金屬有機框架熒光傳感器在食品中抗生素類獸藥殘留檢測的研究進展

謝三磊,陶曉奇

1(河南科技大學(xué) 動物科技學(xué)院,河南 洛陽,471000)

2(西南大學(xué) 動物醫(yī)學(xué)院,重慶,400715)

3(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)

中國是動物源性食品生產(chǎn)消費大國,肉、蛋、奶等動物源性食品是人類非常重要的蛋白質(zhì)來源,動物源性食品中的抗生素類獸藥殘留對人類健康產(chǎn)生重要影響。如何提升抗生素類獸藥殘留檢測手段,成為了保證國民食品安全、促進我國食品貿(mào)易的關(guān)鍵。近年來,隨著畜牧業(yè)養(yǎng)殖和水產(chǎn)規(guī)模快速發(fā)展,抗生素類獸藥除了被廣泛用于預(yù)防和治療畜禽疾病外,還被用做飼料添加劑以促進動物生長[1]。據(jù)統(tǒng)計,全世界每年用于畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域的獸用抗生素消耗量至少為63 000 t,預(yù)計到2030年增至106 600 t。使用量較大的獸藥包括喹諾酮類、四環(huán)素類、磺胺類等。抗生素被動物攝入后,在動物組織、器官和食用產(chǎn)品中富集殘留,進而危害消費者的健康[2]。食品中獸藥檢查常用的方法包括液相色譜法、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法、酶聯(lián)免疫吸附法等。盡管這些方法通常用于目標(biāo)化合物的驗證,但也存在著設(shè)備昂貴、樣品前處理耗時費力、操作復(fù)雜等問題,不能滿足實際監(jiān)管檢測需求。因此,建立快速、高效和可信的檢測獸藥殘留方法具有重要意義。

熒光化學(xué)傳感器因其操作簡便、便于攜帶、可觀察和高靈敏度的特點,提供了一種新興的檢測手段。不同種類的材料如共軛聚合物、納米材料和量子點作為獸用抗生素的熒光傳感器已被報道[3]。值得注意的是,熒光特性主要由熒光的來源決定,這在檢測目標(biāo)分析物中起著關(guān)鍵作用。發(fā)光金屬-有機框架(metal-organic frameworks,MOFs)作為一種新型多孔雜化材料在各種熒光傳感器中脫穎而出,它由有機橋接配體連接體和金屬連接節(jié)點組成,是有效緩解食品安全監(jiān)測問題的有力選擇[4]。由于MOFs的組成構(gòu)件具有多樣性,熒光可以來自MOFs內(nèi)的金屬中心和配體,并且可以通過構(gòu)件之間的相互作用來調(diào)節(jié)其光學(xué)特性[5]。除了從MOFs的子單元產(chǎn)生熒光外,一些光響應(yīng)成分也可以被包覆在MOFs中以誘導(dǎo)熒光,從而實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。熒光MOFs與溶膠-凝膠熱法結(jié)合被用于許多目標(biāo)化學(xué)物的檢測[6],包括有毒化學(xué)物質(zhì),揮發(fā)性有機化合物、生物大分子、氣體,甚至目標(biāo)條件(如濕度、溫度和pH)。另外,MOFs的靈活設(shè)計方式能夠使其與食品檢測系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境兼容。發(fā)光MOFs的熒光變化主要依賴于目標(biāo)分子和相關(guān)MOFs之間的電子/能量轉(zhuǎn)移。其中,MOFs中的超高孔隙率和功能位點有助于目標(biāo)物的可逆性濃縮,從而提高檢測的特異性和選擇性。MOFs固有的熒光特性和獨特的結(jié)構(gòu)相結(jié)合,為設(shè)計新型發(fā)光MOFs材料以滿足日益嚴(yán)格的食品安全和食品質(zhì)量要求提供了絕佳的機會。重要的是,發(fā)光MOFs可以通過修飾各種識別分子定制其構(gòu)建模塊以實現(xiàn)其對目標(biāo)分子的特定識別[7]。相應(yīng)地,熒光可以通過多個熒光中心之間的相互作用/互動來調(diào)節(jié),從而開發(fā)出新型的雙發(fā)射比率傳感器。隨著多個熒光單元的引入,發(fā)光MOFs具有更短的響應(yīng)時間、更高的靈敏度、更好的抗干擾能力和遠(yuǎn)程監(jiān)控的可能性,可以在食品行業(yè)的許多意想不到的領(lǐng)域中應(yīng)用。與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比,這些材料在食品基質(zhì)中的穩(wěn)定性和可調(diào)控性為抗生素類獸藥殘留分析提供了獨特的應(yīng)用機會。

