一種鋅金屬有機骨架（Zn-MOF）材料的熒光光譜法在食品Fe3＋檢測中的應用

劉 釗，馬德運，孫志會

（肇慶學院食品與制藥工程學院，廣東 肇慶 526061）

鐵元素是構成人體不可缺少的元素之一，它是構成血紅蛋白以及肌紅蛋白的主要成分[1]，可以幫助氧的運輸，還能促進脂肪的氧化[2]。當人體過多攝入或缺乏鐵時，會對人體的健康造成威脅，只有適量攝入鐵才會利于人體的健康。鐵都是以化合物的形式存在于各種食品中，人體需要的鐵主要來源于食物。食品中是否含鐵、鐵的含量高低是人們常關注的問題。鐵不僅對人體重要，對動植物同樣至關重要，鐵攝入不足將影響其生長發育，攝入過量將會引起中毒甚至死亡。因此，研究檢測食品中的鐵，辨別食品中是否含鐵將具有一定的重要意義。

目前，有關鐵的測定方法主要有乙二胺四乙酸滴定法、火焰原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法、電感耦合等離子體原子發射光譜法、分光光度法等[3]。研究新材料用于食品中Fe3+檢測的報道并不多，蘇圓[4]研究的金屬納米材料可以檢測Fe3+的含量，此方法具有快速檢測的功能，但納米材料的獲得相對比較復雜且成本高。本實驗研究的鋅金屬有機骨架（zinc-based metalorgaic framework，Zn-MOF）材料是一種新型材料的應用，也具有快速方便檢測的功能，可以高效地檢測出Fe3+，對Fe3+的定性起到促進作用。該材料合成方法及途徑[5-9]較為簡單，材料成本低。MOF材料是近十年出現的新型多孔物質[10-11]，是一個全新的物質領域，由一種金屬離子和有機配體通過分子自組裝而形成的一種具有周期性網絡構造的晶體材料[12]。該材料具有熒光性質、吸附性、磁性、導電性等[13-16]，擁有多方面的優點和用途，因而可以被應用于很多行業與領域[17-18]。MOF材料在能源、熒光傳感[19-20]、多相催化[21-23]、生物醫藥[24-25]、食品檢測等領域都展現出了廣闊的應用前景。本實驗采用熒光光譜法對新合成的材料進行探討，探討不同金屬離子對Zn-MOF材料的選擇敏感性，研究Fe3+對Zn-MOF材料的選擇性傳感功能。利用這一特點把材料作為Fe3+的熒光探針，可以快速、便捷、成本低地完成食品中Fe3+的定性檢測，為進一步研究精確檢測食品中Fe3+含量提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

安滿智孕寶奶粉 新西蘭恒天然集團；黑木耳、豬肝、紫菜 市購。

N,N-二甲基甲酰胺（N,N-dimethyl-formamide，DMF）（分析純） 天津市廣成化學試劑有限公司；2,5-呋喃二甲酸（分析純） 濟南恒化科技有限公司；六水硝酸鋅（分析純）、硫酸鐵銨（純度99.99%）上海阿拉丁生化科技股份有限公司；硝酸（優級純）廣州化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

F-7000熒光分光光度計 日立高新技術公司；D8 Advance X射線衍射儀 德國布魯克AXS有限公司；AA-7000原子吸收分光光度計 日本津島公司；D-GG9030BD型電熱恒溫鼓風干燥 上海森信實驗儀器有限公司；TM-505電子顯微鏡 漢江萬儀電子儀器有限公司；SXZ-5-12馬弗爐 上海賀德實驗設備廠。

1.3 方法

1.3.1 Zn-MOF材料的合成

參考Wang Jun等[26]MOF材料合成的方法。以2,5-呋喃二甲酸和六水硝酸鋅為原料，DMF為溶劑合成一種Zn-MOF材料（[(Me2NH2)2Zn3(fdc)4]n·DMA）。

