稀土四面體Yb4L4快速可逆檢測腐壞食品中的生物胺

姚 遠, 周妍妍, 高 婷, 李洪峰, 閆鵬飛

(1.黑龍江大學 化學化工與材料學院 功能無機材料化學教育部重點實驗室， 哈爾濱 150080;2.哈爾濱體育學院 運動人體科學學院, 哈爾濱 150008)

0 引 言

揮發物光學傳感器被廣泛用于工業生產[1-2]、食品監控[3-5]、醫療衛生[6-8]、環境監控[9-10]和國防安全[11-12]等諸多領域。稀土發光傳感器作為光學傳感器的一種，由于其具有大的斯托克斯位移、窄的發射譜帶和長的激發態壽命，當其與時間分辨熒光檢測技術相結合,可有效消除背景熒光的干擾。因而，相對于其他類型的光學傳感器，稀土發光傳感器具有靈敏度更高和檢測限更低的優點[13-15]。然而，實現固態下對揮發物的檢測需要材料兼具滲透性、可器件化及易于調控的光物理性質，因而稀土配合物很少用于檢測揮發物。

檢測揮發物的傳感材料需要具有一定的孔道結構，然而稀土離子較高的配位數(8～12)要求和多變的配位構型使稀土配合物在固態時常常形成緊密堆積的結構[16]，不利于氣態分子向材料內部擴散。Ln-MOF具有特定的孔道結構，目前已經有少量Ln-MOF材料檢測揮發物的報道[17-18]。但是，MOF材料在合成過程中存在配位在稀土離子上或封裝在MOF空腔內部的溶劑分子，這些分子的存在會阻礙待測物分子的進入[19]，而移去這些溶劑分子又會導致MOF框架的坍塌[20-22]。此外，MOF在有機溶劑中較差的溶解性和揮發性限制了該類材料通過旋涂和真空蒸鍍制備分子薄膜的可能性，這也意味著實現該類材料的器件化面臨著巨大挑戰[23-24]。

相比于MOF基材料，金屬大環分子或金屬超分子籠具有孔道結構和良好的溶解度，這為薄膜的旋涂制備和揮發性化合物在薄膜中的擴散提供了前提條件。目前，已有一些此類傳感材料用于爆炸物或揮發胺的檢測[25-28]，然而稀土超分子籠用于揮發物檢測的報道卻非常稀少。四面體作為金屬超分子多面體中幾何結構最為簡單的一種，近些年來被科學家Saalfrank[29-30]、Raymond[31-32]、Ward[33-34]和Nitschke[35-36]等報道。然而稀土離子較高的配位數要求及多變的配位構型，使得稀土四面體在構筑的過程中仍存在較多的不確定性。Li等利用C2對稱的配體構筑稀土四面體時，得到的卻是四面體、螺旋體和立方體的混合物[37]。因而，稀土四面體在合成方面仍面臨很多困難。稀土四面體特定的孔道結構使其對待測物分子的尺寸具有一定的空間選擇性，同時該孔道結構賦予其優良的滲透性。此外，稀土配合物優良的發光性質，使稀土四面體有望成為檢測揮發物的優良光學傳感器。然而，制備出選擇性專一、靈敏度高、快速可逆和光物理性質易于調控的稀土發光傳感器仍面臨巨大挑戰。

近年來，稀土近紅外發光材料被廣泛應用于光纖通信[38]、醫學診斷[39]和細胞成像[40]等領域，由于近紅外光對生物組織具有可穿透性，因而其在生物傳感領域的應用潛力日益凸顯。本文，設計了以三苯胺為骨架、具有C3對稱性和ILCT性質的三β-二酮配體，并與稀土Yb(Ⅲ)離子以1∶1計量比通過配位導向自組裝方式，合成了用于檢測揮發性生物胺的近紅外發光稀土四面體Yb4L4(H2O)8，如圖1所示。傳感測試表明，配合物Yb4L4(H2O)8的旋涂薄膜對生物胺表現出快速可逆和發光淬滅的響應特點。光譜表征證明了Yb4L4(H2O)8與生物胺的作用機理為弱的分子間親核作用。這種弱的分子間相互作用不僅調控了配體的ILCT性質，導致配合物加胺后出現了發光淬滅現象，而且使稀土四面體對生物胺表現出專一的選擇性和快速可逆的響應特點。同時，考察了該分子籠的實用性，進行了腐壞魚的傳感測試，證明其檢測的有效性。因此，該項工作為稀土四面體作為近紅外發光傳感器應用于食品質量監控提供了新策略。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

