稀土四面体Yb4L4快速可逆检测腐坏食品中的生物胺

姚 远, 周妍妍, 高 婷, 李洪峰, 闫鹏飞

(1.黑龙江大学 化学化工与材料学院 功能无机材料化学教育部重点实验室， 哈尔滨 150080;2.哈尔滨体育学院 运动人体科学学院, 哈尔滨 150008)

0 引 言

挥发物光学传感器被广泛用于工业生产[1-2]、食品监控[3-5]、医疗卫生[6-8]、环境监控[9-10]和国防安全[11-12]等诸多领域。稀土发光传感器作为光学传感器的一种，由于其具有大的斯托克斯位移、窄的发射谱带和长的激发态寿命，当其与时间分辨荧光检测技术相结合,可有效消除背景荧光的干扰。因而，相对于其他类型的光学传感器，稀土发光传感器具有灵敏度更高和检测限更低的优点[13-15]。然而，实现固态下对挥发物的检测需要材料兼具渗透性、可器件化及易于调控的光物理性质，因而稀土配合物很少用于检测挥发物。

检测挥发物的传感材料需要具有一定的孔道结构，然而稀土离子较高的配位数(8～12)要求和多变的配位构型使稀土配合物在固态时常常形成紧密堆积的结构[16]，不利于气态分子向材料内部扩散。Ln-MOF具有特定的孔道结构，目前已经有少量Ln-MOF材料检测挥发物的报道[17-18]。但是，MOF材料在合成过程中存在配位在稀土离子上或封装在MOF空腔内部的溶剂分子，这些分子的存在会阻碍待测物分子的进入[19]，而移去这些溶剂分子又会导致MOF框架的坍塌[20-22]。此外，MOF在有机溶剂中较差的溶解性和挥发性限制了该类材料通过旋涂和真空蒸镀制备分子薄膜的可能性，这也意味着实现该类材料的器件化面临着巨大挑战[23-24]。

相比于MOF基材料，金属大环分子或金属超分子笼具有孔道结构和良好的溶解度，这为薄膜的旋涂制备和挥发性化合物在薄膜中的扩散提供了前提条件。目前，已有一些此类传感材料用于爆炸物或挥发胺的检测[25-28]，然而稀土超分子笼用于挥发物检测的报道却非常稀少。四面体作为金属超分子多面体中几何结构最为简单的一种，近些年来被科学家Saalfrank[29-30]、Raymond[31-32]、Ward[33-34]和Nitschke[35-36]等报道。然而稀土离子较高的配位数要求及多变的配位构型，使得稀土四面体在构筑的过程中仍存在较多的不确定性。Li等利用C2对称的配体构筑稀土四面体时，得到的却是四面体、螺旋体和立方体的混合物[37]。因而，稀土四面体在合成方面仍面临很多困难。稀土四面体特定的孔道结构使其对待测物分子的尺寸具有一定的空间选择性，同时该孔道结构赋予其优良的渗透性。此外，稀土配合物优良的发光性质，使稀土四面体有望成为检测挥发物的优良光学传感器。然而，制备出选择性专一、灵敏度高、快速可逆和光物理性质易于调控的稀土发光传感器仍面临巨大挑战。

近年来，稀土近红外发光材料被广泛应用于光纤通信[38]、医学诊断[39]和细胞成像[40]等领域，由于近红外光对生物组织具有可穿透性，因而其在生物传感领域的应用潜力日益凸显。本文，设计了以三苯胺为骨架、具有C3对称性和ILCT性质的三β-二酮配体，并与稀土Yb(Ⅲ)离子以1∶1计量比通过配位导向自组装方式，合成了用于检测挥发性生物胺的近红外发光稀土四面体Yb4L4(H2O)8，如图1所示。传感测试表明，配合物Yb4L4(H2O)8的旋涂薄膜对生物胺表现出快速可逆和发光淬灭的响应特点。光谱表征证明了Yb4L4(H2O)8与生物胺的作用机理为弱的分子间亲核作用。这种弱的分子间相互作用不仅调控了配体的ILCT性质，导致配合物加胺后出现了发光淬灭现象，而且使稀土四面体对生物胺表现出专一的选择性和快速可逆的响应特点。同时，考察了该分子笼的实用性，进行了腐坏鱼的传感测试，证明其检测的有效性。因此，该项工作为稀土四面体作为近红外发光传感器应用于食品质量监控提供了新策略。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

