方胺功能化荧光金属-有机框架材料的制备及对组氨酸的识别研究

田雪琴，莫 争，丁 鑫，武鹏彦，王 雨，王 健

（江苏省功能材料绿色合成化学重点实验室,江苏师范大学化学与材料科学学院,徐州 221116）

氨基酸是生物体的基本组成成分，并与多种现象相互联系.有些氨基酸在营养分析和疾病诊断的过程中非常重要［1］.组氨酸（His）可被视为诊断各种疾病（如哮喘）的生物标志物，而富含组氨酸的蛋白质水平对晚期肝硬化有影响［2］；此外，组氨酸还是一种神经递质，在控制某些金属离子的运输中起着至关重要的作用［3］.由组氨酸制造的组胺对一系列生理过程都有重要影响［4］.目前，检测His的方法主要有高效液相色谱、质谱、气相色谱和比色法等，但存在价格昂贵、耗时久、样品预处理复杂且缺乏流动性等不足［5，6］.因此，研发一种快速、准确且灵敏的检测His的方法具有重要意义.

由于所有的氨基酸分子都有氢键受体和供体，设计一种能在20种天然氨基酸中选择性地检测His的高效传感器仍然面临巨大挑战.方胺衍生物因含有N—H键和羰基，具有氢键供给和受体的功能，是一类潜在的用于氨基酸检测的化合物［7，8］.然而，它们自身特有的氢键性质也会促使其自聚集而形成二聚体或低聚物，从而导致传感过程失活［9，10］.为了解决这一困难，将方胺衍生物固定于多孔金属-有机框架（MOFs）中是一种有效的手段.MOFs具有大的比表面积、较高且可调的孔隙率、丰富的框架结构、开放的金属位点以及化学可修饰等优点［11~14］，已广泛应用于气体吸附/分离［15~17］、催化［18-20］、药物传递［21，22］、铁电/磁性材料［23］及荧光传感［24~30］等多个领域，尤其是在氨基酸的手性传感和筛分上已取得了重要进展［31~33］.重要的是，这样构筑的MOFs晶体的有序结构会阻止方胺的自聚集，其孔道尺寸可实现对氨基酸的筛分，而且其孔道固有的限域效应可以作为预浓缩器以增强主-客体相互作用，从而提高传感器的选择性和灵敏度［34，35］.

本文在合成衍生方胺位点的5，5′-［（3，4-二氧环丁-1-烯-1，2-二基）二（氮烷二基）］二间苯二甲酸（H4L）配体基础上，利用其与硝酸钴在碱性条件下进行水热反应，制备了一种金属-有机框架材料Co-L，对其进行了结构表征，并通过荧光光谱、红外光谱和理论计算等研究了其对组氨酸的选择性识别作用.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

六水合硝酸钴［Co（NO3）2·6H2O］、氢氧化钠、甲醇和甲苯购于国药集团化学试剂有限公司；三氟甲磺酸锌［Zn（CF3SO3）2］、N-甲基吡啶烷酮（NMP）、3，4-二乙氧基环丁烯-1，2-二酮和5-氨基间苯二甲酸购于北京伊诺凯科技有限公司；L-组氨酸（His）及其它19种氨基酸购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司.所用试剂均为分析纯；蒸馏水为自制.

Bruker Optics TENSOR 27型傅里叶红外光谱仪、Bruker SMART APEXⅡ型X射线单晶衍射仪和D8 Advance型X射线粉末衍射仪（德国Bruker公司）；Q50型热重分析仪（美国TA仪器）；FP6500型荧光光谱仪（日本JASCO公司）.

1.2 配体H4L的合成

向含有19 mL甲苯和1 mLN-甲基吡啶烷酮的三颈烧瓶中通入N2气15 min，然后依次加入295 μL（2 mmol）3，4-二乙氧基环丁烯-1，2-二酮、762 mg（4.2 mmol）5-氨基间苯二甲酸和145 mg（0.4 mmol）Zn（CF3SO3）2，并不断搅拌；在N2保护下于100℃反应24 h后冷却至室温，减压抽滤，滤饼用甲醇（10 mL×3）洗涤.为了进一步纯化产物，将黄色固体在沸腾的20 mL甲醇中搅拌5 min，然后减压抽滤，并用甲醇（5 mL×3）洗涤，室温干燥，产率为85%.