到目前為止,構(gòu)建策略的多樣性和對多種目標(biāo)分析物的不同熒光響應(yīng)使發(fā)光MOFs具有更廣泛的應(yīng)用[8]。本文重點是對發(fā)光MOFs在抗生素類獸藥殘留領(lǐng)域的傳感應(yīng)用進行概述(圖1)。首先對發(fā)光MOFs用于傳感檢測的不同熒光機理進行闡明和詳細(xì)分類,列出針對目標(biāo)分析物的傳感機制,然后討論了基于發(fā)光MOFs的檢測技術(shù)在抗生素類獸藥殘留檢測方面的應(yīng)用。最后,該文提出了該領(lǐng)域未來研究的挑戰(zhàn)和前景。

圖1 MOFs 熒光傳感機制和在抗生素類獸藥殘留中應(yīng)用

1 MOFs熒光傳感器原理

光致發(fā)光為冷發(fā)光的一種類型,被定義為由電子或振動激發(fā)態(tài)電子自發(fā)輻射。分子發(fā)光的機制可以概括為光子的吸收和電子從基態(tài)(S0)到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)包括不穩(wěn)定的第一激發(fā)態(tài)S1和第二激發(fā)態(tài)S2。從S1或S2返回到S0的電子產(chǎn)生熒光。MOFs是一類以金屬離子(或金屬團簇)和有機配體通過多種配位方式自組裝形成的三維晶態(tài)多孔材料,MOFs選擇具有合理功能的金屬離子和有機配體。熒光功能的實現(xiàn)可以通過金屬離子、配體或客體分子,配體和金屬之間的電荷轉(zhuǎn)移增強了其熒光[9](圖2)。發(fā)光材料的特性是由引入各種配體的過程決定的,例如配體-金屬電荷轉(zhuǎn)移(ligand metal charge transfer,LMCT)、金屬配體電荷轉(zhuǎn)移(metal ligand charge transfer,MLCT)、金屬基發(fā)射、配體基發(fā)光發(fā)射(配體局部發(fā)射)、天線效應(yīng)、吸附物發(fā)射,準(zhǔn)分子/激發(fā)態(tài)絡(luò)合物發(fā)射和表面活性。配位雙發(fā)射MOFs的發(fā)射機制主要包括配體到配體的電荷轉(zhuǎn)移(ligand-ligand charge transfer,LLCT)、金屬中心發(fā)射(如LMCT)和配體中心發(fā)射(如MLCT)[10]。MLCT和LMCT與MOFs中最低激發(fā)態(tài)能級的相對高度有關(guān)。如果有機配體的最低激發(fā)態(tài)能級的能量低于金屬離子,則電荷可以從金屬離子轉(zhuǎn)移到有機配體上發(fā)光,這是MLCT過程。相反,如果有機配體的最低激發(fā)態(tài)能級的能量高于金屬離子,則電荷從有機配體到金屬離子的電荷轉(zhuǎn)移發(fā)光過程是LMCT過程[11]。