元素分析采用德国Elementar公司Vario EL cube元素分析仪测定；电喷雾飞行时间(ESI-TOF)质谱使用瑞士Bruker公司maXis质谱仪记录；UV-Vis光谱采用美国Perkin-Elmer公司Lambda 25光谱仪测定；激发和发射光谱使用英国Edinburgh公司FLS 920荧光光谱仪测定(配备红敏光电倍增管检测器(Hamamatsu R928))；旋涂膜表面形貌采用安捷伦科技有限公司SPM 5100原子力显微镜测定；旋涂膜厚度采用安捷伦科技有限公司XP-100台阶仪测定。

实验中所用试剂均从供应商处购买，如果没有特殊说明，则无需进一步纯化即可使用。

1.2 4,4′,4″-三乙酰基三苯胺的合成

称取三苯胺(0.98 g, 4.00 mmol)溶于30 mL二氯甲烷中，乙酰氯(1.25 g, 16.00 mmol)和无水三氯化铝(2.11 g, 16.00 mmol)加入到20 mL二氯甲烷中，室温搅拌至无水三氯化铝完全溶解后，缓慢滴加至三苯胺溶液中。冰浴反应2 h后，室温反应24 h，待反应完成后，将反应液倾入冰水中，过滤后分液。水层用二氯甲烷萃取，合并有机层，用水反复洗涤至中性后，再用无水硫酸钠干燥，过滤后蒸馏除去二氯甲烷得粗品，所得粗品用无水乙醇重结晶，得黄色块状晶体(1.11 g, 74.51%)。1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ7.89 (d,J= 8.4 Hz, 6H)，7.15 (d,J= 8.8 Hz, 6H)，2.57 (s, 9H)；13C NMR (CDCl3, 100 MHz)：196.52，150.31，132.89，130.13，123.93，26.45；IR (KBr, cm-1)：1 678，1 589，1 265，842，583；ESI-MSm/z[C24H21NO3+ H]+计算值：372.444 3，实测值：372.455 1；元素分析(C24H21NO3，371.44，wt.%)计算值：C 77.61，H 5.70，N 3.77，实测值：C 77.43，H 5.71，N 3.78。

1.3 配体的合成

称取甲醇钠(0.87 g, 16.20 mmol)和三氟乙酸乙酯(2.30 g, 16.20 mmol)溶于30 mL DME中，然后称取4,4′,4″-三乙酰基三苯胺(1.00 g, 2.70 mmol)加入到上述溶液中，室温搅拌反应24 h。待反应完全后，用稀盐酸调节反应液的pH至2～3，直至析出黄色沉淀，过滤后水洗数次干燥得粗品，用乙腈重结晶得黄色针状晶体(1.30 g, 73.51%)。1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ15.20 (s, 3H)，7.95 (d,J= 9.0, 6H)，7.25 (d,J= 8.8, 6H)，6.76 (s, 3H)；13C NMR (CDCl3, 100 MHz)：184.58，176.85，150.62，129.59，128.85，124.42，118.59，91.99；IR (KBr, cm-1)：3 425，1 588，1 514，1 283，1 151，1 125，800；ESI-MSm/z[C30H18F9NO6-H]-计算值：658.453 3，实测值：658.456 9；元素分析(C30H18F9NO6, 659.13, wt.%)计算值：C 54.64，H 2.75，N 2.12，实测值：C 54.75，H 2.74，N 2.11。