1.3.2 Zn-MOF材料的熒光性能測試

取新合成好的Zn-MOF材料，研磨成粉末，稱取10 mg，裝入5 mL離心管中。量取2 mL DMF溶液，緩緩注入裝有Zn-MOF材料的5 mL離心管中，搖勻，靜置10 min，用熒光分光光度計進行熒光光譜測試[27-29]。

1.3.3 Fe3+對Zn-MOF材料選擇穩定性測定

利用粉末X-射線衍射儀進行檢測[30]。取食品中可能存在的16 種金屬離子（Cd2+、Cu2+、Cu+、Ag+、Bi3+、Pb2+、Sn2+、Ni2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Cr3+）分別與Zn-MOF材料進行等濃度（0.012 3 mol/L）混合，加入2 mL DMF溶液，搖勻，在DMF中浸泡24 h后抽濾、烘干，進行掃描。掃描條件為CuKα射線，管電壓40 kV，管電流40 mA，2θ以0.02°的步長從5°掃描到50°。

1.3.4 Fe3+對Zn-MOF材料選擇性傳感性測定

Zn-MOF材料對16 種金屬離子的熒光辨別能力，在與其相對應的溶劑中進行熒光測試。稱取等濃度（0.012 3 mol/L）Zn-MOF材料分別與16 種金屬離子（Cd2+、Cu2+、Cu+、Ag+、Bi3+、Pb2+、Sn2+、Ni2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Cr3+）混合，加入2 mL DMF于5 mL離心管中，搖勻，靜置10 min，進行熒光光譜掃描。

1.3.5 Fe3+濃度對Zn-MOF材料熒光強度的影響

進一步研究Zn-MOF材料對于Fe3+的淬滅能力，對其在不同Fe3+濃度[31]DMF溶液條件下的熒光光譜進行檢測。稱取該材料4 份，每份10 mg，分別裝于離心管中，用DMF配制濃度分別為10－2、10－3、10－4mol/L的Fe3+混懸液，將不同濃度的Fe3+混懸液分別加入到離心管中，其中一組不加Fe3+，為空白組。混合均勻，取配制好的混懸液2 mL加入離心管中，搖勻，靜置10 min，進行熒光光譜檢測。

1.3.6 Fe3+與Zn-MOF材料浸泡時間對材料熒光強度的影響

Fe3+與Zn-MOF材料在溶劑中浸泡時間不同，檢測熒光光譜，其強度會發生變化[32]。取一支裝有10 mg Zn-MOF材料的離心管，分別加入等濃度的Fe3+，再加入2 mL與其相對應的DMF，搖勻，靜置10 min，根據不同時間進行熒光光譜檢測。

1.3.7 混合金屬離子對Zn-MOF材料熒光強度的影響

驗證Fe3+在其他離子存在時，Zn-MOF材料對Fe3+是否具有識別作用，測定相同條件下共存離子的競爭性實驗[33]。稱取Zn-MOF材料16 份，每份10 mg，加入等濃度的Fe3+。再分別稱取等濃度（0.0123 mol/L）的金屬離子M+/2+/3+（Cd2+、Cu2+、Cu+、Ag+、Bi3+、Pb2+、Sn2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Cr3+），加入2 mL有機溶劑，搖勻，靜置10 min，進行熒光檢測。

1.3.8 含Fe3+的食品對Zn-MOF材料的熒光光譜檢測

驗證黑木耳、安滿智孕寶奶粉、豬肝、紫菜4 種含Fe3+食品對熒光強度的影響。先根據GB 5009.90—2016《食品中鐵的測定》中的火焰原子吸收光譜法測定各食品Fe3+的含量。分別稱取5 g樣品置于坩堝中，先加熱炭化至無煙，再置于550 ℃的馬弗爐中灰化5 h，用適量硝酸溶液溶解洗滌轉移至10 mL容量瓶定容后為樣品液，待用。分別取一支裝有10 mg Zn-MOF材料的離心管，加入1 mL樣品液，再加入2 mL的DMF，搖勻，靜置10 min，同時做空白，進行熒光光譜檢測。