a-MOFs中的可能發(fā)射模式;b-MOFs能量傳遞原理圖

1.1 基于金屬中心的發(fā)射

金屬中心通常存在于鑭系MOFs(Ln-MOFs)或異金屬有機框架(heterometal-organic framework,HMOFs)中,鑭系離子的熒光特性與MOFs的多孔特性相結(jié)合,為設(shè)計新的熒光材料提供了充分的可能性。然而,由于Laporte f-f禁阻躍遷阻礙了鑭系離子的直接激發(fā),并導(dǎo)致低的吸附效率,鑭系離子的發(fā)光需要被有機配體“敏化”[12]。在這種情況下,在發(fā)光MOFs中引入有機發(fā)光配體可以促進或破壞能量轉(zhuǎn)移的過程,從而促成能量從配體轉(zhuǎn)移到鑭系離子,增強其光吸收能力。這被生動地稱為“天線效應(yīng)”。例如,鑭系金屬有機框架(Ln-MOFs)的性能可以通過引入硼酸(Ba)來定制,并作為比率熒光傳感器檢測金屬離子、H2O2和葡萄糖。在Ln-MOFs(Ba-Eu-MOF)中引入Ba,用于檢測Hg2+和CH3Hg+[12]。由于Ba基團的電子吸收效應(yīng)可能導(dǎo)致“天線效應(yīng)”,在水中觀察到了弱的紅色反應(yīng)。在Hg2+的存在下,金屬轉(zhuǎn)移反應(yīng)也引發(fā)了“天線效應(yīng)”,導(dǎo)致了紅色發(fā)射的增強。所制備的發(fā)光MOFs對Hg2+具有良好的選擇性,檢測限(limit of detection,LOD)為220 nmol/L,對CH3Hg+為440 nmol/L,線性范圍為2～80 μmol/L。

1.2 基于有機配體的發(fā)射

配體發(fā)射主要依賴于MOF框架結(jié)構(gòu)中使用各種配體電荷轉(zhuǎn)移來實現(xiàn),包括MLCT、LLCT和配體內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移。MOF的MLCT發(fā)光是指金屬離子受到光的照射,將能量轉(zhuǎn)移到配體上,使激發(fā)態(tài)由金屬變?yōu)榕潴w,配體從外界吸收發(fā)光能量躍遷到基態(tài)S0并發(fā)出熒光的過程,這種熒光通常出現(xiàn)在具有氧化性d6、d8、d10電子構(gòu)型和p受體配體的配合物中[13]。配合物通過吸收可見光,將受激的MLCT通過系間跨越轉(zhuǎn)化為三重激發(fā)態(tài)MLCT。電子從單重激發(fā)態(tài)MLCT返回到基態(tài)(S0)后出現(xiàn)熒光發(fā)射,從三重激發(fā)態(tài)MLCT返回到S0后出現(xiàn)磷光發(fā)射。MLCT發(fā)生的可能性隨著金屬離子還原性和配體氧化性的增強而增加。具有共軛π電子的有機配體對LLCT的發(fā)光有顯著的促進作用。在這種情況下,有機配體是框架的骨架,也是MOF特征發(fā)射的主要貢獻者。如WANG等[14]設(shè)計了2種由π共軛有機羧酸配體BUT-14和BUT-15組成的Lewis堿基位點的熒光MOF,所設(shè)計的π共軛有機配體提供了有效的熒光。Lewis堿基位點作為功能位點與金屬離子相互作用,金屬節(jié)點與配體之間的強配位鍵使所制備的MOF具有較高的穩(wěn)定性。MOFs在相應(yīng)的有機羧酸配體的相同激發(fā)下表現(xiàn)出相似的發(fā)射特性,表明熒光主要來自所設(shè)計的π共軛有機配體。

此外,通過各種方法(如配體交換、原位合成或合成后修飾)將光子功能的官能團引入到非熒光配體中使有機配體功能化而不破壞框架。MOFs的多樣性通過這些有機配體進行調(diào)整[15-16],MOFs的發(fā)光可以很容易地被功能性配體調(diào)整。非熒光配體的常見修飾是羥基化、羧基化和胺化。例如,合成了發(fā)光的羥基功能化MOF,用于檢測Fe3+。羥基官能團可以提供孤對電子,并導(dǎo)致與Fe3+的電子轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致LC發(fā)射的熒光猝滅和新發(fā)射的增強,從而可以對Fe3+進行熒光感應(yīng)。

1.3 基于客體分子的發(fā)射

除了有機配體和金屬離子產(chǎn)生的熒光外,客體分子在開發(fā)發(fā)光MOFs中也起著重要作用,例如載覆發(fā)光物質(zhì)以提高熒光,或添加與分析物特異性結(jié)合的官能團。MOFs具有多孔性的獨特網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以捕獲客體分子,為客體分子提供了自然棲息地,增加了客體與主體的相互作用,從而提高了靈敏度。