元素分析采用德國Elementar公司Vario EL cube元素分析儀測定；電噴霧飛行時間(ESI-TOF)質譜使用瑞士Bruker公司maXis質譜儀記錄；UV-Vis光譜采用美國Perkin-Elmer公司Lambda 25光譜儀測定；激發和發射光譜使用英國Edinburgh公司FLS 920熒光光譜儀測定(配備紅敏光電倍增管檢測器(Hamamatsu R928))；旋涂膜表面形貌采用安捷倫科技有限公司SPM 5100原子力顯微鏡測定；旋涂膜厚度采用安捷倫科技有限公司XP-100臺階儀測定。

實驗中所用試劑均從供應商處購買，如果沒有特殊說明，則無需進一步純化即可使用。

1.2 4,4′,4″-三乙?；桨返暮铣?/h3>

稱取三苯胺(0.98 g, 4.00 mmol)溶于30 mL二氯甲烷中，乙酰氯(1.25 g, 16.00 mmol)和無水三氯化鋁(2.11 g, 16.00 mmol)加入到20 mL二氯甲烷中，室溫攪拌至無水三氯化鋁完全溶解后，緩慢滴加至三苯胺溶液中。冰浴反應2 h后，室溫反應24 h，待反應完成后，將反應液傾入冰水中，過濾后分液。水層用二氯甲烷萃取，合并有機層，用水反復洗滌至中性后，再用無水硫酸鈉干燥，過濾后蒸餾除去二氯甲烷得粗品，所得粗品用無水乙醇重結晶，得黃色塊狀晶體(1.11 g, 74.51%)。1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ7.89 (d,J= 8.4 Hz, 6H)，7.15 (d,J= 8.8 Hz, 6H)，2.57 (s, 9H)；13C NMR (CDCl3, 100 MHz)：196.52，150.31，132.89，130.13，123.93，26.45；IR (KBr, cm-1)：1 678，1 589，1 265，842，583；ESI-MSm/z[C24H21NO3+ H]+計算值：372.444 3，實測值：372.455 1；元素分析(C24H21NO3，371.44，wt.%)計算值：C 77.61，H 5.70，N 3.77，實測值：C 77.43，H 5.71，N 3.78。

1.3 配體的合成

稱取甲醇鈉(0.87 g, 16.20 mmol)和三氟乙酸乙酯(2.30 g, 16.20 mmol)溶于30 mL DME中，然后稱取4,4′,4″-三乙?；桨?1.00 g, 2.70 mmol)加入到上述溶液中，室溫攪拌反應24 h。待反應完全后，用稀鹽酸調節反應液的pH至2～3，直至析出黃色沉淀，過濾后水洗數次干燥得粗品，用乙腈重結晶得黃色針狀晶體(1.30 g, 73.51%)。1H NMR (400 MHz, CDCl3)：δ15.20 (s, 3H)，7.95 (d,J= 9.0, 6H)，7.25 (d,J= 8.8, 6H)，6.76 (s, 3H)；13C NMR (CDCl3, 100 MHz)：184.58，176.85，150.62，129.59，128.85，124.42，118.59，91.99；IR (KBr, cm-1)：3 425，1 588，1 514，1 283，1 151，1 125，800；ESI-MSm/z[C30H18F9NO6-H]-計算值：658.453 3，實測值：658.456 9；元素分析(C30H18F9NO6, 659.13, wt.%)計算值：C 54.64，H 2.75，N 2.12，實測值：C 54.75，H 2.74，N 2.11。

