二维Zn（Ⅱ）配位聚合物的制备及其对马兜铃酸A的荧光检测*

王凯民，杨良竹，李立凤，马钰璐，樊保敏，孙蔚青

1.云南民族大学化学与环境学院，云南 昆明 650504

2.昆明医科大学药学院 / 云南省天然药物药理重点实验室，云南 昆明 650500

马兜铃酸（AAs，aristolochic acids），是一类硝基菲有机酸类化合物，主要存在于如关木通、青木香、天仙藤、马兜铃、朱砂莲等马兜铃科植物中 （田婧卓等，2022）。这些植物曾被用作原生药材入药，有清热解毒、止咳平喘、理气止痛、治疗喉炎腹泻等功效。但由于马兜铃酸具有致癌性，2017 年马兜铃酸及含马兜铃酸的植物被世界卫生组织列入一类致癌物清单，虽然目前欧洲、美国等地区已禁止了含马兜铃酸中药的使用，我国也发布了禁止使用含有马兜铃酸成分的青木香、关木通等中药材制剂的通知，但含马兜铃酸成分的中成药仍屡见不鲜 （Li et al.，2021；Lukinich-Gruia et al.，2021）。因此对马兜铃酸，尤其是对毒性最强的成分马兜铃酸A 实现高效快速的检测，对含马兜铃酸药物的限用以及中药及中成药的安全使用都具有十分重要的意义。目前，常用的马兜铃酸检测方法有高效液相色谱法、液相色谱-质谱联用法等 （Yun et al.，2015；张朝辉等，2021；Chan et al.，2021）。然而，这些传统的方法均需要大型专业的仪器，样品前处理及测试条件复杂，需要专业的操作人员完成、成本高、耗时长。因此，研究一种灵敏度高、操作简便、高效快速、较为直观的马兜铃酸检测方法是很有必要的。在众多新兴的快速检测方法中，荧光传感器以其灵敏、高效的优势已开始逐渐受到人们的关注，越来越多的研究者开始致力于研发能够荧光检测药物的新型材料。但能够荧光检测马兜铃酸A 的功能材料还未见报道。

金属有机配位聚合物材料（CPs，coordination polymers），又称为金属有机框架材料，是一类由金属中心与有机配体相互交替连接而构筑的新兴材料，因其与其他材料相比具有结构丰富、高比表面积、多孔性、孔道多样可调等优点（陈跃颖等，2022；王凯民等，2022），受到了化学和材料领域研究者的青睐。为满足不同的用途，大量具有迷人结构的CPs被设计合成，其应用潜力也在被不断发掘。在生物医学领域，目前已发现CPs在药物吸附、药物合成催化、中药成分提取分离、药物递送和缓释、成像、药物成分荧光检测等领域均体现出了较好的应用价值 （张松等，2014；Chen et al.，2020；Liu et al.，2021）。在检测中药成分的研究中，CPs充分利用其多样的结构和作用位点、稳定的骨架特征，已实现了对部分药物，如四环素类药物、秋水仙碱、芦丁、槲皮素、盐酸小檗碱等的高灵敏度、响应快速、特异性识别，甚至可重复性使用的荧光传感 （Jiang et al.，2019；Xiong et al.，2019；Wang et al.，2020）。但由于CPs 在生物医学领域的应用研究起步较晚，因此相关报道较其在其他领域的研究还要少，而且目前很多荧光性质较好的CPs材料存在含有有毒，对人体有害的Cd2+、Cr3+、Eu3+、Tb3+等金属离子的问题，因此有必要不断构筑出更为安全，生物相容性较好的荧光传感CPs材料。

本文采用4-羧基-1-（3-羧基苄基）吡啶-1-鎓氯化物（H2LCl）和1，2-二（吡啶-4-基）乙烯（dpe）作为混合配体与Zn2+离子一起共同构建了1 例荧光探针材料，该材料能够灵敏、快速且特异性地荧光传感乙醇中马兜铃酸A。该荧光传感性质有望用于中药有毒物质的检测。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