被吸附的客體分子不僅可以促進發(fā)光MOF的發(fā)射,還可以使發(fā)光MOF在復(fù)雜的食品系統(tǒng)中對不同的靶標(biāo)發(fā)揮多種功能。MOFs的結(jié)構(gòu)多樣性、可操作性和模塊化特性使它非常適合作為功能分子的載體以實現(xiàn)所需的功能,它可以被專門定制,從而在食品安全領(lǐng)域具有高度的實用價值。將碳點(carbon dots,CDs)、染料和Ln離子等熒光基團納入多孔框架,構(gòu)建具有熒光性能的MOFs復(fù)合材料,以準(zhǔn)確識別所需分析物。例如,通過將Eu3+封裝到UiO-66(Zr)-(COOH)2的孔隙中,得到了一種高效的鑭系功能化MOF[17]。UiO-66(Zr)-(COOH)2中鑭系元素對強烈紅色熒光Eu3+的敏化阻礙了配體中心的發(fā)射。Cd2+離子的存在下,可以觀察到熒光的增強,這是由于Cd2+離子與Eu3+@UiO-66(Zr)-(COOH)2內(nèi)的Lewis基團羧基氧位點之間的相互作用促進了能量從配體到Eu3+離子的轉(zhuǎn)化效率。此外,鑭系MOFs已經(jīng)被用作熒光探針,由于配體到金屬離子的分子內(nèi)能量轉(zhuǎn)移。Eu3+@UiO-66(20)也是通過Eu3+后期功能化設(shè)計出Zr-MOFs中,它表現(xiàn)出Fe3+明顯的熒光猝滅效應(yīng)。

1.4 基于聚集誘導(dǎo)發(fā)光的發(fā)射

AIEgens功能化MOF不僅繼承了AIEgens AIE特性和MOF的許多優(yōu)點,而且由于這種強大的結(jié)合使其熒光發(fā)射效率和傳感性能顯著提高。因此,可以預(yù)期,在剛性多孔MOF基體中引入AIE功能基團將使其在特定應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)越的發(fā)光性能。SHUSTOVA等[18]首次使用新設(shè)計的1,1,2,2-四(4-羧基苯基)乙烯配體構(gòu)建基于四苯乙烯(tetraphenylethylene,TPE)的熒光MOF,該配體在識別有機小分子方面具有應(yīng)用前景。隨后,HU等[19]和ZHANG等[20]利用延長的TPE基羧酸連接劑與ZrCl4在多種競爭酸性基團存在下反應(yīng),得到2種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的強熒光Zr MOF。此外,HU等[19]利用吡啶修飾的TPE配體構(gòu)建了熒光MOF,用于高效、選擇性地檢測真菌毒素。這些開創(chuàng)性的研究揭示了MOF和AIE組合的巨大潛力。

1.5 基于分子內(nèi)運動受限的發(fā)射

1.6 基于框架變形的發(fā)射

開發(fā)有信號的AIE MOF的關(guān)鍵是盡量減少其熒光背景。盡管原位分子內(nèi)運動受限機制是一種有效的方法,但需要仔細(xì)設(shè)計框架中的激發(fā)態(tài)分子動態(tài)AIE過程。因此,基于框架變形(framework deformation,FD)開關(guān)的機制提供了一個可行的途徑。基于FD的AIE MOF的信號關(guān)閉狀態(tài)可以通過在構(gòu)建單元中摻入熒光猝滅劑來簡單實現(xiàn),由于MOF的變形和連接體的自聚集,FD信號可以被分析物開啟。本研究小組報告了一種基于AIEgen的MOF的猝滅-脫離發(fā)射策略,用于分析細(xì)胞器內(nèi)谷胱甘肽。以四苯基乙烯衍生物(tetra(4-pyridylphenyl)ethylene,TPPE)為連接體,以CuII為金屬節(jié)點的Cu-tpMOF表現(xiàn)出非常弱的發(fā)射,因為電子從連接體轉(zhuǎn)移到CuII的過程。加入谷胱甘肽(glutathione,GSH)后,Cu-tpMOF在中性pH值下可以變亮并發(fā)出綠色信號,這是由于CuII在框架中通過GSH的競爭性結(jié)合而部分脫離。在酸性環(huán)境中,Cu-tpMOF可以完全被GSH解離,并且這一過程因TPPE的質(zhì)子化而加速。因此,Cu-tpMOF可用于細(xì)胞器中GSH的雙通道比率成像及細(xì)胞質(zhì)和溶酶體的相關(guān)治療。猝滅-局部區(qū)域發(fā)射策略為AIE MOF在活細(xì)胞中的傳感和生物成像提供了一個新的例子[22]。

