基于染料封装Zn-MOF的比率荧光传感器的制备及其应用

本发明属于金属有机框架材料制备，涉及一种zn-mof材料的制备，具体是一种基于染料封装zn-mof的比率荧光传感器的制备及其在自来水和苹果样品中敌草快的高灵敏检测检测应用。

背景技术：

1、食品安全和人体健康密切相关。数十年来，消费者对有机食品的喜热呈显著增长趋势，然而其安全食用问题也引起人们广泛关注。农药可以广泛促进农作物产量和质量，但是其超含量或不正当使用会导致农残过多，从而影响有机食品的品质，进而影响人的健康和生命安全。全球各国对农作物和食品中农药的最低残留量做了明确的规定，而食用农残过量的食品会对人体造成很多慢性、急性等问题，因此对食品中的农药残留把控显得尤为重要。如何现场快速监测和提前预防显然成了最关键的问题。在过去和现在研究者们经常使用气相色谱质谱联用仪(gc-ms/ms)和高效液相色谱质谱联用仪(lc-ms/ms)方法来定量分析食品中的农药残留量。这种方法具有较高的准确性和有效性，但是其通常需要繁琐的制样步骤和较长的分析时间，其不能准确得到食品质量的实时信息。因此，需要开发一种方便快捷和现场实时监测的检测技术，以实现食品安全保障。

2、基于mofs的荧光传感器因其独特的物理和化学性质，已广泛开发用于食品中农药残留的监测。mofs是由金属离子或金属簇组装而成的多孔有机框架材料，由于其大的比表面积和可调的孔径，被广泛应用于各个领域，如荧光传感、储能、气体吸附分离和光电催化。通过精心挑选有机配体和金属离子/簇，可以很容易获得形状结构多变和易于调节的孔/通道的mofs。这些mofs的孔/通道可以提供大量的识别位点，增加与分析物之间的主客体相互作用，进而提高荧光传感器的精度。所获得的基于单发光中心的mofs往往很难避免实验仪器和环境所带来的误差，而比率荧光传感可以通过自身对荧光信号的校准提供更可靠的数据和更高的检测精度。因此，开发基于mofs的多发光中心的比率荧光传感器成为当下的趋势。荧光染料因其廉价易得和高发光量子产率成为与mofs结合的重要发光组成部分。此外。将染料引入mofs的框架中不仅有效避免染料因聚集而引起的淬灭，还能极大的调节复合材料的荧光信号和性能。例如：zheng等人通过简单的溶剂热法将rhb嵌入uio-(oh)2中，构建了用于水中al3+的开启型比率荧光传感器(uio-(oh)2@rhb)。wang等人通过将rhb引入mn-mof的框架中，制备了用于腐胺、芳香族二胺和硝基苯酚的双发射荧光传感器(rhb@1-0.4)。尽管基于染料封装的具有双发射特性的mofs材料已被广泛研究，但mofs材料的粉末状态依然不适合现场快速和实时检测。因此，有必要构建基于mofs材料的传感平台来提高它的实用性和便捷性。在各种类型的即时检测(poct)的生物传感器中，纸基传感器因操作便捷、成本较低和生物可降解性的优点脱颖而出。通过将mofs材料分散在溶液中，然后将mofs材料滴加在纤维素滤纸上以实现mofs的沉积。通过这种方法结合智能手机系统可以对分析物实现智能比色和视觉传感。

3、敌草快(dq)是一种联吡啶季铵类除草剂，常被用于植物种子干燥剂和农作物催枯剂。dq可能会通过水流进入水体，进而影响水生态系统。美国环境保护署(u.s.epa)规定，饮用水中dq的最大残留量(mrl)为20 μg/l，欧盟(eu)没有明确规定这一含量，而是继续采用0.1μg/l的最大残留量值。研究发现，低剂量的dq可能对人类健康构成一定的风险，包括潜在的致癌风险。并且dq可能在农作物中留下残留，尽管我国规定了dq在苹果中的mrl为0.1mg/kg，但长期摄入这些残留物可能对人类健康产生影响。因此，dq所带来的这些危害引起了人们广泛关注，我们的策略是通过以上方案来实现dq的快速检测和预防。

