富電子LMOF對有機(jī)農(nóng)藥的檢測機(jī)理研究

狄玲，陳放，付榮榮，楊辰，邢楊，王曉寧

（遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001）

引 言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)很大程度上依賴農(nóng)藥以控制農(nóng)作物昆蟲、真菌、細(xì)菌及雜草等[1-2]。農(nóng)藥的大量施用顯著地提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，但隨著施用范圍和施用量不斷提高，大量的農(nóng)藥進(jìn)入土壤、水體、大氣，并對生態(tài)環(huán)境及人類健康構(gòu)成危害[3-4]。基于此，農(nóng)藥分析檢測成為了分析化學(xué)及環(huán)境檢測等領(lǐng)域的重要研究課題[5-8]。目前利用氣相色譜及高效液相色譜等檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境樣品中的殘留農(nóng)藥的檢測[9-12]，但這些檢測方法存在樣品制備煩瑣、耗時長、檢測成本高、儀器便攜性差等弊端[13]。因此，開發(fā)快速、經(jīng)濟(jì)、高效的有機(jī)農(nóng)藥檢測技術(shù)是既有基礎(chǔ)科研意義又具實(shí)際應(yīng)用價值的研究課題[14]。

熒光檢測法具有高靈敏度和高選擇性等優(yōu)點(diǎn)，在分子檢測及熒光傳感等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其核心是利用理化性質(zhì)優(yōu)異的熒光探針完成對分析物的定量檢測[15-16]。作為性能優(yōu)異的熒光探針，發(fā)光金屬有機(jī)骨架(luminescent metal-organic frameworks，LMOFs)的合成簡便，而且骨架結(jié)構(gòu)、體系電荷及孔徑可調(diào)控，能滿足不同尺寸分析物分子的吸附及檢測[17-22]。基于LMOFs 的熒光檢測技術(shù)利用分析物與LMOFs 的相互作用引起后者發(fā)光性質(zhì)變化的原理實(shí)現(xiàn)對分析物的檢測。熒光強(qiáng)度或發(fā)射波長的變化與LMOFs 及分析物之間的電荷轉(zhuǎn)移及能量轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，這種檢測技術(shù)具有操作簡便、響應(yīng)速度快、靈敏度高等顯著優(yōu)勢[23-28]。

富電子LMOFs 孔道無穿插結(jié)構(gòu)、孔徑靈活可控，近年來受到廣泛關(guān)注[29-30]。過渡金屬Zn(Ⅱ)離子構(gòu)筑的LMOFs 通常具有豐富的配位構(gòu)型及優(yōu)異的發(fā)光性能[31-32]。本文以1 例Zn(Ⅱ)離子構(gòu)筑的富電子LMOF (LMOF-a)作為熒光探針檢測有機(jī)農(nóng)藥除草醚(nitrofen, NF)、氟樂靈(trifluralin, TFL)、百菌清(chlorothalonil,CTL)及2,6-二氯-4-硝基苯胺(DCN)，通過密度泛函理論(density functional theory,DFT)計(jì)算有機(jī)配體及農(nóng)藥分子的前沿軌道能級、考察電子云分布，并結(jié)合光譜性質(zhì)研究檢測機(jī)理、計(jì)算檢測效率及最低檢測限，為開發(fā)新型有機(jī)農(nóng)藥檢測技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)及理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

三聚氯氰、2-氨基對苯二甲酸、4-氨基苯甲酸、氫氧化鈉、鹽酸、碳酸氫鈉、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、六水合硝酸鋅Zn(NO3)2?6H2O 均為分析純試劑，購于國藥試劑公司；有機(jī)農(nóng)藥CTL、NF、TFL及DCN為分析純試劑，購于阿拉丁試劑公司。

SMART APEX II CCD X 射線單晶衍射儀，200(2)K，鉬靶Mo-Kα射線(λ=0.071073 nm)，德國Bruker公司，SMART 及SAINT 程序收集衍射數(shù)據(jù)；SU8010場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司；D8 Advance PXRD 衍射儀，最大輸出功率3 kW，掃描2θ為3°～50°，德國Bruker 公司；Cary G9800A 熒光光譜儀，安捷倫儀器公司，激發(fā)及發(fā)射狹縫寬度分別為10 nm 及5 nm。DFT 計(jì)算采用高性能計(jì)算化學(xué)服務(wù)平臺(雙路XEON E5-2686 v4，18×2 核心)。構(gòu)型繪制及波函數(shù)分析GaussView 6、Multiwfn 3.6、VMD 1.9.3；DFT計(jì)算Gaussian 16 A03；泛函和基組分別為B3LYP及6-31G**。