2 發(fā)光MOF熒光傳感器對抗生素類獸藥的識別

抗生素已廣泛用于治療人類和動物的細(xì)菌性疾病。此外,抗生素曾被作為飼料添加劑以促進動物生長。然而,許多研究表明,大量使用抗生素可導(dǎo)致多重耐藥細(xì)菌的形成,這些細(xì)菌可通過食物攝入在人類體內(nèi)引發(fā)耐藥基因,造成重大健康風(fēng)險。根據(jù)美國衛(wèi)生部的數(shù)據(jù),美國每年約有200萬人感染抗生素耐藥細(xì)菌,導(dǎo)致約2.3萬人死亡[23]。因此,開發(fā)一種快速、經(jīng)濟的用于食品樣品中抗生素類獸藥殘留現(xiàn)場檢測的傳感器對人類健康和環(huán)境安全至關(guān)重要。

2.1 發(fā)光MOF傳感器對四環(huán)素的識別

為了評估In-sbdc檢測四環(huán)素(tetracycline,TC)的識別能力,研究人員測試了對其他常用抗生素的識別反應(yīng),包括磺胺類藥物、大環(huán)內(nèi)酯類藥物、氨基糖苷類藥物、氯霉素類藥物、β-內(nèi)酰胺類藥物、糖肽、甲硝唑(metronidazole,MNZ)、二甲硝唑(dimetronidazole,DMZ)和硝基呋喃(furazolidone,FZD)。除MNZ、FZD和DMZ外,多種抗生素均未顯著改變In-sbdc的熒光光譜(I0/I-1<±0.03)。然而,含有硝基的抗生素通常導(dǎo)致MOF猝滅及在In-sbdc系統(tǒng)中觀察到熒光發(fā)射減弱[24]。研究人員將FZD、MNZ和DMZ的猝滅作用歸因于硝基(強吸電子基團)引起的電子缺乏。連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)作為探測探針的掩蔽元素,通過還原作用將硝基轉(zhuǎn)化為氨基以減少分子中硝基的數(shù)量[25]。據(jù)報道,ESI-MS證實參與反應(yīng)的是FZD、MNZ和DMZ還原產(chǎn)物。在5等量Na2S2O4存在的情況下,MNZ和DMZ對In-sbdc光譜的影響不明顯,FZD誘導(dǎo)的熒光猝滅達到了令人滿意的水平(60 mmol/L時I0/I-1=0.452)。相反,Na2S2O4改變了In-sbdc對TC的熒光響應(yīng)。熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)是該系統(tǒng)的主要機制。FRET發(fā)生的概率取決于傳感器和分析物之間的光譜重疊程度。In-sbdc的導(dǎo)帶能級低于TC抗生素的最低未占分子軌道。因此,In-sbdc可以作為掩蔽元件Na2S2O4實現(xiàn)對TC類抗生素的特異性檢測。最后,研究人員實現(xiàn)了MOF傳感器對TC響應(yīng)的選擇性檢測,與其他傳感器材料相比,它可以成為一種很好的傳感器探針。GAN等[26]建議使用由熒光銪基MOF組成的便攜式試紙條來快速、直觀地檢測食品樣品中的TC。Eu-MOF熒光被顯著猝滅,這意味著該檢測系統(tǒng)可能存在內(nèi)濾效應(yīng)(internal filtration effect,IFE)和FRET,因為熒光團的熒光壽命幾乎完全由FRET而不是IFE控制。為了進一步研究猝滅機理,還對Eu-MOF和Eu-MOF-TC的熒光壽命進行了評價。因此,電子可以從配體的最低未占據(jù)分子軌道轉(zhuǎn)移到TC的最低未占據(jù)分子軌道,表明PET的存在。發(fā)現(xiàn)IFE和PET對Eu-MOF的熒光猝滅有促進作用。基于Eu-MOF傳感器獲得的牛奶和牛肉中TC的LOD分別為22.71、21.24 μmol/L。采用簡單的水熱法合成Eu/Zr-MOF材料,并將其用于檢測和高效去除TC。在TC分子中,芳香族結(jié)構(gòu)的p-p相互作用有利于靜電吸附。應(yīng)用于加標(biāo)后的水樣,Eu/Zr-MOF能夠優(yōu)先吸附TC類抗生素,檢出限較低(在存在其他抗生素的情況下為0.92 mg/mL),具有顯著的回收率,回收率為93.16%～104.16%[27]。ZHAO等[28]利用Eu節(jié)點和基于5-溴間苯二甲酸配體構(gòu)建了一種快速檢測和去除TC的傳感器。由于Eu節(jié)點強大的主客體功能、天線效應(yīng)、p-p相互作用、氫鍵和TC與Eu-MOF之間的靜電吸附等優(yōu)勢,抗生素的存在使Eu-MOF的熒光被猝滅,從而使Eu-MOF的PL光致發(fā)光強度被猝滅。這種猝滅效果在0.05～60 mol/L內(nèi)與TC濃度成正比,在自來水中LOD低至3 nmol/L。