1.4 稀土四面体Ln4L4的合成

在配体的甲醇溶液中，配体首先在三乙胺的作用下发生去质子化反应，而后与氯化稀土反应生成稀土四面体Ln4L4，反应过程如图1所示。

图1 稀土四面体笼Ln4L4的合成Fig.1 Synthetic route of lanthanide tetrahedral cage Ln4L4

称取配体(0.66 g, 1.00 mmol)加入到20 mL甲醇中，再加入三乙胺(0.31 g, 3.00 mmol)，充分搅拌至配体完全溶解后，加入5 mL氯化稀土LnCl3·6H2O (Ln = Yb, Gd, La; 1.00 mmol)的甲醇溶液，滴加完毕后，室温反应24 h。待反应完成后,将反应液过滤，所得滤液加入水中,析出黄色沉淀，过滤，真空干燥。

Yb4L4(H2O)8: 产率：83.63%。分子式：C120H60Yb4F36N4O24(3 318.057 9)。IR (KBr, cm-1)：1 615，1 586，1 493，1 285，1 181，1 130，788；ESI-MS [M + Na]+计算值：3 342.060 5，实测值：3 342.063 7；元素分析(C120H76F36N4O32Yb4, 3 462.142 4, wt.%)计算值：C 41.63，H 2.21，N 1.62，实测值：C 41.58，H 2.17，N 1.69。

Gd4L4(H2O)8: 产率：85.18%。分子式：C120H60F36Gd4N4O24(3 255.00)。IR (KBr, cm-1)：1 618，1 585，497，1 283，1 182，1 131，787；ESI-MS [M + K]+计算值：3 293.8541，实测值：3 293.855 8；元素分析(C120H76F36Gd4N4O32, 3 400.087 4, wt.%)计算值：C 42.41，H 2.25，N 1.65，实测值：C 42.37，H 2.30，N 1.61。

La4L4(H2O)8: 产率：83.72%。分子式：C120H60F36La4N4O24(3 180.931 0)。IR (KBr, cm-1)：1 617，1 584，1 496，1 281，1 185，1 132，785；ESI-MS [M + Na]+计算值：3 204.364 7，实测值：3 204.365 9；元素分析(C120H76F36La4N4O32, 3 325.015 5, wt.%)计算值：C 43.34，H 2.30，N 1.68，实测值：C 43.28，H 2.35，N 1.62。

2 结果与讨论

2.1 配合物Yb4L4(H2O)8的表征

利用ESI-TOF-MS质谱和1H NMR谱对稀土四面体Yb4L4(H2O)8进行了相应的表征。配合物Yb4L4(H2O)8的ESI-TOF-MS质谱如图2(a)所示，质核比m/z= 3 342.063 7的分子离子峰对应于[Yb4L4+ Na]+的特征离子，表明配合物Yb4L4(H2O)8已经形成。为了确定四面体在溶液中的结构和纯度，对配合物在CD3CN中的1H NMR进行了测试，由于Yb(Ⅲ)配合物的1H NMR分辨率较差，选择了与其同构的La(Ⅲ)配合物进行测试。从图2(b)可以看出，相对于配体来说，La4L4(H2O)8在1H NMR中仅出现了一组向高场位移的信号峰，说明在溶液体系下，仅有四面体La4L4(H2O)8一个物种生成。为了更好地观察四面体Yb4L4(H2O)8的结构，利用半经验量化方法LUMPAC 4.0/PM 6优化了其结构，如图2(d)所示。稀土四面体Yb4L4(H2O)8与Eu4L4(CH3COCH3)8的单晶结构一致[41]，四个Yb(Ⅲ)离子和四个配体分别位于四面体的四个顶点和四个三角形平面上，每个Yb(Ⅲ)离子与三个配体的三个β-二酮单元和两个水分子螯合配位。在一个四面体笼中，笼内空腔体积约为0.3 nm3，每个四面体形成了1.428 nm × 0.847 nm的菱形开口，这样的空腔和开口结构为Yb4L4(H2O)8在固态下检测挥发物分子提供了有力的前提条件。