实验中所用的异烟酸，3-（溴甲基）苯甲酸甲酯、1，2-二（吡啶-4-基）乙烯（dpe）、马兜铃酸A 及其他所研究的马兜铃属植物化学成分等均为市售分析纯。配合物的单晶数据是在Bruker APEX-Ⅱ型X-射线单晶衍射仪上测试得到，粉末X 射线衍射和热稳定性数据分别是在Rigaku Dmax-2500 型粉末衍射仪和Netzsch STA-449C 热失重分析仪上测得；元素分析结果通过Elementar Vario EL Ⅲ元素分析仪测得；红外光谱数据通过FT-IR Thermo Ni‐colet Avatar 360 红外光谱仪测得；紫外可见吸收光谱通过北京普析TU-1901 紫外可见分光光度计测得；荧光数据通过日立F-7000 型荧光仪得到。

1.2 有机配体4-羧基-1-（3-羧基苄基）吡啶-1-鎓氯化物（H2LCl）的制备

称取异烟酸（1.23 g，10 mmol）和3-（溴甲基）苯甲酸甲酯（2.29 g，10 mmol）置于150 mL 圆底烧瓶，加入50 mL 乙腈，加热回流5 h，停止加热，待反应体系降至室温后过滤得到白色粉末，用乙腈洗涤白色粉末3 次（20 mL/次），自然晾干。将晾干后的粉末置于圆底烧瓶中，加入100 mL 2 mol/L 的盐酸水溶液，加热回流2 h，停止加热，待体系自然冷却至常温后抽滤得到白色固体，用乙醇洗涤固体3 次（20 mL/次），自然干燥得到配体H2LCl 白色粉末2.65 g（产率：90.2%）。IR 主要数据（KBr压片，v/cm-1）：3 433（m），3 042（m），2 832（m），1 945（w），1 725（s），1 687（s），1 460（m），1 386（m），1 318（m），1 296（m），1 120（m），926（w），738（m），681（w）。配体H2LCl的合成路线如图1所示。

图1 配体H2LCl的合成路线如图Fig.1 Synthesis route of H2LCl ligand

1.3 配位聚合物［Zn（L）（dpe）（OH）］·3H2O（配合物1）的制备

称 取Zn（NO3）2·6H2O（0.029 7 g，0.1 mmol）、H2LCl 配体（0.014 7 g，0.05 mmol）、dpe（0.009 2 g，0.05 mmol）、NaOH固体（0.004 0 g，0.1 mmol）置于15 mL 烧杯中，加入2 mL 乙醇以及5 mL 超纯水，常温下搅拌30 min，将所得反应液转移至15 mL的聚四氟乙烯水热反应釜中，120 °C下反应72 h，而后以5 °C/h 的降温速率降至室温，得到配合物1 无色块状晶体，产率为27.6%（基于H2LCl 配体），分子式C26H27N3O8Zn。元素分析理论计算值（%）：C 54.32，H 4.73，N 7.31；实验值（%）：C 53.76，H 4.75，N 7.21。IR 主要数据（KBr 压片，v/cm−1）：3 424（m），1 612（s），1 384（s），1 069（w），1 027（w），832（w），763（w），551（w）。

1.4 晶体结构解析

在温度为296 K 下，选取大小适合的配合物［Zn（L）（dpe）（OH）］·3H2O 晶体，用Bruker APEX-Ⅱ型X-射线单晶衍射仪对其单晶结构进行测试，采用经过石墨单色器处理后的Mo-Kα （λ= 0.071 073 nm）作为辐射源，采取ω-2θ扫描方式收集衍射点及晶胞参数，衍射数据经过吸收校正和还原后，采用Olex2 1.3 软件中的SHELXL-2018/3 程序中的直接法对衍射数据进行解析。利用全矩阵最小二乘法F2对非氢原子进行各项异性精修，氢原子的位置由理论加氢和 Fourier 法得到。由于配合物中存在无序的溶剂分子，PLATON 中的SQUEEZE 命令被用以去除无序的溶剂分子。最终配合物的分子式结合单晶结构分析、元素分析及热重结果确定得到。配合物1的晶体学数据参数和结构精修细节见表1，主要的键长、键角见表2。配合物的CCDC号为2170341。

表1 配合物1的晶体学参数和测定数据Table 1 Crystallographic and refinement data for complex 1

表2 配合物1的部分键长和键角Table 2 Selected bond lengths and angles of complex 1

1.5 粉末衍射及稳定性测定

为了保证后期性质测试，我们大量合成了配合物1的粉晶，并在室温下采用Rigaku Dmax-2500型粉末衍射仪，在5°～50°的条件下收集粉晶样品的粉末衍射（PXRD）数据。为探究配合物1 材料的热稳定性，通过Netzsch STA-449C 热失重分析仪在氮气保护条件下，在25～800 ℃范围内以10 ℃ /min 的加热速率收集配合物1 热稳定性数据。另为研究配合物1 在乙醇溶液中的稳定性，将10 mg 研细的配合物1 粉末材料加入至10 mL 无水乙醇中，超声10 min 形成均匀的混悬液，而后在室温下浸泡3 d 后抽滤，自然晾干，测试浸泡乙醇后配合物1的PXRD数据。