2.2 發(fā)光MOF傳感器對氯霉素的識別

AMIRIPOUR等[29]制備了分子印跡聚合物/金屬有機框架(molecularly imprinted polymer,MIP)MIP/Zr-LMOF,用于熒光檢測抗生素氯霉素(chloramphenicol,CAP)。配體中的p-p*躍遷導(dǎo)致Zr-LMOF出現(xiàn)發(fā)射峰。配體到金屬電子躍遷途徑中配體對苯二甲酸ATA與Zr-O簇配合產(chǎn)生Zr-LMOF框架。研究了Zr-LMOF中Zr-O簇與2-NH2-ATA對苯二甲酸的相互作用,以及CAP對Zr-LMOF熒光強度的增強作用。這種MOF具有高靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性等優(yōu)點。Zr-LMOF對實際樣品(牛奶和蜂蜜)的檢出限分別為0.11、0.13 mg/L。ZHOU等[30]通過選擇膦酸配體4-吡啶基二異氰酸酯(CH2PO3H2)2(H4L)和配體2,2′-雙咪唑(H2biim),通過控制反應(yīng)溫度,水熱法合成了2種結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同的鎘基Cd-MOF [Cd1.5(HL)(H2biim)0.5](1)和(H4biim)0.5·[Cd2(L)(H2biim)Cl](2)。基于高物理化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的發(fā)光穩(wěn)定性,這兩種MOF材料在水中、模擬環(huán)境系統(tǒng)和真實魚水系統(tǒng)中對不同LODs的CAP進行了快速、可重復(fù)、高靈敏度和選擇性的發(fā)光傳感。進一步的傳感機理研究表明,靜態(tài)猝滅、弱相互作用、PET、IFE和競爭吸收的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致了CAP的高猝滅效應(yīng)。Cd-MOF(1)和Cd-MOF(2)的在水中的檢出限分別為7.50×10-7、3.23×10-8mol/L。

2.3 發(fā)光MOF傳感器對含氮抗生素的識別

2.3.1 發(fā)光MOF傳感器對硝基咪唑類抗生素的識別

ZHANG等[31]制備了金屬有機框架/分子印跡聚合物MIL-53(Fe)@MIP和MIL-53(Fe)兩種MOF復(fù)合材料,提出了利用熒光傳感器檢測抗生素甲硝唑的方法。這些MOF的熒光猝滅特性各不相同。出現(xiàn)這種熒光猝滅現(xiàn)象的原因是MIL-53(Fe)@MIP的氧化程度較低,此外,電荷從MNZ分子轉(zhuǎn)移到MOF分子。MIL-53(Fe)@MIP具有顯著的熒光猝滅能力,可以用作發(fā)光傳感平臺。制備的MIL-53(Fe)@MIP具有較高的靈敏度,LOD為53.4 nmol/L。YANG等[32]利用對稱的1,3,5-三苯甲酸配體制備了一種檢測硝基咪唑的Tb-MOF。由于Tb-MOF的孔徑非常小,其表面發(fā)生熒光猝滅。此外,Tb-MOF的壽命幾乎保持不變,這表明在MNZ和DMZ的整個反應(yīng)過程,Tb-MOF與分析物之間沒有大量的非共價相互作用,而是一個靜態(tài)猝滅過程中。由于對激發(fā)能量的競爭性吸附,Tb-MOF可以選擇性地、靈敏地檢測少量硝基咪唑類抗生素,該系統(tǒng)在緩沖溶液和水樣的LOD為2.40 mmol/L。

