功能性三价铕离子的金属有机骨架选择性荧光识别芘

赵沛然 刘屿芊 何 成 段春迎

(大连理工大学，精细化工国家重点实验室，大连 116024)

0 引 言

众所周知，稠环芳烃类化合物是工业生产过程中常见的副产物之一。煤和石油的燃烧、垃圾的焚烧、沥青的加工等，都会产生大量稠环芳烃。目前已知的大多数稠环芳烃类化合物都是致癌物。稠环芳烃类化合物一般具有较高的脂溶性，容易被人类或其他哺乳动物的内脏吸收，在体内逐渐累积，危害其健康[1-3]。芘是一种常见的稠环芳烃类化合物，它在有机合成化学中扮演着重要的角色，可用于染料的加工、塑料的合成、杀虫剂的制备等。近些年来，中外科研界关于识别芘的文献报道还相对较少[4-6]。因此，探索并研究一种识别芘的有效方法具有很高的科学研究价值。在众多的识别方法中，荧光探针识别法因具有高效性、高选择性、操作简便等特点而广受科研工作者的青睐。开发研究新的荧光识别探针，也是当下热点研究之一[7-10]。

金属有机骨架(MOFs)是由金属离子与有机配体通过配位自组装的方式构筑的一类具有多维结构的新型功能化材料。MOFs 材料具有结构多样性、孔道尺寸可调、比表面积高等特点。因此，MOFs 已经被广泛应用于荧光识别这一领域。相比于其他传统类型的荧光识别探针，MOFs 作为荧光识别探针具有选择性高、金属识别位点多、可循环重复利用等优势[11-17]。此外，镧系金属有机骨架(Ln-MOFs)是一类特殊的MOFs。它的中心金属离子是镧系金属离子。镧系金属离子的外部电子轨道能级数量比过渡金属离子的多，具有较好的荧光特性。而镧系金属离子的f-f轨道能级跃迁是禁阻的，导致其荧光发射强度相对较弱。但是，镧系离子与有机配体通过配位自组装形成Ln-MOFs 后，有机物可以将其吸收的光能转移给与其配位的镧系金属离子，从而实现光敏化镧系金属离子，使镧系金属离子的荧光发射强度大大增加，进而实现荧光检测[18-23]。

有机配体也是Ln-MOFs 的重要组成部分之一。含有刚性骨架结构的芳香环且具有多个羧基的有机小分子通常可以作为Ln-MOFs 的配体。因此，我们选择有线状荧光发射峰的Eu3+与含有4 个羧基的刚性有机小分子H4L(图1)，通过水热合成法配位自组装构筑具有三维孔道结构的Ln-MOFs：Eu-4L[24]。我们预计H4L 的4 个羧基可以很好地与Eu3+发生配位作用，同时其芳环体系也可以敏化Eu3+的荧光发射，从而使Eu-4L能够选择性识别芘，并且实现重复循环利用。

图1 H4L的结构式Fig.1 Chemical structure of H4L

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

所有化学试剂均购买自商业公司，且使用时未经过进一步纯化处理。单晶X 射线衍射实验使用SMART-CCK布鲁克单晶衍射仪，辐射源为MoKα射线(λ=0.071 073 nm)。粉末X 射线衍射(PXRD)采用X 射线粉末衍射仪，辐射源为MoKα射线(λ=0.154 06 nm)，操作电压为40 kV，电流为25 mA，扫描范围为5°～50°。红外光谱测试采用IS50 傅里叶变换红外光谱仪。热重分析(TGA)使用SDTQ600 热重分析仪，测试气体条件为氮气。物理吸附实验使用Autosorb iQ 等温物理吸附仪。固体紫外可见测试采用日本日立公司的U-4100 固体紫外可见光谱仪。

1.2 Eu-4L的合成

将Eu(NO3)3·6H2O(0.223 g，0.5 mmol) 和H4L(0.051 8 g，0.15 mmol)加入到9 mL 的玻璃反应瓶中，依次加入5 mLN，N-二甲基甲酰胺(DMF)、1 mL去离子水、、0.5 mL 乙醇和0.04 mL 50%的四氟硼酸。然后将玻璃反应瓶放入水热反应釜中，再将水热反应釜置于带有程序控温的反应烘箱中。在1 h 内，从室温匀速升温至100 ℃，然后在100 ℃下继续加热48 h。最后，在24 h 内匀速降至室温。将水热反应釜在烘箱中静置48 h 后，得到大量晶体。用适量的DMF 和乙醚洗涤晶体多次，再将其置于真空干燥器中干燥。产率约为65%。Eu-4L 的化学式为EuC16H16NO12，元素分析理论值(%)：C 33.91，H 2.83，N 2.47；实验值(%)：C 33.54，H 2.57，N 2.68。