1.2 樣品制備與檢測

1.2.1 LMOF-a 的合成 (1)有機(jī)配體的合成[33]：將2-氨基對苯二甲酸(5.0 mmol, 0.90 g)、NaHCO3(5.0 mmol,0.42 g)以及NaOH(10.0 mmol,0.40 g)溶于去離子水(50 ml)；將三聚氯氰(2.5 mmol,0.46 g)溶于丙酮(40 ml)；5°C 下將上述配制的水及丙酮溶液混合均勻，并將所得混合溶液于50°C 下攪拌反應(yīng)6 h。反應(yīng)液經(jīng)過濾、乙醇洗滌并干燥后得中間產(chǎn)物(1.28 g)，白色粉末，產(chǎn)率91.4%。將中間產(chǎn)物(5 mmol,2.81 g)及NaOH (20 mmol, 0.80 g)溶于去離子水(80 ml)；再將4-氨基苯甲酸(5.0 mmol,0.69 g)及NaHCO3(5.0 mmol, 0.42 g)溶于上述水溶液，回流反應(yīng)20 h。反應(yīng)液經(jīng)過濾、乙醇洗滌并酸化后，得有機(jī)配體[2.28 g, 圖1(a)]，為黃色粉末，產(chǎn)率79.6%。1H NMR(400 MHz,DMSO) δ 13.02 (s,5H)、10.81 (s,2H,)、8.09(d, 2H, J = 3.6 Hz)、7.90 (d, 4H, J = 7.8 Hz)、7.59 (d,2H, J = 3.6 Hz)、3.35 (s, 3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO) δ 168.9、167.2、167.0、165.1、164.3、144.3、140.8、136.1、132.2、130.2、123.9、118.0。高分辨質(zhì)譜(EI源):理論值574.1084,實(shí)測值574.1069。

(2) LMOF-a，(Me2NH2)[Zn2(L)]·3.5DMF 的合成：將有機(jī)配體(2.0 mmol, 11.5 mg)及Zn(NO3)2?6H2O(0.02 mmol,5.9 mg)溶于DMF/H2O (2.5 ml，體積比5∶1)混合溶劑，攪拌5 min 后將溶液轉(zhuǎn)移至耐壓瓶(30 ml)中，于115°C下反應(yīng)24 h。將反應(yīng)液冷卻至室溫，過濾后得到LMOF-a (12.4 mg)，無色多面體單晶[圖1(b)]，產(chǎn)率61.8%。元素分析理論值[%(atom)]：C 46.14, H 4.58, N 14.68；實(shí)測值[%(atom)]：C 45.82, H 4.50,N 14.89。晶胞參數(shù)[26]：a=16.7533(3),b=17.1585(3),c=21.5052(5)；α=90°,β=90°,γ=90°。

1.2.2 懸濁液的制備 將LMOF-a 于55°C 真空干燥2 h，去除客體分子，隨后于室溫下研磨成細(xì)粉備用；取10.0 mg LMOF-a 細(xì)粉加入10 ml 的DMF 中，超聲處理5 h 后，靜置1 h，重復(fù)操作3 次，形成均一穩(wěn)定的懸濁液。經(jīng)檢驗(yàn)，LMOF-a 懸濁液的發(fā)光強(qiáng)度在0.5 h 內(nèi)未見明顯下降，具有可靠的穩(wěn)定性，滿足熒光檢測要求。

1.2.3 熒光檢測方法 取2.0 ml上述懸濁液加入熒光比色皿并測定初始熒光強(qiáng)度，隨后向比色皿中加入相應(yīng)濃度的有機(jī)農(nóng)藥，測定相應(yīng)的熒光強(qiáng)度。激發(fā)波長為360 nm，激發(fā)/發(fā)射狹縫寬度為10/5 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)、多晶粉末衍射及紅外光譜