2.3.2 發(fā)光MOF傳感器對硝基呋喃類抗生素的識別

ZHANG等[33]利用Ln-MOF的抗干擾能力,創(chuàng)建用于抗生素識別的Ln-MOF傳感器。他們首先使用混合基質(zhì)膜開發(fā)了一種檢測硝基呋喃抗生素(nitrofuran antibiotics,NFAs)的化學(xué)傳感器,硝基呋喃酮(nitrofurazone,NFZ)和呋喃妥英(nitrofurantoin,NFT)的LOD分別為0.35、0.30 mmol/L。此外,采用Co3O4納米錨固法制備了不銹鋼絲網(wǎng)和鑭系金屬有機骨架(Ln-MOF)薄膜Eu-BCA(BCA為2,2 0-聯(lián)喹啉-4,4 0 二羧酸鹽)。NFZ和NFT的LOD分別為0.16、0.21 mmol/L。該方法已用于牛血清和河水樣品中NFAs的檢測。因此,合成的Ln-MOF傳感器可以應(yīng)用于NFAs。WANG等[34]合成了2種穩(wěn)定的等結(jié)構(gòu)Zr(IV)基MOF(BUT-12和BUT-13)。為了更好地理解BUT-12和-13對NFAs和硝基芳烴的熒光猝滅作用,本研究提出了一種猝滅機制。電子轉(zhuǎn)移和共振能量轉(zhuǎn)移共存導(dǎo)致NFAs和硝基芳烴的光致發(fā)光猝滅效應(yīng)高于其他分析物。研究結(jié)果表明,BUT-12和BUT-13對NFZ的最大Ksv值分別為1.1×105、7.5×104L/mol,BUT-12和BUT-13對NFT的最大Ksv值分別為3.8×104、6.0×104L/mol。BUT-12和BUT-13的Ksv值和標(biāo)準(zhǔn)偏差表明,它們的熒光可以被微量的NFZ和NFT有效地熄滅。BUT-12和BUT-13化學(xué)傳感器在可高效檢測水溶液中的NZF,LOD分別為58、90 mg/L。合成Eu-MOF1檢測硝基苯和硝基呋喃。在固態(tài)和乙醇溶液中,Eu-MOF1發(fā)出典型Eu3+離子的強紅色熒光。“天線”效應(yīng)誘導(dǎo)Eu-MOF1發(fā)光,其中間苯二丙烯酸配體將能量傳遞給Eu3+離子。如果硝基苯分子存在時,間苯二丙烯酸和硝基苯之間可能發(fā)生能量轉(zhuǎn)移,通過FRET過程導(dǎo)致熒光猝滅。此外,NFZ (-2.609 eV)和NFT (-2.820 eV)的最低未占據(jù)分子軌道能量低于MOF的配體,這表明電子可以從配體轉(zhuǎn)移到缺電子的NFA分析物。此外,計算得出的最低未占據(jù)分子軌道能值與猝滅效率相匹配。因此,硝基苯和硝基呋喃抗生素具有快速高效的熒光猝滅作用。此外,硝基呋喃的LOD為1.08×10-6mol/L。因此,可以采用Eu-MOF1傳感器以高靈敏度和選擇性的方式識別硝基呋喃[35]。