4、基于以上设想，我们将罗丹明b（rhb）封装到zn-mof的骨架中，制备出比率荧光传感器(rhb@zn-mof)。依靠rhb@zn-mof呈现出的双发射特性，对自来水和苹果样品中的dq进行检测，实现现场实时快速检测。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于染料封装zn-mof的比率荧光传感器的制备方法，将rhb封装到zn-mof的骨架中，制备出比率荧光传感器(rhb@zn-mof)。rhb@zn-mof呈现出双发射特性，对dq检测具有比率荧光响应和低检测限，可应用于自来水和苹果样品中dq的检测。

2、一、zn-mof和rhb@zn-mof的制备

3、zn-mof：将4,4',4''-[1,3,5]三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸（h3tatb）、1,4-双((1h-咪唑-1-基)甲基)苯（bimb）和zncl2共溶于乙醇和水的混合溶剂中，超声混合均匀，置于85~100℃环境下保温48~96h，以8~12℃/h的速率冷却至室温，洗涤，干燥。

4、4,4',4''-[1,3,5]三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸与1,4-双((1h-咪唑-1-基)甲基)苯的摩尔比为1：1；4,4',4''-[1,3,5]三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸与zncl2的摩尔比为1：1.5。

5、rhb@zn-mof：将罗丹明b（rhb）、4,4',4''-[1,3,5]三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸（h3tatb）、1,4-双((1h-咪唑-1-基)甲基)苯（bimb）和zncl2共溶于乙醇和水的混合溶剂中，超声混合均匀，置于85~100℃环境下保温48~96h，以8~12℃/h的速率冷却至室温，洗涤，干燥。

6、罗丹明b与4,4',4''-[1,3,5]三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸的摩尔比为1：1~5：1，优选为2.5：1。4,4',4''-[1,3,5]三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸与1,4-双((1h-咪唑-1-基)甲基)苯的摩尔比为0.3：1~3：1，优选为1：1。4,4',4''-[1,3,5]三嗪-2,4,6-三基-三苯甲酸与zncl2的摩尔比为0.3：3 ~ 3：0.3，优选为1：1.5。

7、混合溶剂中乙醇和水的体积比为1：1~2：1。

8、二、zn-mof和rhb@zn-mof的表征

9、首先对zn-mof进行单晶x射线衍射，晶体学数据见表1，结构见图1。

10、表1 zn-mof的晶体数据和结构细化

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12、单晶x射线衍射数据表明zn-mof(ccdc：2340856)是一个三维框架，在 pī空间群呈三斜晶系结晶。如图1所示，zn-mof的不对称结构单元包含1个zn(ⅱ)中心、1个部分去质子化的htatb配体、1个bimb配体和1个晶格水分子，其中zn原子与2个h3tatb配体中的2个氧原子和2个bimb配体中的2个氮原子进行四配位，形成扭曲的四面体几何构型。zn原子由2个h3tatb配体和2个bimb配体侨联，形成尺寸约为13.955 × 14.593 å的大窗口。每个层之间通过三嗪环和苯环、苯环和苯环之间的π-π相互作用相互堆叠在一起，形成稳定的2d超分子双层，各个层之间的距离分别为3.613å、3.554 å和7.373å。进一步通过层间各个苯环和三嗪环、苯环之间强烈的π-π相互作用堆积在一起，形成3d超分子网格。

13、为了验证zn-mof和rhb@zn-mof的晶相对它们进行了pxrd分析和ft-ir光谱分析。如图2a所示，rhb@zn-mof的pxrd图案与zn-mof保持一致，表明rhb的引入没有破坏zn-mof的骨架并且晶相完好。如图2b所示，zn-mof和rhb@zn-mof的特征峰位置保持一致，表明rhb很好的被封装在zn-mof的骨架中。