圖2為LMOF-a的PXRD 譜圖、紅外光譜及有機(jī)配體的紅外光譜。如圖2(a)所示，LMOF-a 的理論及實(shí)測PXRD 譜圖衍射峰位置相符且具有尖銳的出峰峰形，表明LMOF-a具有良好純度及結(jié)晶性。如圖2(b)所示，LMOF-a 中羧基的對稱伸縮振動數(shù)值為1581 cm-1、非對稱伸縮振動數(shù)值為1403 cm-1、對稱伸縮振動與非對稱伸縮振動的差值(Δν)為178 cm-1；而1700 cm-1處無明顯吸收峰，說明LMOF-a 中羧基的主要存在方式為雙齒配位且無游離的羧基。

2.2 有機(jī)農(nóng)藥的熒光檢測

圖3(a)為有機(jī)農(nóng)藥草甘膦(GPHS)、毒死婢(CPR)、三唑磷(TZP)、CTL、NF、TFL 及DCN 的分子結(jié)構(gòu)。圖3(b)為LMOF-a對7種有機(jī)農(nóng)藥的熒光響應(yīng)。

首先，向LMOF-a 懸濁液中分別加入GPHS、CPR、TZP、CTL、NF、TFL 及DCN(每種農(nóng)藥的濃度分別有2.0、6.0、10.0 mmol/L 三種)，考察LMOF-a 對7種有機(jī)農(nóng)藥的熒光響應(yīng)。如圖3(b)，隨著加入濃度的提高，有機(jī)磷農(nóng)藥GPHS、CPR 及TZP 對LMOF-a熒光的淬滅效果不明顯，而缺電子有機(jī)農(nóng)藥CTL、NF、TFL 及DCN 對LMOF-a 的熒光有明顯的淬滅效果。加入濃度為2.0 mmol/L 時，CTL、NF、TFL 及DCN 使LMOF-a 的熒光強(qiáng)度相應(yīng)地下降了40.4%、47.8%、95.9%及99.6%。這是由LMOF-a 的富電子骨架與缺電子有機(jī)農(nóng)藥的電荷轉(zhuǎn)移作用導(dǎo)致的[26]。

圖4 為LMOF-a 對有機(jī) 農(nóng)藥CTL、NF、TFL 及DCN 的濃度分辨熒光響應(yīng)。如圖4 所示，未加入有機(jī)農(nóng)藥時，LMOF-a 的懸濁液發(fā)射強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，色坐標(biāo)為(0.15,0.11)，最大發(fā)射波長位于429 nm，熒光強(qiáng)度為807。隨著有機(jī)農(nóng)藥加入量的提高，LMOF-a 的熒光強(qiáng)度迅速降低；向LMOF-a 懸濁液中分別加入0.10 mmol/L CTL、NF、TFL 及DCN 可使熒光強(qiáng)度分別降低13.8%、13.7%、25.1%及23.4%。加入3.00 mmol/L TFL，熒光強(qiáng)度下降達(dá)99.0%；加入2.00 mmol/L DCN，熒光強(qiáng)度下降達(dá)99.6%。值得注意地，加入TFL 后，LMOF-a 的最大發(fā)射波長紅移至494 nm，這種紅移現(xiàn)象可能是由TFL 的三氟甲基與有機(jī)配體的氫鍵(X—H…F)導(dǎo)致的[34]。

圖5 為 有 機(jī) 農(nóng) 藥NF、CTL、TFL 及DCN 對LMOF-a 的熒光淬滅效率(QE)柱狀圖。如圖5所示，選取了5 個濃度點(diǎn)考察了4 種有機(jī)農(nóng)藥對LMOF-a的QE。加入量為0.20 mmol/L 時，CTL、NF、TFL 及DCN 對LMOF-a 的QE 分別為16.5%、20.6%、37.9%及52.2%。隨著加入量的提高，4 種有機(jī)農(nóng)藥對LMOF-a的QE逐漸提高，當(dāng)加入量達(dá)到1.00 mmol/L時，CTL、NF、TFL 及DCN 對LMOF-a 的QE 分別達(dá)33.2%、36.2%、85.8% 及94.9%。4 種有機(jī)農(nóng)藥對LMOF-a 熒光淬滅效率的順序?yàn)椋篋CN＞TFL＞NF＞CTL。

2.3 密度泛函理論計(jì)算

圖1 有機(jī)配體的結(jié)構(gòu)(a)；LMOF-a的掃描電鏡圖(b)；LMOF-a中雙核Zn(Ⅱ)(c)、有機(jī)配體(d)的配位環(huán)境；LMOF-a的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(e)Fig.1 Structure of organic ligand(a);SEM image of LMOF-a(b);the coordination environments of binuclear Zn(Ⅱ)center(c)and the organic ligand(d)in LMOF-a;topological structure of LMOF-a(e)