1.4 稀土四面體Ln4L4的合成

在配體的甲醇溶液中，配體首先在三乙胺的作用下發生去質子化反應，而后與氯化稀土反應生成稀土四面體Ln4L4，反應過程如圖1所示。

圖1 稀土四面體籠Ln4L4的合成Fig.1 Synthetic route of lanthanide tetrahedral cage Ln4L4

稱取配體(0.66 g, 1.00 mmol)加入到20 mL甲醇中，再加入三乙胺(0.31 g, 3.00 mmol)，充分攪拌至配體完全溶解后，加入5 mL氯化稀土LnCl3·6H2O (Ln = Yb, Gd, La; 1.00 mmol)的甲醇溶液，滴加完畢后，室溫反應24 h。待反應完成后,將反應液過濾，所得濾液加入水中,析出黃色沉淀，過濾，真空干燥。

Yb4L4(H2O)8: 產率：83.63%。分子式：C120H60Yb4F36N4O24(3 318.057 9)。IR (KBr, cm-1)：1 615，1 586，1 493，1 285，1 181，1 130，788；ESI-MS [M + Na]+計算值：3 342.060 5，實測值：3 342.063 7；元素分析(C120H76F36N4O32Yb4, 3 462.142 4, wt.%)計算值：C 41.63，H 2.21，N 1.62，實測值：C 41.58，H 2.17，N 1.69。

Gd4L4(H2O)8: 產率：85.18%。分子式：C120H60F36Gd4N4O24(3 255.00)。IR (KBr, cm-1)：1 618，1 585，497，1 283，1 182，1 131，787；ESI-MS [M + K]+計算值：3 293.8541，實測值：3 293.855 8；元素分析(C120H76F36Gd4N4O32, 3 400.087 4, wt.%)計算值：C 42.41，H 2.25，N 1.65，實測值：C 42.37，H 2.30，N 1.61。

La4L4(H2O)8: 產率：83.72%。分子式：C120H60F36La4N4O24(3 180.931 0)。IR (KBr, cm-1)：1 617，1 584，1 496，1 281，1 185，1 132，785；ESI-MS [M + Na]+計算值：3 204.364 7，實測值：3 204.365 9；元素分析(C120H76F36La4N4O32, 3 325.015 5, wt.%)計算值：C 43.34，H 2.30，N 1.68，實測值：C 43.28，H 2.35，N 1.62。

2 結果與討論

2.1 配合物Yb4L4(H2O)8的表征

利用ESI-TOF-MS質譜和1H NMR譜對稀土四面體Yb4L4(H2O)8進行了相應的表征。配合物Yb4L4(H2O)8的ESI-TOF-MS質譜如圖2(a)所示，質核比m/z= 3 342.063 7的分子離子峰對應于[Yb4L4+ Na]+的特征離子，表明配合物Yb4L4(H2O)8已經形成。為了確定四面體在溶液中的結構和純度，對配合物在CD3CN中的1H NMR進行了測試，由于Yb(Ⅲ)配合物的1H NMR分辨率較差，選擇了與其同構的La(Ⅲ)配合物進行測試。從圖2(b)可以看出，相對于配體來說，La4L4(H2O)8在1H NMR中僅出現了一組向高場位移的信號峰，說明在溶液體系下，僅有四面體La4L4(H2O)8一個物種生成。為了更好地觀察四面體Yb4L4(H2O)8的結構，利用半經驗量化方法LUMPAC 4.0/PM 6優化了其結構，如圖2(d)所示。稀土四面體Yb4L4(H2O)8與Eu4L4(CH3COCH3)8的單晶結構一致[41]，四個Yb(Ⅲ)離子和四個配體分別位于四面體的四個頂點和四個三角形平面上，每個Yb(Ⅲ)離子與三個配體的三個β-二酮單元和兩個水分子螯合配位。在一個四面體籠中，籠內空腔體積約為0.3 nm3，每個四面體形成了1.428 nm × 0.847 nm的菱形開口，這樣的空腔和開口結構為Yb4L4(H2O)8在固態下檢測揮發物分子提供了有力的前提條件。