1.3 晶体结构分析

在显微镜下选取尺寸适宜的Eu-4L晶体用于数据收集。以SHELXTL 5.1 软件用直接法解出其结构，依据F2用最小二乘法对其结构精修，采用各向异性热参数修正非氢原子，用理论几何加氢的方法确定氢原子，所有氢原子都采用各向同性的固定模型进行修正。

CCDC：2268274。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

单晶X 射线衍射数据(图2和3，表1和2)分析表明，Eu-4L 属于正交晶系Pnna空间群。每个Eu-4L的不对称单元中有0.5 个有机配体分子，0.5 个Eu（Ⅲ）离子，0.5 个配位水分子，1.5 个游离水分子和0.5 个氢原子。如图2和图3，每个Eu（Ⅲ）离子与9个氧原子配位。其中8个氧原子来自有机配体分子中的羧基氧原子，另外1 个氧原子来自配位水分子，Eu—O 键长在0.233 4(3)～0.259 4(4)nm 之间。每个Eu（Ⅲ）离子分别与6 个不同的有机配体分子配位，其中2 个不同的有机配体分子的羧基氧原子以螯合双齿的配位模式与Eu（Ⅲ）离子配位。另外4 个不同的有机配体的羧基氧原子以桥联单齿的配位模式再与另外2个不同的Eu（Ⅲ）离子桥联。这种特殊的配位方式使得Eu-4L 具有三维空腔结构。沿着a轴方向，2 个不同的有机配体分子与8 个不同的Eu（Ⅲ）离子配位，形成具有4 个双核的菱形结构。其中，每2 个有机配体呈“头对头”式分布，将菱形分成4个较小的空洞。沿着b轴方向，每个相邻的Eu-Eu 双核结构相互垂直。有机配体将相邻的双核结构桥联，在ac平面上进一步形成了二维的直链结构。链与链之间通过有机配体桥联的方式形成了具有三维结构的孔道，其大小约为0.730 87(5) nm×0.811 76(6) nm。沿着c轴方向，3 对Eu-Eu 双核结构通过有机配体桥联，在ab面上形成了较大的正六边形的空腔结构。其大小约为0.629 20(6) nm×1.013 61(7) nm。 使用PLATON 程序计算得到Eu-4L 的溶剂占有率为20.4%。以上数据表明，Eu-4L 具有三维孔道结构，在荧光识别方面具有潜在应用价值。

表1 Eu-4L的晶体学数据Table 1 Crystal data and structure refinements for Eu-4L

表2 Eu-4L的主要键长(nm)和键角(°)Table 2 Selected Bond lengths(nm)and angles(°)for Eu-4L

图2 Eu-4L的(a)不对称单元和(b)配位环境Fig.2 (a)Asymmetric unit and(b)coordination environment of Eu-4L

图3 Eu-4L的三维结构：(a)a轴方向;(b)b轴方向;(c)c轴方向Fig.3 Three-dimensional structure of Eu-4L：(a)the a-axis direction;(b)the b-axis direction;(c)the c-axis direction

2.2 等温气体吸附与染料吸附

以Eu-4L进行等温气体吸附实验，其结果如图4所示。通过数据拟合得知，Eu-4L的比表面积为178 m2·g-1。此结果表明Eu-4L 是具有良好孔道特性的固体材料。为了进一步探究Eu-4L对有机小分子的吸附能力，我们设计了Eu-4L 的染料吸附实验。将10 mg 的Eu-4L 浸泡在含20 mg 2′，7′-二氯荧光素的二氯甲烷(DCM)溶液中72 h。然后将固体过滤，用DCM 清洗多次。将洗后的固体Eu-4L 用0.1 mL 的浓盐酸浸泡1 h，使Eu-4L 的孔道结构完全被浓盐酸破坏。用紫外可见分光光度法测定被Eu-4L吸附的2′，7′-二氯荧光素的含量，其结果如图5所示。从图中可知，Eu-4L 可以吸附质量分数为5.3%的2′，7′-二氯荧光素。以上实验数据表明，Eu-4L 内部有足够的空腔，并且具有吸附有机小分子的能力。

图4 (a)Eu-4L的N2吸附-脱附等温线;(b)Eu-4L比表面积计算拟合曲线Fig.4 (a)N2 adsorption-desorption isotherm of Eu-4L;(b)Fitted curve for calculating the specific surface area of Eu-4L