1.4 數據處理

Zn-MOF材料的三維結構圖根據X-射線單晶衍射結果采用Daimond 3.0軟件進行繪制；熒光相關測試圖根據熒光光譜儀測試數據導出txt文檔后采用Origin 9.1軟件進行繪制；X-射線粉末衍射譜圖基于數據采用Origin 9.1軟件進行繪制。

2 結果與分析

2.1 Zn-MOF材料的合成結果

新材料為呈淡黃色不規則石頭狀透明晶體，X射線衍射表征譜圖可知，沿a軸和b軸具有6.17×7.85 ?2和10.07×7.76 ?2的孔徑大小。其三維結構圖如圖1所示。

圖1 合成Zn-MOF材料的三維結構圖Fig. 1 Three-dimensional structure of the new synthetic metal organic framework

2.2 Zn-MOF材料的熒光性能測試結果

圖2 熒光性能測試Fig. 2 Emission and excitation fluorescence spectra

如圖2所示，激發波長為340 nm，Zn-MOF材料在379 nm和398 nm波長處有2 個發射峰。在379 nm波長處的熒光發射可以理解為金屬到配體的電荷躍遷引起，在398 nm波長處的熒光發射峰較寬，可以理解為配體內部的電荷躍遷引起。通過熒光光譜測試說明Zn-MOF材料具有熒光性質。

2.3 Fe3+對Zn-MOF材料選擇穩定性測定結果

圖3 Zn-MOF材料與M＋/2＋/3＋在DMF中浸泡后的X-射線衍射譜圖Fig. 3 XRD patterns of Zn-MOF material and M+/2+/3+ in DMF

如圖3所示，衍射圖譜中空白組的峰位置和峰形均與通過單晶衍射數據模擬得到的結果恰好吻合，表明該Zn-MOF材料為純凈的單相。當該Zn-MOF材料加入Fe3+及其他金屬離子時，經有機溶劑處理后材料的特征峰位置與空白組的特征峰位置基本吻合，并且特征峰仍基本保持完整，說明經過Fe3+及其他金屬離子、有機溶劑處理后的材料仍具有穩定的結構。

2.4 Fe3+對Zn-MOF材料選擇傳感性測定結果

圖4 選擇性熒光圖譜Fig. 4 Selective fluorescence profiles

由圖4可以看出，峰的形狀沒有變化，金屬離子的加入只會影響Zn-MOF材料熒光譜圖中峰的高度。結果表明，在同種溶劑對不同金屬離子顯現出差異性的熒光影響，與空白圖譜相比，有3 組圖譜峰的強度增強，部分金屬離子出現了與空白譜圖特征峰幾乎一樣的高度，大部分會出現抑制現象。該材料與Fe3+接觸后，熒光強度有明顯減弱，并且Fe3+的作用尤其明顯，熒光強度幾乎接近于零，即Fe3+引起了Zn-MOF材料熒光強度的淬滅現象。引起淬滅的機理為Zn-MOF材料與Fe3+接觸之前，熒光體激發態能量足以氧化受體，發生由受體到熒光體的電子轉移，當Fe3+與Zn-MOF結合，此時體系的熒光淬滅。從而可以看出Fe3+的加入影響了峰的高度，但是沒有影響峰的形狀，說明Zn-MOF材料的結構沒有被破壞，且穩定，受Fe3+的影響較明顯，Zn-MOF材料對Fe3+具有選擇性傳感。

2.5 Fe3+濃度對Zn-MOF材料熒光強度的影響

圖5 不同濃度Fe3＋與Zn-MOF材料接觸的熒光圖譜Fig. 5 Fluorescence spectra of Zn-MOF exposed to different Fe3+ concentrations

由圖5可知，隨著Fe3+濃度的增加，對Zn-MOF材料熒光強度的抑制作用越來越強，在Fe3+濃度達到10－2mol/L時，熒光強度接近于零，Zn-MOF材料的熒光基本完全被淬滅，在Fe3+濃度達到10－4mol/L時，熒光強度幾乎和空白組的熒光強度一致，被淬滅的不明顯。通過實驗驗證了Zn-MOF材料對不同Fe3+濃度的響應能力，Zn-MOF材料的熒光強度與DMF中Fe3+含量具有明顯的依賴關系。隨著Fe3+濃度的增加，Zn-MOF材料的發光強度呈下降趨勢，為了明顯看出Zn-MOF材料的熒光淬滅效果，可將Fe3+濃度配制為10－2mol/L為宜。

