Tb3+/Eu3+镧系金属有机框架材料在荧光检测的研究进展

魏佳欣 王 浩 谷庆阳

(北京石油化工学院,北京 102617)

金属-有机框架(Metal-organic frameworks,MOFs)是一类新兴的多功能材料,是由金属离子或团簇与有机配体通过配位键组成的网状多孔材料。与其他传统多孔材料相比,金属-有机框架材料具备优点:1)多孔、比表面积大;2)结构多样,可调节、可设计;3)易合成、制备,稳定性强[1],因而近年来受到研究人员的广泛关注。由于上述性质,MOFs可应用于电催化[2-3]、气体分离[4]、光电传感[5-6]、生物传感[7]以及生物医学[8-10]等领域。

镧系金属有机框架(Ln-MOFs)由镧系离子和相应的有机配体组成,由于其独特的荧光特性、较大Stokes位移以及长荧光寿命等优点在荧光检测领域具有重要应用[11-13]。在紫外光激发下,它们相邻的发色团可以构成f-f或f-d能量转移系统,使Ln-MOFs[14-15]具有强烈的可见荧光发射。在镧系离子中,Eu3+和Tb3+是良好的发光中心,当紫外光照射时,可发出特征红光和绿光。Ln-MOFs在检测中的荧光信号有淬灭型、增强型以及比率型。Ln-MOFs用于荧光检测的机理主要有:内滤效应、能量的竞争吸收、光电子转移效应、天线效应、荧光共振能量转移效应等。

本文根据近年来国内外研究进展,综述了Ln-MOFs在离子检测、生物标志物检测以及小分子检测领域的应用,对其检测机制进行了分析总结,并对Ln-MOFs的发展前景进行了展望。

1 离子检测

金属离子在日常生活中较为普遍,与人体健康和环境紧密相关。人体的新陈代谢离不开Fe3+、K+等元素。人体中钾离子含量过少会引起低血钾,过量则会造成严重的肌肉瘫痪;Fe3+与氧的输送有关。ZHOU等[16]以3,3′-二磺酸基-4,4′-联苯二甲酸为配体,合成了一种三维结构的JXNU-2(Eu),具有良好的热稳定性,发射Eu3+的红色荧光。K+存在时,因为K+的离子半径较大,更易与配体中的苯环相互作用,使配体与Eu3+间的能量转移增强,导致荧光增强;而加入Fe3+可影响配体的电子结构,降低配体到Eu3+的能量转移,导致荧光淬灭。PAN 等[17]曾报道过具有独特性质的Ln-MOFs可用于Fe3+荧光传感,金属离子与MOF间能量的竞争吸收也可导致荧光淬灭,WANG等[18]合成了一种新型配位聚合物([Tb(1,4-bdc)1.5(phen)(H2O)]n),合成的材料发射Tb的绿色荧光,对Fe3+有显著淬灭效果。当Fe3+存在时,Fe3+的吸收带在300～400 nm,与MOF的激发波长(310 nm)重叠,说明可能存在竞争性的能量吸收,从而导致荧光淬灭,荧光颜色肉眼可辨,检测限达0.017 μmol/L。

铜离子是广泛存在于自然界中的微量元素,也是骨骼形成和结缔组织生长必需的元素。人体中铜离子含量不足或过量,都会引起一系列疾病[19]。XIA等[20]以Eu3+为中心离子,以H2BDC(对苯二甲酸)和H2DATA(2,5-二氨基对苯二甲酸)为配体,合成了双发射的比率荧光探针(Eu-DATA/BDC),实现对Cu2+的高灵敏快速检测。H2BDC可敏化Eu3+的发光,H2DATA可作为Cu2+的响应单元。如图1所示,不存在Cu2+时,探针发射蓝色荧光;当加入Cu2+后,Cu2+可以与H2DATA的氨基作用,实现Eu-DATA/BDC到Cu2+的电子转移,H2DATA的蓝色荧光显著淬灭,而Eu3+的特征荧光强度不变。荧光颜色随Cu2+浓度的增加由蓝色转变为红色,可实现对Cu2+的可视化检测,在1～40 μmol/L,检出限为0.15 μmol/L。

图1 Eu-DATA/BDC探针检测Cu2+机理示意图[20]Figure 1 Schematic diagram of the mechanism of Cu2+ detected by the Eu-DATA/BDC[20].