圖2 (a) Yb4L4(H2O)8的ESI-TOF-MS質譜; (b) La4L4(H2O)8與配體的1H NMR譜; (c) 配體的1H NMR歸屬; (d) Yb4L4(H2O)8的結構優化圖Fig.2 (a) ESI-TOF-MS spectrum of tetrahedra Yb4L4(H2O)8; (b) 1H NMR (400 MHz) spectra of free ligand and its self-assembled lanthanum complexe [La4L4(H2O)8] in CD3CN; (c) 1H NMR assignment of ligand; (d) the optimized ground state geometry of Yb4L4(H2O)8

2.2 Yb4L4(H2O)8薄膜的制備、表征及光物理性質研究

為了便于稀土四面體Yb4L4(H2O)8的應用，利用旋涂的方式將配合物制備成薄膜,如圖3 (a)所示。利用原子力顯微鏡對薄膜的表面形貌進行了表征，結果如圖3 (b)所示。測試結果顯示，薄膜表面具有優良的平整性和均一性，表面粗糙度系數RMS值均在0.5～0.8 nm的范圍內。這樣高質量的薄膜可以有效減少漫反射帶來的測量誤差，并保證待測物分子在薄膜內部擴散的均一性，使測試結果具有可重復性。

在進行傳感測試之前，先對配合物Yb4L4(H2O)8的光物理性質進行了測試，結果如圖3(c)所示。從紫外吸收光譜中可以觀察到兩處比較明顯的吸收譜帶，分別在300～330 nm和350～450 nm處，350～450 nm較低能量的吸收譜帶歸屬于三苯胺(TPA)單元到β-二酮單元的π-π*電荷轉移引起的躍遷，300～330 nm較高能量的吸收譜帶歸屬于三苯胺(TPA)單元到β-二酮單元內部的π-π*躍遷。以1 045 nm為最大發射波長，監測配合物的激發光譜，測試結果顯示，配合物的激發光譜與紫外吸收光譜基本一致，說明配體的三線態能量可以較好地傳遞給Yb(Ⅲ)離子。設置最大激發波長為390 nm，監測Yb4L4(H2O)8的發射光譜，測試結果顯示出Yb(Ⅲ)離子的特征譜帶，對應于2F5/2→2F7/2的電子躍遷。

圖3 Yb4L4(H2O)8薄膜的表征及光物理性質：(a)日光下的薄膜照片；(b) 30 nm厚度薄膜的AFM圖片； (c)薄膜的紫外、激發和發射光譜Fig.3 Characterization and photophysical properties of Yb4L4(H2O)8 film: (a) photograph of the film under daylight; (b) AFM image of 30 nm thick film; (c) UV-Vis absorption, excitation and emission spectra of the film

2.3 稀土四面體Yb4L4(H2O)8的胺類光學傳感研究

為了研究稀土四面體Yb4L4(H2O)8薄膜對生物胺的傳感性能，將不同濃度的乙二胺、腐胺、尸胺和苯乙胺蒸氣分別通入裝有Yb4L4(H2O)8薄膜的測試皿中，待Yb4L4(H2O)8薄膜與生物胺蒸氣充分反應后，監測1 045 nm處薄膜的發光強度與胺濃度的變化關系，結果如圖4所示。由圖可知，隨著生物胺濃度的增加，稀土四面體Yb4L4(H2O)8薄膜的發光強度逐漸減弱。

圖4 Yb4L4(H2O)8薄膜接觸不同濃度胺蒸氣后的發光譜Fig.4 Emission spectra of Yb4L4(H2O)8 film exposed to different concentrations of amine vapor (λex = 390 nm)

Yb4L4(H2O)8薄膜發光強度淬滅率(1-I/I0)與生物胺濃度的變化如圖5所示?？梢杂^察到,各種生物胺在1 ppm至飽和蒸氣范圍內，發光強度淬滅率與胺濃度呈現良好的線性關系。根據文獻報道，以能引起發光強度變化率的0.1%所對應的濃度為檢測限，通過擬合出的直線方程得到各種生物胺的檢測限遠低于美國職業安全委員會所規定的允許暴露極限。

圖5 Yb4L4(H2O)8薄膜發光強度淬滅率(1-I/I0)與各種胺蒸氣濃度的變化關系Fig.5 Quenching efficiency (1-I/I0) of Yb4L4(H2O)8 film as a function of various amine vapor concentrations