图2 (a) Yb4L4(H2O)8的ESI-TOF-MS质谱; (b) La4L4(H2O)8与配体的1H NMR谱; (c) 配体的1H NMR归属; (d) Yb4L4(H2O)8的结构优化图Fig.2 (a) ESI-TOF-MS spectrum of tetrahedra Yb4L4(H2O)8; (b) 1H NMR (400 MHz) spectra of free ligand and its self-assembled lanthanum complexe [La4L4(H2O)8] in CD3CN; (c) 1H NMR assignment of ligand; (d) the optimized ground state geometry of Yb4L4(H2O)8

2.2 Yb4L4(H2O)8薄膜的制备、表征及光物理性质研究

为了便于稀土四面体Yb4L4(H2O)8的应用，利用旋涂的方式将配合物制备成薄膜,如图3 (a)所示。利用原子力显微镜对薄膜的表面形貌进行了表征，结果如图3 (b)所示。测试结果显示，薄膜表面具有优良的平整性和均一性，表面粗糙度系数RMS值均在0.5～0.8 nm的范围内。这样高质量的薄膜可以有效减少漫反射带来的测量误差，并保证待测物分子在薄膜内部扩散的均一性，使测试结果具有可重复性。

在进行传感测试之前，先对配合物Yb4L4(H2O)8的光物理性质进行了测试，结果如图3(c)所示。从紫外吸收光谱中可以观察到两处比较明显的吸收谱带，分别在300～330 nm和350～450 nm处，350～450 nm较低能量的吸收谱带归属于三苯胺(TPA)单元到β-二酮单元的π-π*电荷转移引起的跃迁，300～330 nm较高能量的吸收谱带归属于三苯胺(TPA)单元到β-二酮单元内部的π-π*跃迁。以1 045 nm为最大发射波长，监测配合物的激发光谱，测试结果显示，配合物的激发光谱与紫外吸收光谱基本一致，说明配体的三线态能量可以较好地传递给Yb(Ⅲ)离子。设置最大激发波长为390 nm，监测Yb4L4(H2O)8的发射光谱，测试结果显示出Yb(Ⅲ)离子的特征谱带，对应于2F5/2→2F7/2的电子跃迁。

图3 Yb4L4(H2O)8薄膜的表征及光物理性质：(a)日光下的薄膜照片；(b) 30 nm厚度薄膜的AFM图片； (c)薄膜的紫外、激发和发射光谱Fig.3 Characterization and photophysical properties of Yb4L4(H2O)8 film: (a) photograph of the film under daylight; (b) AFM image of 30 nm thick film; (c) UV-Vis absorption, excitation and emission spectra of the film

2.3 稀土四面体Yb4L4(H2O)8的胺类光学传感研究

为了研究稀土四面体Yb4L4(H2O)8薄膜对生物胺的传感性能，将不同浓度的乙二胺、腐胺、尸胺和苯乙胺蒸气分别通入装有Yb4L4(H2O)8薄膜的测试皿中，待Yb4L4(H2O)8薄膜与生物胺蒸气充分反应后，监测1 045 nm处薄膜的发光强度与胺浓度的变化关系，结果如图4所示。由图可知，随着生物胺浓度的增加，稀土四面体Yb4L4(H2O)8薄膜的发光强度逐渐减弱。

图4 Yb4L4(H2O)8薄膜接触不同浓度胺蒸气后的发光谱Fig.4 Emission spectra of Yb4L4(H2O)8 film exposed to different concentrations of amine vapor (λex = 390 nm)

Yb4L4(H2O)8薄膜发光强度淬灭率(1-I/I0)与生物胺浓度的变化如图5所示。可以观察到,各种生物胺在1 ppm至饱和蒸气范围内，发光强度淬灭率与胺浓度呈现良好的线性关系。根据文献报道，以能引起发光强度变化率的0.1%所对应的浓度为检测限，通过拟合出的直线方程得到各种生物胺的检测限远低于美国职业安全委员会所规定的允许暴露极限。

图5 Yb4L4(H2O)8薄膜发光强度淬灭率(1-I/I0)与各种胺蒸气浓度的变化关系Fig.5 Quenching efficiency (1-I/I0) of Yb4L4(H2O)8 film as a function of various amine vapor concentrations