1.6 荧光传感马兜铃酸A测定

1.6.1 选择性荧光传感马兜铃酸A分别将5 mg研细的配合物1 粉末材料加入至10 mL 无水乙醇中，超声10 min 得到混合均匀的混悬液后向其中分别加入50.0 μmol/L 的马兜铃属植物中常见的化学成分，马兜铃酸A（aristolochic acid A）、β-谷甾醇（β-sitosterol）、木兰花碱（magnoflorine）、尿囊素（allantoin）及马兜铃酮（aristolone），超声5 min 混匀，在室温、400 V 电压、狭缝10.0 nm×10.0 nm、λex= 325 nm 的条件下采集相应的液体荧光发射光谱，以考察配合物检测马兜铃酸A 的选择性。而后，取2 份10 mL 配合物1-乙醇混悬液，一份中加入除马兜铃酸A 外的其他研究物质，另一份加入所有研究物质，各物质浓度均为50.0 μmol/L，超声处理5 min，测荧光发射光谱，考察配合物1 检测马兜铃酸A的抗干扰性。

1.6.2 灵敏度测定向配合物1-乙醇混悬液中加入不同浓度（5.0～60.0 μmol/L）的马兜铃酸A，采集荧光发射光谱，以考察马兜铃酸A 浓度对配合物1 荧光强度的影响，以及配合物检测马兜铃酸A的灵敏度。

1.6.3 响应速度测定向配合物1-乙醇混悬液中加入50.0 μmol/L 的马兜铃酸A，超声不同时间（20～300 s）后采集荧光发射光谱，以考察配合物1 检测马兜铃酸A的响应速度。

1.6.4 可重复性研究测试向配合物1-乙醇混悬液加入50.0 μmol/L 马兜铃酸A 前后的荧光发射光谱。对测试样品进行抽滤，无水乙醇洗涤5 次（10 mL/次），回收自然晾干后，重复上述操作，重复5次。对比5次循环实验中配合物1-乙醇混悬液和马兜铃酸A@配合物1-乙醇混悬液荧光强度的变化，并对循环试验后回收的配合物1 样品进行PXRD 测试，通过与粉晶实验测试数据对比，考察配合物1荧光传感马兜铃酸A的可重复性。

2 结果与讨论

2.1 配位聚合物［Zn（L）（dpe）（OH）］·3H2O（配合物1）的晶体结构

单晶X 射线分析表明，合成的配合物1结晶于三斜晶系的P-1空间群。其1 个不对称单元包含了1个Zn（Ⅱ）离子、1个去质子化带1个负电荷的L−配体、1 个1，2-二（吡啶-4-基）乙烯（dpe）、1 个配位OH−离子和3 个游离水分子（图2a）。配合物1 中每个金属Zn（Ⅱ）中心均采取6 配位的模式与来自2 个L−配体的3 个O 原子（O1、O2 和O4A）、1 个OH−离子的O 原子（O5）以及2 个dpe 配体的2 个N 原子（N1 和N2）连接形成1 个变形八面体构型的［ZnO4N2］基本单元（图2a）。相邻的［ZnO4N2］基本单元间先通过dpe 连接，形成一条沿［1］轴延伸的一维“之”字链，其中Zn···Zn 间的距离为1.343 nm（图2b）。同时，相邻链的金属中心间又继续通过由2 个Zn（Ⅱ）离子和2 个反向L−配体构成的｛Zn2（L）2｝环状结构（Zn···Zn 间的距离为1.270 nm，图2b）连接，形成了配合物1 的二维大孔网络结构（图2b 和2c）。在配合物1 中，L−配体的两个羧酸根分别采取不同的配位模式与金属中心连接，其中苯环-COO−采用的是双齿螯合μ1-η1η1的模式参与配位，而吡啶环-COO−则采用的是单齿桥联μ1-η1的模式与Zn（Ⅱ）连接（图2a）。而后，配合物1 的两个二维网络间通过｛Zn2（L）2｝环状结构相互穿插，最终形成1个2D+2D→2D 的二重穿插二维网络结构（图2c）。最后，相邻二维二重互穿结构间相互平行堆积，形成配合物1的三维超分子结构（图2c）。