14、通过热重实验研究了zn-mof和rhb@zn-mof的热稳定性。如图3a所示，zn-mof在362℃前有一个较小的重量损失，表明其热稳定性良好，为rhb封装奠定了稳定性基础。封装之后，rhb@zn-mof的热稳定性稍有减弱，但在326℃下，也能说明其稳定性良好（图3b）。

15、通过扫描电子显微镜研究了zn-mof和rhb@zn-mof的形貌。图4a-4d显示了zn-mof的sem图像，尺寸约为3 μm的平行六面体形貌。合成的rhb@zn-mof的形貌相较于zn-mof略有变化。eds图像显示了c、n、o、zn四个元素的均匀分布，表明复合材料rhb@zn-mof的成功合成(图4e-4i)。

16、通过xps研究了zn-mof和rhb@zn-mof的表面元素组成和化学状态。图5a为zn-mof和rhb@zn-mof的xps总谱，其中rhb@zn-mof的峰位于1021.08 ev、286.08ev、401.08ev和531.08ev，分别归因于zn 2p、c 1s、n 1s和o 1s峰。zn 2p的高分辨率光谱在1044.61ev和1021.64ev处有两个峰，分别对应于zn 2p1/2和zn 2p3/2(图5b)。图5c为zn-mof和rhb@zn-mof的c 1s高分辨率光谱，284.26 ev、286.00ev和287.84ev处的三个峰分别归因于c-c/c=c、c-n/c-o和c=o键。与zn-mof相比，rhb@zn-mof的c=o键向高波数方向移动，表明了zn-mof与rhb成功结合。关于n 1s高分辨率光谱在400.46ev和398.45ev处显示两个峰(图5d)。400.46ev处的弱峰归因于rhb中的n-h基团，398.45ev处的强峰归因于rhb中的c-n键。图5e为zn-mof和rhb@zn-mof的o 1s高分辨率光谱，530.99 ev处的峰来自zn-mof和rhb的c-o和c=o键。在xps总谱中没有观察到rhb@zn-mof的新结合能峰，因此排除了zn-mof与rhb之间形成新化学键的可能性。xps也证实了rhb@zn-mof中元素的原子百分率，zn 2p、c 1s、n 1s和o 1s的原子百分率分别为2.05%、73.3%、11.46%和12.54%，这些结果与eds结果一致。同样，我们发现rhb负载前后，元素的原子百分率几乎没有发生太大变化，表明rhb@zn-mof的成功合成。研究结果表明，rhb负载之后的zn-mof具有更丰富的化学识别位点，为dq的监测奠定了基础。

17、三、zn-mof和rhb@zn-mof的发光特性

18、首先，在310 nm激发波长下测试了zn-mof和rhb@zn-mof的固态和液态发射光谱。如图6a-b所示，zn-mof的主要发射波长为352 nm，显示出单发射状态。水溶液中rhb的发射峰在580 nm处，而固体rhb几乎不显示荧光。正如所设计的那样，将rhb负载到zn-mof的骨架中后，rhb@zn-mof的荧光光谱显示出双发射特性。rhb@zn-mof最大发射峰位于356 nm处，归因于zn-mof骨架中配体的发射；较低的发射峰位于580nm处，归因于rhb的发射。与配体h3tatb的发射峰相比，zn-mof和rhb@zn-mof的发射峰发生大约50 nm的蓝移，这可能是由于配体h3tatb和zn(ⅱ)中心之间的电荷转移引起。rhb@zn-mof之所以出现了rhb的发射带是因为zn-mof的骨架限制了rhb因聚集而引起的淬灭。与zn-mof相比，rhb@zn-mof的发射带有轻微的变化，这主要是由于复合材料在形成过程中rhb和zn-mof之间的相互作用所致。为了验证rhb@zn-mof的发光机制，研究了rhb和zn-mof的光谱性质。如图6c-d示，rhb的吸收光谱和zn-mof的宽发射光谱显著重叠，表明它们之间存在fret。此外，rhb@zn-mof在285 nm处存在与zn-mof对应的吸收峰，这主要归因于苯环的π-π*电子跃迁。