响应时间的快慢及抗疲劳性是衡量稀土四面体Yb4L4(H2O)8薄膜是否具有应用性的重要指标，因此，对Yb4L4(H2O)8薄膜的发光强度随各种胺浓度的变化进行了动力学监测。如图6所示，Yb4L4(H2O)8薄膜接触到生物胺蒸气后，其发光强度逐渐淬灭。当气道内的气体转换成N2后，N2的吹扫使作用在Yb4L4(H2O)8薄膜上的生物胺逐渐解离，薄膜的发光强度逐渐恢复至初始值。通过拟合发光强度下降曲线，估算出Yb4L4(H2O)8薄膜对各种生物胺的响应时间均在秒级范围内。经过5个循环的传感测试后，Yb4L4(H2O)8薄膜的发光强度没有发生明显的衰减，说明Yb4L4(H2O)8薄膜具有良好的抗疲劳性。

图6 Yb4L4(H2O)8薄膜对各种胺蒸气的响应时间及抗疲劳性Fig.6 Response time and fatigue resistence of Yb4L4(H2O)8 films to various amine vapor

为了考察稀土四面体Yb4L4(H2O)8薄膜对生物胺传感的选择性，选择了一些含氧的亲核性物质做对比。如图7所示，Yb4L4(H2O)8薄膜接触100 ppm的生物胺和含氧化合物后，含氧性的亲核物质使Yb4L4(H2O)8薄膜发光强度淬灭率均小于2%，说明Yb4L4(H2O)8薄膜对这些生物胺具有专一的选择性。

图7 Yb4L4(H2O)8薄膜接触各种胺和含氧亲核物质蒸气后的发光强度淬灭率Fig.7 Quenching efficiency (1-I /I0) of Yb4L4(H2O)8 film exposed to various amine and O-containing compound vapor

生物胺是生物活体细胞必不可少的组成部分，在调节核酸与蛋白质的合成及生物膜稳定性方面起着重要作用。食物腐坏后会产生一定量的生物胺，主要包括腐胺、尸胺、二甲胺和三甲胺等，过量摄入生物胺会严重影响人们的身体健康，因此，期望稀土四面体Yb4L4(H2O)8薄膜对腐坏食物所产生的生物胺具有较高的灵敏度，以实现对食品质量的监控。

以腐坏鱼产生的气体为研究对象，首先将新鲜的鱼在室温条件下放置于密闭容器中存储48 h以保证生物胺气体的产生。然后，监测Yb4L4(H2O)8薄膜接触腐坏鱼气体后发光强度的变化。如图8所示，Yb4L4(H2O)8薄膜对腐坏鱼产生的蒸气表现出发光淬灭的响应特点，响应时间为0.35 s。如此快速的响应时间与上述对生物二胺的响应时间测试结果一致，说明腐坏鱼产生的气体大部分为二胺。此外，薄膜的发光强度在经历五次循环测试后未见明显衰减，说明Yb4L4(H2O)8薄膜具有良好的抗疲劳性，在食品质量监控中具有潜在的应用价值。

图8 (a)腐坏鱼可能产生的生物胺; (b) Yb4L4(H2O)8薄膜加入腐坏鱼蒸气后的发射光谱; (c) Yb4L4(H2O)8 对腐坏鱼蒸气的响应时间及抗疲劳度Fig.8 (a) Suggested biogenic amine species produced by spoiled fish; (b) emission spectra of Yb4L4(H2O)8 film upon addition of spoiled fish vapor; (c) response time and fatigue resistance of Yb4L4(H2O)8 film to spoiled fish vapor

2.4 稀土四面体Yb4L4(H2O)8与生物胺的作用机理研究

关于稀土四面体Eu4L4(CH3COCH3)8与胺的作用机理，已通过各种光谱和密度泛函理论计算证实了富电子的胺与三氟乙酰基上的羰基碳原子发生了弱的分子间亲核作用[41]。由于稀土四面体Eu4L4(CH3COCH3)8和Yb4L4(H2O)8具有相同的配体结构，推测上述作用机理应该也适用于Yb4L4(H2O)8和生物胺分子，为了验证这一想法，进行了1H NMR谱和红外光谱测试。