Hg2+是一种剧毒重金属离子,可通过食物链或人类活动,对生态环境和人类健康造成重大威胁[21-23]。GUO等[24]采用水热法制备了以黑枸杞为碳源的蓝色荧光碳点(CDs),然后将其封装到Eu-MOFs中,合成了一种新型的双发射比率荧光传感器CDs@Eu-MOFs。如图2a 所示,溶液中没有Hg2+时,CDs和Eu3+的荧光同时存在;Hg2+存在时,CDs的特征红色荧光被淬灭,而Eu3+的特征发射保持不变,当不断加入Hg2+时,荧光颜色逐渐由蓝色变为红色。检测机理为:Hg2+与CDs中的一些官能团的配位,导致CDs的荧光淬灭。Hg2+浓度在0～300 μmol/L内与荧光强度比(F430/F614)有良好的线性关系(图2b),检出限为0.12 nmol/L,可实现水溶液中Hg2+的灵敏检测,且该传感器有较强的抗干扰能力和较高的选择性(图2c)。

工业化发展导致重金属离子过度排放,造成环境污染,影响人类的健康。其中,Ag是最常见的污染物之一,会对人体造成伤害[25]。ZHANG等[26]将通过甲酰胺衍生的N掺杂碳点FA-CDs封装在Eu-MOFs腔内,合成一种用于超灵敏和视觉定量检测Ag+的新型比率荧光传感器(FA-CDs@Eu-MOFs)。如图3所示,Eu-MOFs的红色荧光作为参比信号,FA-CDs的蓝色荧光作为响应信号,当加入Ag+,由于FA-CDs的C—N基团与Ag+的特异性配位作用使蓝色荧光关闭;随着Ag+浓度的增加,荧光颜色由蓝色转变为红色。检测范围为0.3～100 nmol/L时,检测限为80 pmol/L。此外,该研究还制备了一种新型水凝胶传感器,用于水溶液中Ag+的肉眼视觉定量检测。

图3 FA-CDs@Eu-MOFs检测Ag+机理示意图[26]Figure 3 Schematic diagram of the mechanism of Ag+ detected by FA-CDs@Eu-MOFs[26].

Al3+离子是人体必需的微量元素,其积累直接影响人类健康,可能导致阿尔茨海默病、肌病等严重问题[27]。CHEN等[28]使用发光的Tb(Ⅲ)作为中心节点,而1,3,5-苯三苯甲酸(H3BTB)作为配体成功构建了一个多面体多孔Tb-MOF,Al3+离子可使Tb3+的发射淬灭,而使配体的发射大大增强。这是由于Tb-MOF中的Tb3+离子之间桥接的OH原子与Al3+相互作用,O—H键拉伸导致BTB3-和Tb3+的激发态不匹配,使BTB3-到Tb3+的能量转换效率降低,Tb3+荧光淬灭。同时,该作用增强了配体到配体的能量转换效率,使配体荧光增强。

随着加氟饮用水的普及,带来许多安全隐患,过量摄入F-可导致氟中毒、肾衰竭。ZENG等[29]选用4,4′,4″-s-三嗪-2,4,6-三酰基三苯甲酸酯(TATB)和混合镧系离子(Tb3+、Eu3+)合成了一系列混合镧系金属有机框架(Ln-MOFs)。当紫外灯照射时呈绿色荧光,随着F-的加入,发射强度比降低,荧光颜色明显由绿色变为红色。一方面由于水分子被F-取代,使Eu3+荧光增强;另一方面由于氟取代导致TATB3-的电子结构变化,增强了从Tb3+反向能量转移,导致Tb3+的发光量子产率降低,荧光降低。另外,该研究还将比率荧光探针与智能手机组合,通过智能手机识别RGB值,可实现F-的可视化检测,检测限为96 μg/L。

Cr2O72-是水中常见的污染物离子之一。YU等[30]将Eu3+/Tb3+与均苯四甲酸(H4BTEC)、4,5-咪唑羧酸(H3ICA)成功构建了一种三维多孔结构的Eu-MOF和Tb-MOF,在水溶液中有良好的稳定性。在紫外光照射时,Eu-MOF发出强烈的红色荧光,Tb-MOF表现出特有的绿色荧光,且CrO42-和Cr2O72-均对二者有明显的荧光淬灭效应。这是源于Cr2O72-和CrO42-离子与配体之间对辐射光源的竞争吸收,降低了配体向金属离子的能量转移,从而使荧光淬灭。表1总结了几种Ln-MOFs检测离子的情况。