19、为了阐明rhb@zn-mof作为dq的双发射传感平台的可行性，研究了rhb、zn-mof以及复合材料rhb@zn-mof作为dq传感平台的荧光信号变化。如图7a所示，添加dq前后，rhb的荧光强度有轻微的减弱，可以作为dq监测的参考信号。在310 nm激发波长下，添加dq后，zn-mof在352 nm处的荧光强度逐渐增强，这使得zn-mof成为用于dq检测的“on”型荧光传感器(图7b)。为了证实这一结果，将dq添加到复合材料rhb@zn-mof中，并观察它的荧光信号变化(图7c)。实验数据表明，随着zn-mof处的荧光强度逐渐增强，rhb处的荧光强度逐渐减弱，成功验证了rhb@zn-mof作为dq的双发射传感平台的可行性。

20、四、rhb@zn-mof的dq传感研究

21、1、dq传感特性研究

22、考虑到rhb@zn-mof的双发射特性及其作为传感器的潜力，探索了rhb@zn-mof对农业中常见农药的传感能力。我们选取了10种农药、4种离子和5种氨基酸水溶液(10-2m)分别分散到rhb@zn-mof水溶液中，超声处理30min，形成均匀的悬浮液(0.4 mg.ml-1)。将356 nm和580 nm处的荧光强度比值( i356/ i580)作为荧光信号来实现这些物质的比率检测。从图8a可知，除了农药dq，rhb@zn-mof检测其他物质的比率荧光强度几乎保持不变。在相同检测条件下，dq的添加使 i356/ i580比值比原始的rhb@zn-mof提高了约3.5倍，而在其他干扰物质存在下 i356/ i580比值几乎保持不变。研究结果均表明了rhb@zn-mof可以比率荧光检测dq。

23、检测限是衡量荧光传感器的重要指标之一。为了监测rhb@zn-mof对dq的灵敏度，进行了荧光滴定实验。如图8b所示，随着dq浓度的增加，处于356 nm处的荧光强度逐渐增加，而580nm处的荧光强度逐渐降低，彰显了rhb@zn-mof作为比率荧光传感器的能力。在356nm紫外灯下，rhb@zn-mof显示了从橙色到蓝色的荧光颜色变化，与cie坐标图保持一致(图8c)。 i356/ i580比值与dq浓度之间的比值关系可以用方程 i356/ i580= 0.02854[dq]+0.90874 ( r2= 0.983)来解释。根据方程 lod= 3 σ/ k(其中3为99%置信水平下的因子， σ为空白溶液重复检测的标准差， k为校准曲线的斜率)，计算出最低检测限为10.5nm(图8d)。这7种选定的农药常被用作农作物生长调节剂、杀虫剂、除草剂和抗菌剂，并且其作为干扰物质会显著影响dq测定的准确性。因此，探究了rhb@zn-mof在常见干扰物质存在下对dq的荧光响应，以说明rhb@zn-mof对dq的特异性识别。由图8e可知，干扰物质几乎不影响dq淬灭rhb@zn-mof的荧光强度，表明该传感器对dq具有出色的选择性与抗干扰性。

24、由于rhb@zn-mof的荧光强度变化主要是zn-mof和dq之间的相互作用引起，我们选取zn-mof为传感器来监测对dq的传感能力。随着dq浓度的增加，zn-mof的荧光强度逐渐增强(图9a)。根据它们之间保持良好的线性关系( r2= 0.992)，计算出 lod为16.9nm(图9b)。研究结果表明，将rhb封装在zn-mof的骨架中会大幅度提高对dq的灵敏度。相较于其他检测dq的荧光传感器，本发明提出的rhb@zn-mof具有更好的选择性、更低的检测限和更高的灵敏度。