图5 (a)2′,7′-二氯荧光素紫外可见吸收谱图和(b)相应的标准曲线Fig.5 (a)UV-Vis absorption spectra of 2′,7′-dichlorofluorescein and(b)corresponding standard curve

2.3 热稳定性

TGA 可以探究材料的热稳定性。因此，在氮气氛围中，将Eu-4L 以10 ℃·min-1的速度从30 ℃加热至800 ℃，得到的TG曲线如图6a所示。从图中可以看出，从30 至200 ℃，Eu-4L 大约失重5%，其原因可能是Eu-4L 孔道中的溶剂分子因受热而损失。此外，当温度达到400 ℃时，Eu-4L仍能保持结构稳定。这一实验结果表明，Eu-4L 具有良好的热稳定性。对Eu-4L 与加热至200 ℃的Eu-4L 进行PXRD 测试，其结果如图6b 所示。从图中可知，Eu-4L 和加热至200 ℃的Eu-4L 的PXRD 图几乎与由Eu-4L 的单晶X射线衍射数据拟合图相同。以上数据表明，Eu-4L粉末与Eu-4L单晶具有相同的结构，且稳定性良好。

图6 Eu-4L的(a)热重曲线和(b)PXRD图Fig.6 (a)TG curve and(b)PXRD patterns of Eu-4L

2.4 Eu-4L的荧光性能分析

为了选择合适的溶剂，将2 mg 的Eu-4L 分别置于17 种常见的溶剂中测试其荧光发射，结果如图7所示。Eu-4L 在乙醇、水、甲醇、四氢呋喃中的荧光很强，而在正己烷中很弱，在其他的几种溶剂中荧光也相对较强。考虑到稠环芳烃类化合物的溶解性，选择DCM 作为研究Eu-4L 识别芘性能的溶剂。Eu-4L 在不同的pH 值中的稳定性也是重要的参数之一。因此，在不同的pH 下测试Eu-4L 的荧光强度(图8a)。Eu-4L 在pH=3～11 的范围内有很强的荧光发射。此外，从图8b 可知，Eu-4L 在pH 为3 和11 的溶液中浸泡后的PXRD 图几乎与未浸泡前和拟合的PXRD 图吻合。上述结果证明了Eu-4L 在pH=3～11的范围内的稳定性。如图9 所示，在335 nm 波长激发下，Eu-4L 的荧光发射峰呈线状，其在592、616、653 和694 nm 处的线状发射峰归属于Eu3+的5D0→7FJ(J=1～4)的跃迁[25]。综上，Eu-4L 是稳定性较好的荧光材料，并且具有潜在的荧光识别有机小分子的能力。

图7 不同溶剂中Eu-4L在616 nm的荧光强度Fig.7 Fluorescence intensities at 616 nm of Eu-4L in different solvents

图8 (a)Eu-4L在pH=1～12条件下616 nm处的荧光强度;(b)Eu-4L分别在pH为3和11的溶液中浸泡后的PXRD图Fig.8 (a)Luminescence intensities at 616 nm of Eu-4L under pH=1-12;(b)PXRD patterns of Eu-4L after the immersion in pH=3 and pH=11 solution,respectively

图9 Eu-4L的荧光发射和激发谱图Fig.9 Emission(λex=395 nm)and excitation(λem=616 nm)spectra of Eu-4L

2.5 Eu-4L对芘的荧光识别性能

为了探究Eu-4L 对芘的荧光识别性能，用0～0.2 mmol·L-1的芘的DCM 溶液对含有2 mg Eu-4L 的2 mL DCM悬浊液进行荧光滴定。如图10a所示，当激发波长为335 nm 时，Eu-4L 在616 nm 处的线状荧光发射峰随着芘浓度的增加而逐渐降低。当芘的浓度达到0.2 mmol·L-1时，Eu-4L 的荧光猝灭率超过90%。在低浓度下，以I0/I为纵坐标，芘的浓度为横坐标，进行线性拟合(图10b)，其拟合公式符合Stern-Volmer 方程I0/I=KSVc+1，式中I代表Eu-4L 在616 nm处的荧光强度，I0代表Eu-4L 在616 nm 处的初始荧光强度，c代表芘的浓度，KSV代表荧光猝灭常数(L·mol-1)，低浓度下的相关系数R2为0.989 9。通过拟合公式可知，Eu-4L 识别芘的荧光猝灭常数KSV为2.90×104L·mol-1。该数值与众多已报道的金属有机骨架作为荧光探针的猝灭常数相比较，是相对较高的[26-29]。此外，Eu-4L 识别芘的检测限(猝灭率超过10%)为5 μmol·L-1。以上实验数据表明，Eu-4L对芘的荧光识别具有很高的灵敏度。