圖2 LMOF-a的理論及實(shí)測PXRD譜圖(a);有機(jī)配體及LMOF-a的紅外光譜(b)Fig.2 Theoretical and experimental PXRD spectra of LMOF-a(a);FT-IR spectra of organic ligand and LMOF-a(b)

圖3 有機(jī)農(nóng)藥GPHS、CPR、TZP、CTL、NF、TFL及DCN的結(jié)構(gòu)(a)；2.0、6.0及10.0 mmol/L加入濃度下LMOF-a對7種有機(jī)農(nóng)藥的熒光響應(yīng)(b)Fig.3 Structures of organic pesticides GPHS,CPR,TZP,CTL,NF,TFL and DCN(a);fluorescent responses of LMOF-a to seven organic pesticides with addition concentration of 2.0,6.0 and 10.0 mmol/L(b)

圖4 LMOF-a對有機(jī)農(nóng)藥的濃度分辨熒光響應(yīng)Fig.4 Concentration-dependent fluorescence responses of LMOF-a to organic pesticides

圖5 有機(jī)農(nóng)藥NF、CTL、TFL及DCN對LMOF-a的熒光淬滅效率Fig.5 Fluorescence quenching efficiency histograms of organic pesticides NF,CTL,TFL,and DCN to LMOF-a

LMOF 吸收能量形成激發(fā)態(tài)，通過電荷轉(zhuǎn)移作用，LMOF 的LUMO 與分析物的LUMO 發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，LMOF 的激發(fā)態(tài)能量通過分析物以非輻射形式釋放并導(dǎo)致LMOF 發(fā)生熒光淬滅[35]。通常LMOF 與分析物發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移要求分析物的LUMO能級要小于或接近LMOF 有機(jī)配體的LUMO 能級；而電荷轉(zhuǎn)移程度通常由二者的LUMO能級差決定，差值越大，電荷轉(zhuǎn)移程度越大[36]。通過DFT計(jì)算了有機(jī)配體及有機(jī)農(nóng)藥CTL、NF、TFL 及DCN 的HOMO 及LUMO能級。圖6為配體及有機(jī)農(nóng)藥的前沿軌道數(shù)據(jù)及電子云等值面。如圖6 所示，有機(jī)配體的HOMO 主要由4-氨基苯甲酸單元提供，部分由三嗪環(huán)提供，而其LUMO 主要由1 個對苯二甲酸單元提供，部分由三嗪環(huán)提供，因此配體的電荷轉(zhuǎn)移躍遷形成了LMOF-a 的 激 發(fā) 態(tài)。有 機(jī) 配 體、CTL、NF、TFL 及DCN 的LUMO 能級分別為-2.327、-3.015、-2.335、-2.962 及-2.406 eV。4 種有機(jī)農(nóng)藥的LUMO 能級均低于有機(jī)配體，因此CTL、NF、TFL 及DCN 與LMOFa 均存在電荷轉(zhuǎn)移作用。有機(jī)配體與CTL、NF、TFL及DCN 的LUMO 能級差分別為0.688、0.008、0.635及0.079 eV，因此有機(jī)配體與CTL 的電荷轉(zhuǎn)移程度最大。

2.4 光譜分析

圖7為有機(jī)農(nóng)藥CTL、NF、TFL 及DCN 的吸收光譜與LMOF-a熒光光譜的交疊。熒光共振能量轉(zhuǎn)移作用(FRET)為熒光的再吸收過程。FRET 的效率通常取決于LMOF的發(fā)射光譜與分析物吸收光譜的交疊程度，交疊越大，F(xiàn)RET 效率越高[37]。如圖7 所示，LMOF-a 的熒光光譜與有機(jī)農(nóng)藥CTL、TFL 及DCN的紫外/可見吸收光譜均有不同程度的交疊，而與NF 幾乎無交疊，因此LMOF-a 與CTL、TFL 及DCN存在FRET 作用，而與NF 幾乎不存在FRET 作用。基于以上研究，LMOF-a 對CTL、TFL 及DCN 的檢測機(jī)理同時包括電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理及FRET 機(jī)理；而對NF的檢測機(jī)理為電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理。