表1 几种 Ln-MOFs 检测离子的总结Table 1 Summary of ion detection by several Ln-MOFs

2 小分子检测

随着工业化的快速发展,许多有毒有害的有机小分子被排放到环境中,对环境和人类健康带来了许多不利影响。

过氧化氢(H2O2)是一种典型的活性氧,由于其强氧化性,广泛应用于食品保存中,可能对人类健康造成严重危害[31]。YU等[32]以Eu3+为配位离子,2,6-吡啶二羧酸(DPA)和对苯二甲酸(PTA)为有机连接剂,合成了两种Ln-MOFs。该研究将两种MOFs组合用于过氧化氢比率荧光检测。Eu-DPA具有优良的红色荧光,可作为检测系统的参比,而Eu-PTA由于其蓝色荧光响应能力,作为响应中心。随着过氧化氢浓度的增加,红色荧光逐渐增强,蓝色荧光逐渐降低。机理如图4a所示,Eu-PTA/Eu-DPA分解过氧化氢产生羟基自由基,导致Eu-PTA的配体PTA被氧化,产生蓝色荧光产物PTA-(OH)2,红色荧光淬灭,蓝色荧光增强。荧光颜色由红到蓝,实现对过氧化氢的可视化检测,检测限为0.14 mmol/L。

该研究还建立了先进的与门逻辑装置(图4b),制备了用于视觉过氧化氢传感分析的纸芯片,结合智能手机辅助的视觉分析设备,可实现对过氧化氢的即时检测(图4c),检测限为0.003 mmol/L。

葡萄糖可为人体补充能量,CUI等[33]成功地合成了以Eu3+为金属节点、5-硼苯-1,3-二羧酸(BBDC)为配体,具有硼酸功能的双发射Eu-MOF,实现对过氧化氢和葡萄糖的比率检测。当加入过氧化氢时,由于硼酸基团与过氧化氢的相互作用,导致BBDC向Eu3+能量转移效率降低。颜色由红色变为蓝色,检测限为0.033 5 mmol/L。由于葡萄糖可以被葡萄糖氧化酶(GOx)催化产生过氧化氢,在GOx的存在时,随着葡萄糖浓度的增加,蓝色荧光增强,红色荧光减弱,颜色肉眼可辨。检测限为0.064 3 mmol/L。

活性氧和氮物种(ROSs和RNSs)参与了许多生理过程,包括癌症、自身免疫。次氯酸(HClO)是一种典型的ROSs。在生命体中,过度的内源性次氯酸会导致氧化应激,还可能导致不可逆的疾病。SUN等[34]以Eu3+为金属节点,2-氨基对苯二甲酸(BDC-NH2)和2,6-吡啶二羧酸(DPA)作为双配体合成了Eu-BDC-NH2/DPA,发射蓝色荧光。随着ClO-浓度的增加,蓝色荧光逐渐淬灭,红色荧光保持稳定,通过肉眼可以很容易地观察到颜色从蓝色到红色的明显变化,对ClO-的低检测限为37 nmol/L。如图5所示,荧光变化是由于Eu-BDC-NH2/DPA中的氨基被水质子化形成—NH3+,—NH3+与ClO-相互作用,形成氢键,—NH3+与ClO-之间的距离较短,导致荧光淬灭。表2总结了几种Ln-MOFs在检测分子中的应用。

表2 几种 Ln-MOFs 检测小分子的总结Table 2 Summary of several Ln-MOFs

图5 Eu-BDC-NH2/DPA检测HClO机理示意图[34]Figure 5 Schematic diagram of the HClO mechanism detected by Eu-BDC-NH2/DPA[34].