1.3 配合物的合成

称取11 mg（0.01 mmol）H4L和14.5 mg（0.05 mmol）Co（NO3）2·6H2O置于10 mL玻璃样品瓶中，加入5 mL蒸馏水和35 μL NaOH水溶液（0.08 g/mL），混合均匀后将玻璃样品瓶转移到带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将其置于120℃电热鼓风干燥箱中恒温反应72 h；待冷却到室温后，收集反应得到的红色块状晶体，过滤，于室温下干燥，产率为78%.

1.4 荧光光谱测试

配制浓度为2.0×10−2mol/L的不同氨基酸水溶液用于荧光测试.取1 mg配合物Co-L加入至3.00 mL去离子水中，超声3 min制得Co-L悬浊液；每次用微量注射器向上述悬浊液中加入待测氨基酸，进行荧光光谱测试（激发波长为350 nm，激发和发射狭缝宽度均为10 nm）.

1.5 单晶结构测定

在298 K下，以CuKα射线（λ=0.154178 nm）为辐射光源，在Bruker Smart ApexⅡ型X射线单晶衍射仪上收集配合物Co-L单晶的衍射数据.结构解析通过SHELXL 6.1软件包完成，初始结构由直接法解出，非氢原子的坐标及各向异性参数采用Full-matrix程序以最小二乘法对F2进行精修［36］.通过理论加氢和Fourier加氢两种方式进行加氢，然后进行各向异性精修，晶体学数据见表1.

Table 1 Crystallographic data and structure refinement parameters for Co-L

2 结果与讨论

2.1 晶体结构解析

晶体结构解析结果表明，配合物Co-L结晶于单斜晶系C2/c空间群，其不对称单元包含0.5个H4L配体、1个钴离子、3个配位的水分子和1.5个游离的水分子.钴离子是六配位的，配位原子分别来源于3个配位水分子中的氧原子、1个H4L配体中的1个羧酸上的2个氧原子、以及另外1个H4L配体中的1个羧酸上的1个氧原子，呈现出变形八面体构型［图1（A）］.Co1—O键长范围在0.205（7）~0.220（1）nm，O2，O4，O3和O1W处于一个平面，它们之间的键角分别为：105.67（7）°（O2—Co1—O1W），99.13（5）°（O2—Co1—O4A），95.77（7）°（O1W—Co1—O3A）和59.65（5）°（O4A—Co1—O3A）.O3W和O2W处于八面体构型的轴向位置，O3W—Co1—O2键角是92.56（6）°，O2W—Co1—O2键角是90.75（6）°.每个去质子的H4L配体采用μ4-η1：η1：η1：η1：η0：η1：η1：η0模式［图1（B）］与4个钴离子进行配位，形成了沿a轴方向的一维链结构，轴向位置被水分子占据［图1（C）］.链与链之间依靠CH…π作用形成二维层状结构，链间距为0.321（9）nm.通过1个二维层中配位水分子的氢原子与相邻二维层中单齿配位的H4L配体上氧原子之间的氢键作用，层和层之间进一步形成三维网络结构，层间距为0.181（0）nm.忽略配位水分子后，在此结构中仍然存在很大的一维孔道，b方向为一维直线型孔道，孔道窗口直径为0.63 nm，c轴方向为一维曲线型孔道，孔道窗口直径为0.52 nm（见本文支持信息图S1），可为客体分子的进出提供良好的保障.Co-L结构中所涉及到的键长和键角列于表S1（见本文支持信息）中.

Fig.1 Coordinated environment of Co2+ions in Co⁃L(A),coordination mode of L4-ligands in Co⁃L(B),1D double chain structure in Co⁃L composed of Co2+ions and L4-units(C),3D structure of Co⁃L along the c direction(D)and connolly surface of Co-L along the c direction with the coordinated water molecular omitted(E)

2.2 XRD和TG分析

配合物Co-L的粉末XRD（PXRD）谱图与根据单晶解析结构模拟的谱图如图2（A）（红线和黑线）所示，两者吻合得很好，说明配合物Co-L纯度较高.