图9 Yb4L4(H2O)8与乙二胺的作用机理：(a) Yb4L4(H2O)8的结构归属; (b) La4L4(H2O)8在(CD3)2CO中的1H NMR; (c) Yb4L4(H2O)8加乙二胺前后的FT-IR光谱Fig.9 Interaction mechanism between Yb4L4(H2O)8 and ethylenediamine: (a) structure assignment of Yb4L4(H2O)8; (b) 1H NMR of La4L4(H2O)8 in (CD3)2CO; (c) FT-IR spectra of Yb4L4(H2O)8 before and after adding EDA

2.5 稀土四面体Yb4L4(H2O)8发光淬灭机理研究

在稀土Ln(Ⅲ)配合物中，发光量子产率主要取决于配体到金属中心的能量传递效率。配体的三线态到稀土Yb(Ⅲ)离子2F5/2激发态能量传递的难易程度是影响Yb(Ⅲ)配合物发光量子产率的重要因素。因此，认为稀土四面体Yb4L4(H2O)8接触胺蒸气后发光强度明显淬灭是由于配体三线态能级的变化。

配体的单线态能级(S,1ππ*)和三线态能级(T,3ππ*)是通过Gd(Ⅲ)配合物的紫外吸收光谱和磷光光谱计算得到。如图10所示，向Gd(Ⅲ)配合物的乙腈溶液中加入24倍当量的乙二胺后，紫外吸收光谱和磷光发射光谱都发生了蓝移。配体的单线态和三线态能级分别通过紫外吸收光谱的最大吸收边和Gd(Ⅲ)配合物磷光发射光谱的最大发射峰计算得到。加胺后单线态能级从21 413 cm-1(467 nm)增加至21 882 cm-1(457 nm)，三线态能级从19 194 cm-1(521 nm)增加至19 646 cm-1(509 nm)。配合物Yb4L4(H2O)8加入乙二胺前后的能隙ΔE(3ππ*-2F5/2)分别为8 944和9 396 cm-1。通常，较低的能隙有利于实现高能级到低能级的能量转移，因此配合物Yb4L4加胺后出现了发光淬灭的现象。

图10 (a) Gd4L4(H2O)8的乙腈溶液加乙二胺前后的紫外光谱和磷光光谱(c = 0.25×10-5 mol·L-1); (b) Yb4L4(H2O)8加乙二胺前后的能级传递图Fig.10 (a) UV-Vis absorption and phosphorescence spectra of Gd4L4(H2O)8 before and after adding EDA in CH3CN (c = 0.25×10-5 mol·L-1); (b) schematic diagram of energy transfer process of Yb4L4(H2O)8 before and after adding EDA

3 结 论

设计并合成了对生物胺具有快速可逆和发光淬灭传感特点的近红外发光稀土四面体Yb4L4(H2O)8。利用以三苯胺为骨架、具有ILCT性质的三β-二酮配体构筑了稀土四面体Yb4L4(H2O)8，表明面式配体可以有效与稀土Yb(Ⅲ)离子自组装形成四面体，填补了以β-二酮配体构筑近红外发光稀土四面体的空白。旋涂薄膜的制备有效解决了MOF基材料由于溶解度差而成膜困难的问题。笼的中空结构解决了稀土传感材料在固态下缺乏渗透性的问题。四面体笼与胺弱的分子间亲核作用实现了传感的可逆性，具有ILCT性质配体的设计调控了配体到金属中心的能量传递，增加了配合物光物理性质变化的敏感性。

综上，成功构筑了稀土四面体Yb4L4(H2O)8并将其制备成膜，同时解决了稀土配合物检测挥发性物质的几大问题：(1)渗透性；(2)可逆性；(3)器件化；(4)传感分子对配体到金属能量传递的有效调控。该项工作为近红外稀土发光传感器的设计提供了新思路。