图10 (a)Eu-4L加入芘的DCM溶液(0～0.2 mmol·L-1)后的荧光谱图;(b)Eu-4L识别低浓度芘(浓度为0～0.03 mmol·L-1)的Stern-Volmer图Fig.10 (a)Luminescence spectra of Eu-4L after the addition of different concentrations(0-0.2 mmol·L-1)of pyrene in DCM;(b)Stern-Volmer plot for Eu-4L detecting pyrene with low concentrations(0-0.03 mmol·L-1)

对Eu-4L 荧光识别芘进行时间跟踪。如图11所示，当在Eu-4L 的悬浊液中加入0.1 mmol·L-1的芘后，荧光猝灭现象能够从5 s 至少维持至180 s。此外，还对Eu-4L 识别芘的循环重复利用能力进行测试。在每次循环后，用干净的DCM清洗Eu-4L，然后将其置于真空干燥器中干燥24 h，为下一次循环使用做准备。如图12a 所示，经过5 次循环，荧光猝灭效果几乎保持一致。将每次循环后的Eu-4L 用PXRD 表征，从图12b 可以看出，5 次循环后的PXRD图与未识别前的Eu-4L 的PXRD 图和拟合图也几乎相同。以上实验结果表明，Eu-4L 在对芘荧光识别时具有较高的稳定性与良好的循环再生能力。

图11 Eu-4L中加入芘后的荧光发射强度随时间的变化Fig.11 Changes in fluorescence emission intensity of Eu-4L over time after the addition of pyrene

图12 (a)Eu-4L识别芘的循环试验;(b)Eu-4L识别芘每次循环后的PXRD图Fig.12 (a)Recyclability test of Eu-4L in pyrene detection;(b)PXRD patterns of Eu-4L detecting pyrene after each cycle

此外，我们还设计了Eu-4L 荧光识别芘的选择性实验和竞争实验。如图13a所示，分别在Eu-4L的DCM 悬浊液中加入0.1 mmol·L-1的8 种不同的稠环芳烃，在335 nm 波长下激发，只有芘能够使Eu-4L的荧光很好地猝灭。在Eu-4L 的DCM 悬浊液中先分别加入50 μmol·L-1的7 种竞争的稠环芳烃，然后再各自加入0.1 mmol·L-1的芘，从图13b 中可以看出，芘对Eu-4L 的荧光猝灭效果几乎不受其他7 种稠环芳烃的干扰。以上数据表明，Eu-4L 对芘的荧光识别具有较高的选择性。

图13 (a)分别加入0.1 mmol·L-1的八种不同底物时,Eu-4L在616 nm处的荧光强度;(b)在有其他七种干扰物(50 μmol·L-1)的条件下,Eu-4L加入0.1 mmol·L-1芘后在616 nm处的荧光强度Fig.13 (a)Fluorescent intensity at 616 nm of the suspension of Eu-4L with eight different kinds of substrates(0.1 mmol·L-1),respectively;(b)Fluorescent intensity at 616 nm of Eu-4L(excited at 335 nm)after the addition of 0.1 mmol·L-1 pyrene in the presence of a background concentration of seven different substrates (50 μmol·L-1)

2.6 Eu-4L对芘的荧光识别机理

前文中提到，Eu-4L 荧光识别芘循环5 次后的PXRD图与使用前是吻合的，这表明Eu-4L在识别芘时，其孔道结构稳定且保持完整。此外，将Eu-4L浸泡在芘的饱和DCM 溶液中4 d 后，测试芘和浸泡前后的Eu-4L 的红外吸收光谱。从图14 可以看出，浸泡芘前后，Eu-4L 的红外吸收光谱没有发生变化。因此，结构坍塌不属于Eu-4L 对芘的荧光识别机理[30-31]。

图14 Eu-4L浸泡芘前后的红外谱图Fig.14 FTIR spectra of Eu-4L before and after the immersion in pyrene

根据图9 可知，Eu-4L 可以在395 nm 波长条件下被激发。于是，在395 nm 下用芘对Eu-4L 进行荧光滴定。从图15a 可以看出，当激发波长为395 nm时，Eu-4L在616 nm有很强的荧光发射，但随着悬浊液中芘浓度的增加，Eu-4L 的荧光不会发生猝灭。同时，我们还对Eu-4L 在395 nm 激发条件下的选择性进行了探究，从图15b可知，当激发波长为395 nm时，上文所述的8 种稠环芳烃(0.1 mmol·L-1)都不会使Eu-4L 发生荧光猝灭。于是，在Eu-4L 的DCM 悬浊液中分别加入0.1 mmol·L-1的上述8 种稠环芳烃，探究加入底物前后Eu-4L 的荧光激发谱图变化情况。由图16 可知，分别加入8 种稠环芳烃后，Eu-4L的荧光激发谱图在395 nm 处几乎都没有太大变化。值得注意的是，只有加入芘之后，Eu-4L在335 nm处的荧光激发峰有很明显的降低。此实验数据与前文提到的Eu-4L 在335和395 nm 的选择性实验数据相吻合。