Co-L的热重分析在空气氛围中进行，TG曲线如图2（B）所示.从室温至70℃范围内，其失重为7.7%，可归因于游离水分子的失去（理论值7.54%）；70~230℃之间16.8%的失重可归因于配位水分子的失去（理论值16.31%）；从230℃开始，配合物快速失重，表明其框架开始分解，最后至350℃趋于稳定.

Fig.2 Powder X⁃ray diffraction profiles for simulated Cd⁃L,the as⁃synthesized Cd⁃L,Cd⁃L samples soaked in aqueous solutions at pH values of 5.5 and 9.3,after His sensing(A)and TGA profile of Cd⁃L in air(B)

2.3 荧光性质及酸碱稳定性

配合物Co-L在水中的悬浊液经350 nm光激发后的荧光发射谱图如图3（A）所示.Co-L在440 nm处有一个强的发射峰，归属于以配体为中心的发光，是由金属扰动的配体内电荷转移（ILCT）或配体-配体电荷转移（LLCT）所致［37］.为了考察Co-L在酸、碱中的荧光稳定性，进行了酸碱依赖的荧光测试，结果如图3（B）所示.可以看出，Co-L的荧光在pH为5.5~9.3的范围内都具有很好的稳定性.随后通过在苛刻条件下浸泡合成的样品来检测Co-L的酸/碱稳定性.从图2（A）中可以明显看出，即使在HCl水溶液（pH=5.5）和NaOH水溶液（pH=9.3）中浸泡1 d，Co-L的PXRD谱图中峰强度也与初始样品基本一致.因此，Cd-L具有较好的化学稳定性，这也为发展该材料用于氨基酸检测提供了良好基础.

Fig.3 Emission spectra of Cd⁃L(A)and fluorescence response of Co⁃L in water at different pH values(B)

2.4 对组氨酸的传感研究

由于该配合物具有良好的稳定性、特定的孔道结构以及氢键功能作用位点，所以接下来研究了该配合物对氨基酸的荧光测试.在比色皿中加入Co-L配合物的悬浮液，然后用微量注射器向其中逐渐加入不同量的组氨酸溶液，检测组氨酸对配合物悬浊液荧光发射的影响.如图4（A）所示，随着His加入量的逐渐增加，配合物Co-L在440 nm处的发射强度逐渐猝灭，当His浓度达到0.68 mmol/L时，猝灭达到99.5%，表明Co-L对组氨酸具有荧光传感的潜力.Co-L对His的浓度响应范围为10−6~10−4mol/L，涵盖了血清中组氨酸的浓度水平（8.6×10−5~1.1×10−4mol/L）［38］.根据滴定数据进行Stern-Volmer方程拟合，方程为：I0/I=1+KSV［M］［其中I0为原始荧光强度，I为添加His后的荧光强度，［M］为添加His的摩尔浓度（mol/L），KSV为Stern-Volmer猝灭常数］，可以计算出KSV值为1.29×105L/mol.此外，Co-L的发射强度与His浓度在0~20 μmol/L范围内呈线性关系，这表明Co-L具有定量测定组氨酸浓度的潜力［图4（B）和支持信息中图S2］.根据3δIUPAC标准计算Co-L对His的检出限约为0.7 μmol/L.Co-L对His高的猝灭常数及低的检出限表明其是一种高灵敏的His传感器.

Fig.4 Fluorescence spectra of Co⁃L upon addition of different amounts of His in water emulsion(A)and relative fluorescence intensity of Co⁃L with varying His concentrations(0—20 μmol/L)(B)