3 生物标志物检测

在医学上,生物标志物是一个重要的信号指标,医学研究者可直接对某种疾病的生物标志物进行检测从而达到预防疾病、诊断疾病以及治疗疾病的目的。

炭疽杆菌作为一种潜在的生物战剂,对人类健康和生命构成严重威胁,因此对炭疽杆菌的快速灵敏检测对人类具有重要意义。2,6-吡啶二羧酸(DPA)是炭疽芽孢杆菌的主要生物标志物。在荧光传感信号中,荧光“开启”较荧光“关闭”更有前途[35-37],ZHAO等[38]以Tb3+为金属节点,以2,5-二羟基对苯二甲酸(H4-DHBDC)为配体,合成了具有优异热稳定性的荧光“开启”型探针(Tb-MOF),发射配体的弱荧光。当存在DPA时,DPA通过配位作用作为“天线”分子,将能量转移到Tb3+,使Tb特征荧光增强,Tb-MOF对DPA的检测限为2.4 μmol/L,远低于人类感染所需的剂量(60 μmol/L)[39]。

YI等[40]将CDs嵌入Eu-MOFs笼中合成了CDs@Eu-MOFs探针,用于检测CaDPA。随着CaDPA浓度的增加,Eu3+的特征荧光逐渐增强,而CDS的荧光强度不变。检测机理为:由于CaDPA与Eu3+的强相互作用,导致能量从CaDPA转移到Eu3+,使Eu3+的特征荧光强度增强,发光颜色由蓝变红。此外,与Eu-MOFs单发射传感器相比,CDs@Eu-MOFs 探针对CaDPA的检测灵敏度更高,检出限为0.66 μmol/L。

多巴胺(DA)在人体和大脑神经系统中起着重要的作用,准确、快速地测定DA对相关疾病的诊断至关重要。YU等[41]通过DA与间二苯酚的特异性反应,以1,3,5-苯三甲酸为配体合成了Cu@Eu-BTC,用于特异性荧光开启检测DA。Eu-BTC可作为纳米反应器促进DA与间苯二酚反应,提高检测灵敏度,而Cu2+掺杂的Eu-BTC(Cu@Eu-BTC)具有更强的协同催化作用,可进一步提高检测灵敏度。Cu@Eu-BTC的红色荧光和DA-间苯二酚反应产物的蓝色荧光共同形成了一个颜色混合系统,实现了荧光颜色从红色到蓝色的强转换,从而实现了预期的高灵敏度可视化DA检测,检出限为0.01 μmol/L。此外,如图6所示,该研究还构建了一个基于Cu@Eu-BTC的便携式纸微芯片,用于可视化DA检测,打破了对仪器的依赖性,只需便携式紫外灯和智能手机,就可实现快速准确地定量检测DA。

图6 (a)DA可视化检测程序及数字图像;(b)智能手机辅助视觉分析[41]Figure 6 (a) Visual DA detection procedure and digital images;(b) Smartphone-assisted visual assay device[41].

苯胺在化工中的广泛使用引起了环境污染,还给人体带来不利影响。4-氨基苯酚(4-AP)是苯胺的生物标志物。JIN等[42]基于合成后修饰策略,将甲基和Eu3+封装到MOF-253中,设计制备了双功能化的金属有机框架(MOF),Eu@MOF-253-CH3。随着4-AP含量增加,Eu@MOF-253-CH3的荧光强度逐渐淬灭。在紫外灯照射下,颜色从红色变为无色。荧光淬灭机制是由于4-AP的吸收带覆盖了激发波长,与Eu@MOF-253-CH3的吸收带有较大的重叠,说明4-AP与设计的传感器之间存在竞争性的激发能吸收,这导致了从配体向Eu3+的能量转移量减少,因此Eu3+的红色荧光淬灭。Eu@MOF-253-CH3对4-AP的检出限为0.5 mg/mL,双功能化的Eu@MOF-253-CH3可以实现对4-AP特异性识别。