響應時間的快慢及抗疲勞性是衡量稀土四面體Yb4L4(H2O)8薄膜是否具有應用性的重要指標，因此，對Yb4L4(H2O)8薄膜的發光強度隨各種胺濃度的變化進行了動力學監測。如圖6所示，Yb4L4(H2O)8薄膜接觸到生物胺蒸氣后，其發光強度逐漸淬滅。當氣道內的氣體轉換成N2后，N2的吹掃使作用在Yb4L4(H2O)8薄膜上的生物胺逐漸解離，薄膜的發光強度逐漸恢復至初始值。通過擬合發光強度下降曲線，估算出Yb4L4(H2O)8薄膜對各種生物胺的響應時間均在秒級范圍內。經過5個循環的傳感測試后，Yb4L4(H2O)8薄膜的發光強度沒有發生明顯的衰減，說明Yb4L4(H2O)8薄膜具有良好的抗疲勞性。

圖6 Yb4L4(H2O)8薄膜對各種胺蒸氣的響應時間及抗疲勞性Fig.6 Response time and fatigue resistence of Yb4L4(H2O)8 films to various amine vapor

為了考察稀土四面體Yb4L4(H2O)8薄膜對生物胺傳感的選擇性，選擇了一些含氧的親核性物質做對比。如圖7所示，Yb4L4(H2O)8薄膜接觸100 ppm的生物胺和含氧化合物后，含氧性的親核物質使Yb4L4(H2O)8薄膜發光強度淬滅率均小于2%，說明Yb4L4(H2O)8薄膜對這些生物胺具有專一的選擇性。

圖7 Yb4L4(H2O)8薄膜接觸各種胺和含氧親核物質蒸氣后的發光強度淬滅率Fig.7 Quenching efficiency (1-I /I0) of Yb4L4(H2O)8 film exposed to various amine and O-containing compound vapor

生物胺是生物活體細胞必不可少的組成部分，在調節核酸與蛋白質的合成及生物膜穩定性方面起著重要作用。食物腐壞后會產生一定量的生物胺，主要包括腐胺、尸胺、二甲胺和三甲胺等，過量攝入生物胺會嚴重影響人們的身體健康，因此，期望稀土四面體Yb4L4(H2O)8薄膜對腐壞食物所產生的生物胺具有較高的靈敏度，以實現對食品質量的監控。

以腐壞魚產生的氣體為研究對象，首先將新鮮的魚在室溫條件下放置于密閉容器中存儲48 h以保證生物胺氣體的產生。然后，監測Yb4L4(H2O)8薄膜接觸腐壞魚氣體后發光強度的變化。如圖8所示，Yb4L4(H2O)8薄膜對腐壞魚產生的蒸氣表現出發光淬滅的響應特點，響應時間為0.35 s。如此快速的響應時間與上述對生物二胺的響應時間測試結果一致，說明腐壞魚產生的氣體大部分為二胺。此外，薄膜的發光強度在經歷五次循環測試后未見明顯衰減，說明Yb4L4(H2O)8薄膜具有良好的抗疲勞性，在食品質量監控中具有潛在的應用價值。

圖8 (a)腐壞魚可能產生的生物胺; (b) Yb4L4(H2O)8薄膜加入腐壞魚蒸氣后的發射光譜; (c) Yb4L4(H2O)8 對腐壞魚蒸氣的響應時間及抗疲勞度Fig.8 (a) Suggested biogenic amine species produced by spoiled fish; (b) emission spectra of Yb4L4(H2O)8 film upon addition of spoiled fish vapor; (c) response time and fatigue resistance of Yb4L4(H2O)8 film to spoiled fish vapor

2.4 稀土四面體Yb4L4(H2O)8與生物胺的作用機理研究

關于稀土四面體Eu4L4(CH3COCH3)8與胺的作用機理，已通過各種光譜和密度泛函理論計算證實了富電子的胺與三氟乙?；系聂驶荚影l生了弱的分子間親核作用[41]。由于稀土四面體Eu4L4(CH3COCH3)8和Yb4L4(H2O)8具有相同的配體結構，推測上述作用機理應該也適用于Yb4L4(H2O)8和生物胺分子，為了驗證這一想法，進行了1H NMR譜和紅外光譜測試。