此外，通过向含Co-L水悬浊液的石英比色皿中分别添加0.68 mmol/L其它19种不同的天然氨基酸（Gln，Ala，Met，Phe，Ile，Val，Trp，Asn，Gly，Cys，Leu，Tyr，Pro，Lys，Arg，Ser，Thr，Glu和Asp），搅拌均匀后进行荧光检测，考察了Co-L对组氨酸检测的选择性.由图5红色柱状图可以看出，加入Cys，Leu，Tyr和Pro后，Co-L的荧光几乎没有发生变化；加入Gln，Ala，Met，Phe，Ile，Val，Trp，Asn和Gly后，Co-L的荧光发生微弱的增强，但最大倍数也仅为1.12倍（加入Gln时）；加入Lys，Arg，Ser，Thr，Glu和Asp后，Co-L的荧光发生微弱的猝灭，最大的猝灭效率仅为14%（加入Asp时），相比于His引起的99.5%的猝灭可忽略不计.为了研究其它19种天然氨基酸是否会干扰配合物对组氨酸的荧光响应，开展了竞争实验研究，结果如图5绿色柱状图所示.可以看出，等量的其它氨基酸的加入不会影响His诱导的Co-L的荧光猝灭.上述荧光响应实验结果表明，Co-L在20种天然氨基酸中对His具有显著的选择性传感，这可能是由于框架中的方胺部分和His之间的多重氢键作用；重要的是，单独H4L配体对His只表现出微弱的荧光猝灭（见本文支持信息图S3），表明将方胺衍生物固载化是一种有效的阻止其自聚集的手段，且Co-L孔道的存在对于His高选择性的传感也起到了很好的筛分作用.

Fig.5 Fluorescence responses of Co⁃L to various amino acids in water

为了研究配合物与组氨酸之间的荧光识别机理，对初始Co-L样品以及经组氨酸处理后的样品进行了XRD和红外光谱测试.首先，将相应浓度的His加入到配合物的水悬浊液中，静置4 h后，离心、洗涤、干燥，得到吸附后的样品.经组氨酸处理后的配合物Co-L的XRD谱图与初始样品谱图吻合较好［图2（A）］，表明化合物Co-L在组氨酸检测过程中具有很好的稳定性，排除了结构分解的可能.以溴化钾为背景，对吸附前后的样品进行FTIR测试；由图6（A）可见，经组氨酸处理后的Co-L样品在2980 cm−1处出现新的伸缩振动峰，归属为咪唑环上C—H的伸缩振动；此外，在1620 cm−1附近出现的特征峰归属为His的C=O伸缩振动.这些特征峰与自由His的特征峰（分别为3020和1640 cm−1）相比都发生了明显的红移.重要的是，归属为Co-L方胺上C=O的伸缩振动峰（1800 cm−1）在吸附His后也发生了一定的红移（1790 cm−1）.上述红外测试结果不仅表明His吸附在Co-L的孔道中，而且也证明了Co-L和His之间存在氢键相互作用［39］.

Fig.6 FTIR spectra of Co⁃L(a),Co⁃L obtained after treated with His(b)and free his(c)(A)and interaction representation between His and Co⁃L computed via molecular force field⁃based calculations(B)

进一步通过Gaussian 09程序进行了分子力场计算［40］，研究了Co-L和His分子之间的相互作用.如图6（B）中优化结果所示，1个His被包合在Co-L双层的1个孔道中，其中His部分的—COOH和—NH2分别与来自Co-L同一层同一个孔道上的2个方胺的N—H和C=O之间存在弱的相互作用，C=O…H和N—H…O距离分别为0.195和0.217 nm.同时，His部分咪唑环上的N—H和C=N分别与来自Co-L另外一层上同一个孔道中的2个方胺的C=O和N—H之间存在弱的相互作用，N—H…O和C=N…H距离分别为0.231和0.193 nm，均为典型的氢键.这一计算结果也与上述实验结果一致，证明该MOF对于组氨酸高选择性和高灵敏度的检测发生在限域的孔道内，孔道对组氨酸的识别有筛分作用，组氨酸分子与框架结构中的方胺基团存在多重氢键作用.

3 结 论

利用5，5′-［（3，4-二氧环丁-1-烯-1，2-二基）二（氮烷二基）］二间苯二甲酸和六水合硝酸钴通过水热反应合成了一例方胺功能化的金属-有机框架材料.荧光性质测试结果表明，所制备的配合物可实现对水溶液中组氨酸的高选择性检测，其对组氨酸的识别归因于孔道的筛分作用和组氨酸分子与框架结构中的方胺基团存在多重氢键作用.

支持信息见http：//www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20210589.