5 总结和展望

近年来，以硼酸及其衍生物作为亲和配体的硼酸亲和材料在生物样品顺式二醇类物质的分析中应用非常广泛，取得了很好的效果。随着科学技术的发展，开发新的硼酸亲和材料，发展新的制备手段，探索硼酸亲和的机理，提高硼酸亲和材料的亲和力，进而推动生物样本中顺式二醇类物质检测技术的发展，为相关疾病的诊断提供技术支撑。