图2 配合物 1的结构示意图Fig.2 Structure of complex 1

2.2 粉末衍射及稳定性研究

PXRD 结果（图3a）显示，配合物1 粉晶的实测PXRD 衍射峰位置与通过晶体解析模拟数据的峰位置匹配度较好，且未出现杂的衍射峰，表明所得配合物1粉晶是单晶结构所代表的物质，且纯度较高，可进行性质测试。热重（TGA）结果如图3b所示，配合物1从80至176 ℃首次发生质量损失，其对应于配合物中3 个游离水分子受热的失去（w，实验值：9.73%，理论计算值：9.40%）。从200 至300 ℃发生第2 次质量损失，其对应于配合物中配位OH-离子受热的失去（w，实验值：2.92%，理论计算值：2.96%）。360 ℃后，配合物1发生急剧失质量现象，表明配合物骨架结构开始坍塌有机配体开始发生分解，800 °C失质量仍在持续最终剩余ZnO和配体碳化物，以上结果显示配合物1具有较好的热稳定性。浸泡乙醇后配合物1 的PXRD 数据显示，其PXRD衍射峰位置与粉晶实验测试的峰位置和峰型均吻合，且特征峰均保持完整，说明经乙醇溶剂浸泡后配合物1的结构未被破坏较为稳定（图3a）。

图3 配合物1的纯度和稳定性Fig.3 The purity and stability of complex 1

2.3 固体荧光性能

通过对配合物1 及配体H2LCl 室温下的固体荧光测试，得到如图4 所示结果。配体H2LCl 在波长为415 nm 激发光的作用下，在473 nm 处有最强荧光发射峰；辅助配体dpe 在波长为330 nm 激发光的作用下，在353 nm 处有最强荧光发射峰，配体的荧光均可归因于配体内部的π*-n 或π*-π 电子跃迁。配合物1 在325 nm 激发光的作用下，在443 nm 处有较强的荧光发射。通过对比，配合物1 的荧光发射峰与配体H2LCl的相似，荧光强度显著增强，但发生了略微的蓝移。荧光强度的增强可归因于金属与配体配位后，体系刚性程度增强，并且通过无辐射衰减减少了能量的损失（Wang et al.，2022）。发射峰的蓝移可归因于配体配与配体间或者配体与金属间的电子转移（Wei et al.，2014）。由此可见配合物1具有潜在用作发光材料的价值。

图4 固体荧光光谱Fig.4 The solid state luminescent spectrum

2.4 荧光传感马兜铃酸A性能

2.4.1 选择性荧光传感马兜铃酸A如图5a所示，加入50 μmol/L 不同马兜铃属植物中的常见化学成分后，配合物1-乙醇悬液468 nm 处的荧光强度均有不同程度的减弱。其中马兜铃酸A能较大程度的猝灭配合物1-乙醇悬浊液的荧光，而其他物质的影响较小。根据公式QE = ［（I0−I）/I0］× 100% （式中I0和I分别为加入马兜铃属植物不同化学成分前后配合物1-乙醇悬浊液的荧光强度）可计算出马兜铃酸A 荧光猝灭率（QE）达81.17%，而其他研究物质β-谷甾醇、尿囊素、木兰花碱以及马兜铃酮的QE值则分别为6.01%、2.13%、7.74%和1.39%。

图5 配合物1选择性荧光传感马兜铃酸A研究Fig.5 Study on complex 1 selective sensing of aristolochic acid A

由抗干扰荧光检测马兜铃酸A 的实验结果可以看出在没有马兜铃酸A 的情况下，其他研究物质的混合物仅略微减弱了配合物1-乙醇悬液的荧光强度。一旦加入马兜铃酸A，配合物1-乙醇悬液的荧光会被较大程度猝灭（图5b），且QE 值为82.91%，与选择性检测试验中纯马兜铃酸A 的相差不大，证明配合物1 即使在其他研究物质存在时，也仅对马兜铃酸A 表现出敏感性，其能从所研究的马兜铃属植物化学体系中选择性地检测马兜铃酸A，且抗干扰性好。