25、为了获得更好的检测结果，对rhb的负载量进行了探究。将不同量的rhb负载到zn-mof的框架中，制备了具有双发射特性的三种复合材料。随着rhb含量的增加，发射峰位置又轻微的蓝移。负载量最大的复合材料的rhb发射带有较弱的强度，表明它们之间存在较弱的fret(图10a)。紫外可见吸收光谱也显示它们的吸收峰强度逐渐减弱(图10b)。其中，负载量最大的复合材料显示最低的吸收峰强度。考虑到dq的添加导致zn-mof的发射带逐渐增强，而rhb的发射带变化较弱，因此rhb的最佳负载量为0.01 mmol。

26、2、dq传感机理研究

27、为了探讨rhb@zn-mof对dq的可能传感机制，进行了实验分析。如图11a所示，在传感dq后，rhb@zn-mof的pxrd图谱与原始材料图谱几乎保持一致。首先排除了骨架坍塌引起的荧光“on-off”现象。如图11b所示，与rhb@zn-mof的ft-ir光谱相比，添加dq后rhb@zn-mof的ft-ir光谱没有新峰产生，也就没有产生新的官能团证明了没有产生新的络合物。在310nm激发下，与加入dq的rhb@zn-mof水溶液相比，dq水溶液的荧光强度可以忽略不计，排除了dq本身对机制的影响(图11c)。如图11d所示，添加dq后，rhb@zn-mof的荧光寿命几乎不变，表明其为静态淬灭过程。记录了rhb@zn-mof的激发光谱、发射光谱和dq的吸收光谱(图11e)。dq的吸收峰与rhb@zn-mof的激发峰明显重叠，验证了dq可以吸收tb(ⅲ)@1的激发光，从而降低rhb@zn-mof的总有效能，导致rhb@zn-mof的激发态能量减少，荧光淬灭，此行为主要是ife导致的。为了进一步探究其机理，研究了rhb@zn-mof和dq之间的相互作用及fret。从图8b可知，随着添加dq浓度的逐渐增加，在330~450 nm范围内的宽发射信号显著增强，证实了rhb@zn-mof和dq之间的分子间相互作用以及fret。这些结果表明，rhb@zn-mof检测dq的机制可能为ife、fret和静态淬灭的相互作用。

28、3、实际样品传感测试

29、使用自来水和苹果(中国甘肃)作为真实样品。给自来水样品(100 ml)中加入不同浓度的dq水溶液，过滤后直接检测。取适量苹果样品，研钵研碎后，置于烧杯中，加入20 ml去离子水用磁力搅拌器搅拌1h。将不同浓度的dq水溶液加入到样品的溶液中，用水稀释100倍，3000 rpm离心30 min。收集的上清液用0.22μm过滤膜过滤后直接检测。随后，使用本发明开发的rhb@zn-mof传感器对真实样品中dq残留量进行检测。结果如表2所示，

30、表2 实际样品中dq的测定

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32、由上表可知，在自来水样品中，dq的加标回收率为90.30-109.6%，rsd低于2.38%。苹果样品中，dq的加标回收率为89.22-110.30%，rsd低于1.87%。该方法检测到的dq水平较好，验证了基于该传感器检测方法的便捷性。

33、综上，本发明通过将rhb封装到zn-mof框架中构建了比率荧光传感器(rhb@zn-mof)，用于比率荧光检测dq。在dq存在下，zn-mof的荧光强度逐渐增强，rhb的荧光强度逐渐减弱，形成了“on-off”型比率荧光传感器。该传感器拥有自校准能力，避免了外界环境的干扰，有效提高了传感器的精度和准确度，应用于实际样品中dq的检测，其检测限低至10.5nm。基于以上优点，我们相信比率荧光传感器(rhb@zn-mof)在食品安全领域将会有更广阔的应用前景。