图15 (a)Eu-4L加入芘的DCM溶液(0～0.1 mmol·L-1)后的荧光谱图;(b)分别加入0.1 mmol·L-1的八种不同底物的DCM溶液后,Eu-4L在616 nm处的荧光强度Fig.15 (a)Luminescence spectra of Eu-4L in the presence of different concentrations(0-0.1 mmol·L-1)of pyrene in DCM;(b)Fluorescent intensity at 616 nm of Eu-4L with eight different kinds of substrates in DCM(0.1 mmol·L-1),respectively

图16 Eu-4L分别加入不同底物前后的激发谱图Fig.16 Excitation spectra of Eu-4L before and after the addition of different substrates

此外，我们还在DCM 溶液中，用0.1 mmol·L-1的芘分别在335 和395 nm 激发波长下，对配体H4L 进行荧光滴定并且研究其激发谱图的变化，如图17～19 所示。从图中可知，当加入0.1 mmol·L-1的芘之后，配体H4L 的激发谱图在335 nm 处有明显降低，在395 nm处几乎不变。当激发波长为335 nm时，随着芘浓度的增加，配体H4L 在540 nm 处的荧光发射峰强度逐渐降低，发生了荧光猝灭。而当激发波长为395 nm 时，随着芘浓度的增加，配体H4L 不会发生荧光猝灭。上述实验现象表明，当Eu-4L 荧光识别芘时，其配体可能与底物发生了相互作用，从而使Eu-4L的荧光猝灭[32-34]。

图17 H4L加入芘前后的激发谱图Fig.17 Excitation spectra of H4L before and after the addition of pyrene

图18 (a)H4L加入芘的DCM溶液(0～0.1 mmol·L-1)后的荧光谱图;(b)加入芘的DCM溶液时,H4L的I0/I对cpyrene拟合曲线Fig.18 (a)Luminescent spectra of H4L in the presence of different concentrations(0-0.1 mmol·L-1)of pyrene;(b)Fitting curve of I0/I vs cpyrene for H4L when adding DCM solution of pyrene

图19 (a)H4L加入芘的DCM溶液(0～0.1 mmol·L-1)后的荧光谱图;(b)加入芘的DCM溶液时,H4L的I0/I对cpyrene拟合曲线Fig.19 (a)Luminescent spectra of H4L in the presence of different concentrations(0-0.1 mmol·L-1)of pyrene;(b)Fitting curve of I0/I vs cpyrene for H4L when adding DCM solution of pyrene

为了进一步探究其机理，我们将Eu-4L 浸泡在芘的DCM 饱和溶液中4 d，然后测试其浸泡前后的固体紫外可见吸收谱图。从图20a 可知，浸泡过芘后的Eu-4L 产生了新的紫外吸收峰。此结果表明，芘可以被Eu-4L吸附，进入其孔道，与之发生相互作用。此外，我们还对Eu-4L 加入0.1 mmol·L-1芘前后的荧光寿命进行了探究。如图20b 所示，加入底物之后，Eu-4L 的荧光寿命没有任何变化。综上所述，Eu-4L荧光识别芘的机理属于稳态荧光机理[35-37]。

图20 (a)Eu-4L浸泡芘前后的固体紫外可见谱图;(b)Eu-4L加入0.1 mmol·L-1芘前后的荧光寿命Fig.20 (a)Solid UV-Vis spectra and of Eu-4L before and after the immersion in pyrene;(b)Fluorescent lifetimes of Eu-4L before and after the addition of 0.1 mmol·L-1 pyrene

3 结 论

成功设计并合成了一种具有功能性的三维结构的镧系金属有机骨架Eu-4L。Eu-4L 具有选择性荧光识别稠环芳烃芘的特性，其荧光识别芘的检测限为5 μmol·L-1，具有较高的灵敏度，且具备可循环重复利用的特性。Eu-4L 荧光识别芘的机理属于稳态荧光机理。我们期望本文的研究内容可以为设计、合成具有荧光识别特性的镧系金属有机骨架提供一定的理论依据，并且能够为解决环境污染等问题提供相应的参考价值。