2.4.2 荧光传感马兜铃酸A 的灵敏性为进一步探索配合物1检测马兜铃酸A 的灵敏性，我们向配合物1-乙醇悬液中加入了不同浓度（5.0～60.0 μmol/L）的马兜铃酸A，并用测量计算后得到的I0/I作为纵坐标，马兜铃酸A 浓度作为横坐标作图以研究其浓度与荧光强度间的关系。研究发现，随着马兜铃酸A 浓度的增加，配合物1-乙醇悬液的荧光强度不断降低（图6a）。如图6b 所示，在5.0～35.0 μmol/L 低浓度范围内，马兜铃酸A 的荧光猝灭效率符合 Stern-Volmer线性拟合公式，即

图6 配合物1荧光检测马兜铃酸A的灵敏度研究Fig.6 Study on the sensitivity of complex 1 detection of aristolochic acid A

式中I0和I分别为加入马兜铃酸A 前后配合物1-乙醇悬浊液的荧光强度，Ksv为猝灭常数，［M］为加入马兜铃酸A的浓度）。通过拟合，猝灭常数Ksv值为6.796 × 104L/mol （R2= 0.995 8）。基于10组空白样品的测量值，根据公式

式中σ为测试标准偏差，可计算出配合物1 检测马兜铃酸A 的检测限（LOD）为0.022 μmol/L。以上实验结果证明配合物1 具有较好荧光传感马兜铃酸A的能力，且检测灵敏度高。

2.4.3 检测马兜铃酸A 的迅速性由图7a 所示，马兜铃酸A 在配合物1-乙醇悬浊液中超声30 s 时，配合物1-乙醇悬浊液的荧光强度有所降低，但因作用时间不充分荧光强度仅降低了60.60%；当超声时间达60 s 时，猝灭效率达到80.30%，已具备较好的猝灭效果；随着时间的推移，猝灭效率基本保持在81.00%左右，由此可以看出配合物1 在荧光传感马兜铃酸A 时作用时间短，响应时间为60 s。

图7 配合物1检测马兜铃酸A的迅速性及可重复性研究Fig.7 Study on the rapidity and repeatability of complex 1 detection of aristolochic acid A

2.4.4 检测的可重复性通过5 次循环实验得到如图7b 所示结果，在5 次实验中配合物1-乙醇悬浊液以及马兜铃酸A@配合物1-乙醇混悬液的荧光强度变化不大，说明在循环实验中配合物1对含有50.0 μmol/L 马兜铃酸A 的乙醇溶液检测效果基本一致。通过PXRD 图谱对比（图8a），5 次循环试验后回收的配合物1样品与初始粉晶的峰型及峰位置基本吻合，说明在识别过程中配合物1的结构并未被马兜铃酸A 损坏，保持了很好的稳定性，因此配合物1在荧光识别马兜铃酸A 时具有可循环利用的可能性。

图8 配合物1检测马兜铃酸A的作用机制研究Fig.8 Study on the mechanism of complex 1 in detecting aristolochic acid A

2.5 荧光检测马兜铃酸A的作用机制

首先根据图8a 粉末衍射图可看出，回收的配合物1样品在多次传感马兜铃酸A 后，PXRD 特征峰位置与初始样品相同，这证明荧光猝灭并不是由结构坍塌导致。

而后，通过对比各研究的马兜铃属植物化学成分的紫外可见吸收光谱和配合物1的荧光发射光谱可发现，马兜铃酸A的UV-Vis吸收峰与配合物1的荧光激发峰有最大程度的重叠；木兰花碱和β-谷甾醇的也有重叠，但重叠程度较少；剩余物质的几乎没有重叠（图8b）。这表明，配合物1与马兜铃酸A 间存在竞争吸收可导致其荧光猝灭 （Yang et al.，2021）。

3 结 论

本文利用荧光检测方法，构筑了一例能够灵敏高效选择检测马兜铃酸A 的功能配合物荧光传感器。通过两性离子有机配体4-羧基-1-（3-羧基苄基）吡啶-1-鎓氯化物（H2LCl）与含N 桥连配体1，2-二（吡啶-4-基）乙烯（dpe）一起在溶剂热的条件下与Zn2+金属离子组装，合成了一例具有较好荧光性质的二重穿插二维金属有机配合物［Zn（L）（dpe）（OH）］·3H2O。荧光性质研究发现该配合物对乙醇中的马兜铃酸A 具有选择性、高灵敏度、较快速、可回收的荧光传感性能，其可作为一种荧光传感器对低浓度的马兜铃酸A实现快速检测。