圖9 Yb4L4(H2O)8與乙二胺的作用機理：(a) Yb4L4(H2O)8的結構歸屬; (b) La4L4(H2O)8在(CD3)2CO中的1H NMR; (c) Yb4L4(H2O)8加乙二胺前后的FT-IR光譜Fig.9 Interaction mechanism between Yb4L4(H2O)8 and ethylenediamine: (a) structure assignment of Yb4L4(H2O)8; (b) 1H NMR of La4L4(H2O)8 in (CD3)2CO; (c) FT-IR spectra of Yb4L4(H2O)8 before and after adding EDA

2.5 稀土四面體Yb4L4(H2O)8發光淬滅機理研究

在稀土Ln(Ⅲ)配合物中，發光量子產率主要取決于配體到金屬中心的能量傳遞效率。配體的三線態到稀土Yb(Ⅲ)離子2F5/2激發態能量傳遞的難易程度是影響Yb(Ⅲ)配合物發光量子產率的重要因素。因此，認為稀土四面體Yb4L4(H2O)8接觸胺蒸氣后發光強度明顯淬滅是由于配體三線態能級的變化。

配體的單線態能級(S,1ππ*)和三線態能級(T,3ππ*)是通過Gd(Ⅲ)配合物的紫外吸收光譜和磷光光譜計算得到。如圖10所示，向Gd(Ⅲ)配合物的乙腈溶液中加入24倍當量的乙二胺后，紫外吸收光譜和磷光發射光譜都發生了藍移。配體的單線態和三線態能級分別通過紫外吸收光譜的最大吸收邊和Gd(Ⅲ)配合物磷光發射光譜的最大發射峰計算得到。加胺后單線態能級從21 413 cm-1(467 nm)增加至21 882 cm-1(457 nm)，三線態能級從19 194 cm-1(521 nm)增加至19 646 cm-1(509 nm)。配合物Yb4L4(H2O)8加入乙二胺前后的能隙ΔE(3ππ*-2F5/2)分別為8 944和9 396 cm-1。通常，較低的能隙有利于實現高能級到低能級的能量轉移，因此配合物Yb4L4加胺后出現了發光淬滅的現象。

圖10 (a) Gd4L4(H2O)8的乙腈溶液加乙二胺前后的紫外光譜和磷光光譜(c = 0.25×10-5 mol·L-1); (b) Yb4L4(H2O)8加乙二胺前后的能級傳遞圖Fig.10 (a) UV-Vis absorption and phosphorescence spectra of Gd4L4(H2O)8 before and after adding EDA in CH3CN (c = 0.25×10-5 mol·L-1); (b) schematic diagram of energy transfer process of Yb4L4(H2O)8 before and after adding EDA

3 結 論

設計并合成了對生物胺具有快速可逆和發光淬滅傳感特點的近紅外發光稀土四面體Yb4L4(H2O)8。利用以三苯胺為骨架、具有ILCT性質的三β-二酮配體構筑了稀土四面體Yb4L4(H2O)8，表明面式配體可以有效與稀土Yb(Ⅲ)離子自組裝形成四面體，填補了以β-二酮配體構筑近紅外發光稀土四面體的空白。旋涂薄膜的制備有效解決了MOF基材料由于溶解度差而成膜困難的問題?；\的中空結構解決了稀土傳感材料在固態下缺乏滲透性的問題。四面體籠與胺弱的分子間親核作用實現了傳感的可逆性，具有ILCT性質配體的設計調控了配體到金屬中心的能量傳遞，增加了配合物光物理性質變化的敏感性。

綜上，成功構筑了稀土四面體Yb4L4(H2O)8并將其制備成膜，同時解決了稀土配合物檢測揮發性物質的幾大問題：(1)滲透性；(2)可逆性；(3)器件化；(4)傳感分子對配體到金屬能量傳遞的有效調控。該項工作為近紅外稀土發光傳感器的設計提供了新思路。