碱性磷酸酶(ALP)是一种广泛存在于人体组织中的非特异性水解酶,在许多生理过程中起着关键作用[43]。它被认为是骨病、尿毒症、淋巴瘤、乳腺癌和前列腺癌的生物标志物[44-45]。XIONG等[46]利用1,3,5-苯三甲酸(BTC)合成了Eu-BTC·6H2O,并掺杂Cu2+到框架中,获得多功能Ln-MOF(Cu@EuBTC),同时显示了Eu3+的特征红发射。检测过程如图7a所示:在ALP存在下,L-磷酸酪氨酸被水解成酪氨酸,酪氨酸被酪氨酸酶进一步氧化生成左旋多巴,左旋多巴与萘间苯二酚反应生成羧基氮杂胺,在490 nm处具有强发射。随着ALP活性的增加,羧基氮杂丁的蓝色荧光逐渐增强,Eu的红色荧光逐渐减弱,检出限为0.02 U/L。红色荧光淬灭是由于磷酸阴离子与Eu3+结合形成基态配合物,减弱了配体向Eu3+的能量转移。此外,该研究还设计了一种便携式检测管(图7b),与智能手机结合可实现ALP的即时检测,检测限为0.24 U/L,荧光颜色由红变蓝。YU等[47]基于理论计算,以Tb3+作为中心离子,联苯-3,3′,5,5′-四羧酸(BPTC)为配体构建了一个双发射的Tb-BPTC用于视觉检测ALP活性,对ALP的检出限为0.002 mU/mL,荧光由绿色变为蓝色(图7c)。此外,还设计了便携式试剂盒,结合智能手机可实现即时检测,检出限为0.09 mU/mL。ALP活性检测包括两部分,酶解反应和MOF对PO43-的反应,AAP作为酶解反应的底物,ALP将AAP水解成抗坏血酸(AA)和PO43-,然后参与Tb-BPTC反应。当AAP存在时,Tb-BPTC的荧光显著淬灭,这是因为PO43-与Tb-BPTC间存在静电相互作用,抑制了BPTC向Tb3+的能量转移,导致荧光淬灭。Tb-BPTC对ALP活性的响应需要底物AAP和ALP同时存在,基于此,本文设计了一种基于“双键解锁策略”的逻辑门(图7d)。这种基于理论计算的设计策略将有效地降低双发射Ln-MOFs的设计成本和盲目性,促进了Ln-MOFs在比率荧光传感和视觉分析中的应用。

图7 (a)ALP活性测定过程;(b)便携式检测管及智能手机辅助视觉分析[46];(c)Tb-BPTC对ALP活性检测的荧光光谱及CIE色度图;(d)基于“双键解锁策略”的逻辑门[47] Figure 7 (a) The ALP activity assay process;(b) Portable detection tube and smartphone-assisted visual analysis[46];(c) Fluorescence spectrum and CIE chromaticity diagram of ALP activity detection by Tb-BPTC;(d) Logic Gate based on “Double-Key Unlocking Strategy”[47].

磷酸盐(Pi)是水生动植物的必需营养素,然而,过量的Pi会导致水体富营养化,使一些鱼类和水生植物死亡[48-49]。同时,人体Pi的含量对身体健康至关重要。SHI等[50]利用1,3,5-苯三甲酸(BTC),2-氨基对苯二甲酸(BDC-NH2)合成了一种具有高灵敏度和高选择性的比率荧光探针(Eu-BTC-BDC-NH2)用于检测Pi。当存在Pi时,Eu-BTC-BDC-NH2的结构被破坏,与Pi作用形成的P-O-Eu配位键部分取代了Eu3+与BDC-NH2和BTC配体间的配位键,减弱了配体向Eu3+的能量转移,导致BDC-NH2的部分荧光恢复,而Eu3+的荧光则降低。荧光颜色由红变蓝,实现了对Pi的可视化检测,检测限为0.07 μmol/L。此外,通过琼脂糖水凝胶和Eu-MOF构建了一种便携式检测试剂盒,与智能手机结合,实现现场检测,检测限为26.66 μmol/L。这项工作可为制备一种简单、高效的新型比率荧光传感器提供更广泛的思路。表3总结了几种Ln-MOFs检测生物标志物的应用。

表3 几种 Ln-MOFs 检测生物标志物的总结Table 3 Summary of detection biomarkers for several Ln-MOFs

4 总结与展望

近年来,随着科学研究的不断深入,关于Ln-MOFs材料在检测方面应用的报道数量显著上升。本文对Ln-MOFs材料在离子、小分子以及生物标志物方面的研究进行了综述,对Ln-MOFs材料的检测机理进行了分析总结。Ln-MOFs由镧系离子和有机配体构成,目前配体的选择和Ln-MOFs的设计主要是基于实验,缺乏理论指导,通常需要大量的时间和较高的成本。如何筛选合适的有机配体来合理设计性能优异的Ln-MOFs仍然是一个重要的挑战。

作为荧光探针的Ln-MOFs材料的应用虽然取得了很大进展,但现有报道中的Ln-MOFs材料多为单一荧光发射,传感机理主要是基于荧光淬灭,易受到外界环境的干扰。相比之下,基于荧光“开启”响应探针及比率型荧光探针则更具有优势。另外,将MOFs材料与碳点、量子点、无机层状化合物等材料结合,构建新型多功能复合材料,实现多模式分析检测,将具有良好的发展前景。