2.6 Fe3+與Zn-MOF材料浸泡時間對材料熒光強度的影響

圖6 浸泡時間對材料熒光強度的影響Fig. 6 Effect of soaking time of fluorescence properties of Zn-MOF

如圖6所示，Fe3+在5 min時與Zn-MOF材料的反應時間不夠充分檢測的熒光強度較強，在10 min至4 h內檢測的熒光強度變化不明顯淬滅效果比較穩定，在4 h處熒光強度最弱，淬滅效果最好，隨著時間的延長，4 h后熒光淬滅開始減弱，熒光強度開始增強。在第72小時，Fe3+熒光強度很強，淬滅程度很低，由于該材料與Fe3+浸泡時間過長，發光集團失效，導致出現淬滅程度不明顯的現象。

2.7 混合金屬離子對Zn-MOF材料熒光強度的影響

圖7 Zn-MOF材料對Fe3＋的選擇性Fig. 7 Selectivity of Zn-MOF for Fe3+

如圖7所示，盡管有其他干擾離子的存在，Fe3+的加入依舊可以有效淬滅其熒光，其熒光強度的變化反映出Zn-MOF材料對Fe3+顯示特有的識別選擇性，加入的金屬離子不會影響到Fe3+的檢測。使用熒光探針法檢測Fe3+時，Zn-MOF材料檢驗是不受其他干擾離子的影響，顯示出Zn-MOF材料對Fe3+特有的熒光淬滅作用。

2.8 含Fe3+的食品對Zn-MOF材料的熒光光譜檢測結果

表1 國標法檢測樣品中的Fe3＋含量Table 1 Determination of Fe3+ in food samples by the national standard method

圖8 熒光光譜檢測圖Fig. 8 Fluorescence spectra for food samples

由表1可知，4 種樣品采用國標法檢測，Fe3+的含量依次為黑木耳＞紫菜＞豬肝＞安滿智孕寶奶粉，且樣品配制的濃度在10－3mol/L的微量濃度內。如圖8所示，熒光光譜檢測表明，經Zn-MOF材料處理后的樣品發生淬滅，而且淬滅明顯，食品中Fe3+的含量越大淬滅效果越明顯，黑木耳淬滅的程度最大，紫菜其次，二者幾乎重疊且熒光強度向零接近。豬肝和安滿奶粉相對較弱但與空白相比仍有較好的淬滅效果。因此，經Zn-MOF材料處理的食品用熒光光譜法可以便捷、靈敏地檢測出食品中的Fe3+。

3 結 論

鋅離子屬于具有熒光特性的d10電子組態，通過與有機羧酸配體形成配合物后的材料由于存在配體至金屬電荷轉移現象而具有熒光特性，可應用于光致發光材料、熒光探針材料等領域。本實驗以已報道的基于2,5-呋喃二甲酸和鋅離子在DMF溶劑中合成的Zn-MOF材料，材料具有很好的熱穩定性（穩定到400 ℃）和水溶液穩定性。熒光光譜結果顯示，在波長340 nm激發條件下，該材料在379 nm和398 nm波長處有2 個很強的發射峰，實驗結果顯示，材料對Fe3+具有選擇性傳感，即Fe3+能令材料的熒光強度淬滅，相比之下，其他金屬離子對該材料的熒光強度影響不明顯。分別考察Fe3+濃度、Fe3+與Zn-MOF材料浸泡時間以及混合金屬離子對材料熒光強度的影響，結果顯示，材料對Fe3+具有較高的靈敏度和選擇性。考察該材料用于食品Fe3+的檢測，結果表明，用Zn-MOF材料處理過的食品通過熒光光譜法可以便捷、靈敏地檢測出食品中的Fe3+。因此，該Zn-MOF材料可以作為熒光探針為進一步研究精確測定Fe3+的含量提供參考。