2.5 LMOF-a對有機(jī)農(nóng)藥的檢測效率

LMOF 的熒光淬滅屬于動態(tài)淬滅過程。Stern-Volmer 方程[式(1)]可用于擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算檢測效率[38]。

式中，I0為LMOF-a的初始熒光強(qiáng)度；I為加入相應(yīng)濃度有機(jī)農(nóng)藥后的熒光強(qiáng)度；f1及f2為擬合曲線的線性分布，用來描繪曲線的彎曲程度，f1+f2=1；C為有機(jī)農(nóng)藥的濃度,mmol/L；KSV為LMOF-a 對有機(jī)農(nóng)藥的檢測效率,L/mmol。

圖6 配體及有機(jī)農(nóng)藥的電子云等值面分布(0.02 a.u.)及前沿分子軌道能級(1 a.u.=27.2114 eV)Fig.6 Electron density isosurfaces(0.02 a.u.)and energy levels of frontier molecular orbitals of the ligand and organic pesticides

圖7 有機(jī)農(nóng)藥CTL、NF、TFL及DCN的紫外可見光譜與LMOF-a的熒光光譜的交疊Fig.7 Overlaps between UV-vis spectra of organic pesticides CTL,NF,TFL,DCN and fluorescent spectrum of LMOF-a

根據(jù)式(1)得到LMOF-a 對有機(jī)農(nóng)藥CTL、NF、TFL 及DCN 的KSV值 分 別 為(0.322±0.035) L/mmol、(0.335±0.015 )L/mmol、(3.025±0.156) L/mmol 及(4.778±0.590) L/mmol。LMOF-a 對4 種有機(jī)農(nóng)藥檢測效率順序?yàn)椋篋CN＞TFL＞NF＞CTL。因此，LMOF-a對DCN 具有最高的檢測效率(圖8 及表1)。上述計(jì)算結(jié)果與前沿軌道能級的計(jì)算結(jié)果(圖6)不完全吻合，這可能是由于DCN 的分子直徑(9.6 ?)小于CTL(10.4 ?)、NF (14.6 ?)及TFL (13.4 ?)，導(dǎo)致DCN 更易被LMOF-a 的孔道(21.3 ?×13.4 ?)所富集，從而提高了檢測效率。

利用式(2)計(jì)算LMOF-a 對4 種有機(jī)農(nóng)藥的檢測限[39]。

式中，信噪比為20lg(U1/U0)，其中U1和U0分別為信號振幅及噪聲振幅，數(shù)值分別為807 及0.3。因此LMOF-a 對CTL、NF、DCN 及TFL 的檢測限分別為0.213、0.205、0.023 及0.014 mmol/L，LMOF-a 對DCN具有最低的檢測限。綜上，與利用氣相色譜及高效液相色譜的有機(jī)農(nóng)藥檢測技術(shù)相比，利用LMOF-a開發(fā)的熒光檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對有機(jī)農(nóng)藥CTL、NF、DCN 及TFL 的高效檢測，并且具有樣品制備過程簡便、耗時短、檢測成本低廉的優(yōu)勢并展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用價值。

表1 LMOF-a檢測有機(jī)農(nóng)藥的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for organic pesticides detection by LMOF-a

3 結(jié) 論

采用水熱法合成了1例藍(lán)光富電子金屬有機(jī)骨架LMOF-a，并將其作為熒光探針用于檢測有機(jī)農(nóng)藥除草醚(NF)、氟樂靈(TFL)、百菌清(CTL)及2,6-二氯-4-硝基苯胺(DCN)并研究檢測機(jī)理。研究表明：(1) LMOF-a 對TFL、CTL 及DCN 的檢測機(jī)理同時包括電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理及熒光共振能量轉(zhuǎn)移機(jī)理，而對NF的檢測機(jī)理為電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理。(2) LMOF-a 對DCN具有最高的檢測效率，KSV達(dá)(4.778±0.590) L/mmol，檢測限低至0.014 mmol/L。本研究為研發(fā)有機(jī)農(nóng)藥熒光檢測技術(shù)提供理論指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考。

圖8 LMOF-a熒光檢測有機(jī)農(nóng)藥NF、CTL、TFL及DCN的Stern-Volmer曲線Fig.8 Stern-Volmer plots of LMOF-a for fluorescent detection of organic pesticides NF,CTL,TFL and DCN