2.4 發(fā)光MOF傳感器對磺胺類抗生素的識別

近年來,鑭系元素發(fā)光MOFs被認(rèn)為是檢測磺胺類抗生素的理想傳感器。這是因為鑭系元素具有天線效應(yīng)、大斯托克位移、長發(fā)光壽命和強發(fā)射等光學(xué)特性。REN等[36]構(gòu)建了一種水穩(wěn)定的二維銪金屬有機框架(Eu-MOF),并將其作為一種潛在的探針,用于對磺胺甲惡唑(sulfamethoxazole,SMZ)進行靈敏、可逆的發(fā)光傳感,該探針在不同抗生素中對SMZ具有很高的選擇性。采用水熱法合成了一個著名的經(jīng)典有機構(gòu)筑單元—1,3,5-三(4-羧基苯基)苯(H3BTB)。H3BTB具有剛性的大分子結(jié)構(gòu),而且還可以作為共軛電子供體敏化稀土金屬。Eu-MOF完全分散在水中,由于敏化劑H3BTB向Eu(III)離子進行了有效的能量轉(zhuǎn)移,因此顯示出典型的高分辨銪紅色熒光發(fā)射。在水中逐步添加SMZ抗生素后,由于IFE效應(yīng),觀察到Eu-MOF的發(fā)射強度逐漸減弱。這種Eu-MOF有可能成為一種靈敏、可逆和選擇性檢測水環(huán)境中SMZ的傳感器,其LOD在0.65 μmol/L水平。

刺激響應(yīng)型金屬有機凝膠(metal-organic gels,MOGs)因其低密度、高比表面積和多孔性,被認(rèn)為是高效檢測抗生素的智能傳感探針。2018年,QIN等[37]報道了一種抗水解穩(wěn)定發(fā)光的Tb(III)基金屬有機凝膠MOG(Tb),該凝膠由Al基MOG通過Tb(III)對Al(III)金屬節(jié)點取代構(gòu)建而成,可用于水介質(zhì)中抗生素的高效檢測。由于天線效應(yīng),鋱基金屬有機凝膠(MOG(Tb))在615、585、544、491 nm波長處發(fā)出典型的綠色熒光,衰減壽命長達1.27 ns,量子產(chǎn)率高達18.5%。在MOG(Tb)干凝膠中加入磺胺類抗生素SMZ和磺胺嘧啶(sulfadiazine,SDZ)后,發(fā)現(xiàn)熒光猝滅效果很強(>99%),這是因為抗生素有效吸收了激發(fā)能量,導(dǎo)致鋱(Ⅲ)離子的敏化作用減弱。MOGs對SMZ和SDZ的最高KSV值分別為8.0×104、4.1×104L/mol,說明MOGs與磺胺類抗生素具有高親和力。對磺胺類藥物的LOD為mg/L級。這種綠色合成策略可進一步擴展到開發(fā)智能MOG,使其在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.5 發(fā)光MOF傳感器對氟喹諾酮類抗生素的識別

氟喹諾酮類抗生素(fluoroquinolone antibiotics,FRQ)被廣泛用于治療多種細(xì)菌感染。例如,環(huán)丙沙星就是一種常見的氟喹諾酮類抗生素,在全球范圍內(nèi)用于治療與呼吸道、泌尿道和關(guān)節(jié)等有關(guān)的各種感染。FRQ分為4種喹諾酮類衍生物,屬于廣譜殺菌劑,可同時對抗革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌。ZHONG等[38]合成了2種結(jié)構(gòu)獨特且異構(gòu)的基于In(III)三維開放框架結(jié)構(gòu),即BUT-172和BUT-173,用于在水中選擇性地識別FRQ抗生素。利用一種大型三位配體H3CTTA通過水熱法有效地轉(zhuǎn)化成In(III) MOFs。BUT-172和BUT-173顯示出優(yōu)異的高孔隙率,其微孔體積和表面積分別為0.66 cm3/g和 0.67 cm3/g、1 357 m2/g和1 366 m2/g。這2種MOFs的熒光發(fā)射光譜相似,在380 nm波長處觀察到配體的發(fā)射最大值,在FRQ抗生素尤其是諾氟沙星和環(huán)丙沙星存在的情況下,即使在50 μg/L的水平上也能有效猝滅。有趣的是,其他類型的抗生素和非氟喹諾酮類抗生素的猝滅效果很差。在不同常見干擾物質(zhì)如金屬陽離子、酸和離子等存在下,進一步驗證了其高選擇性。作者推測,有效的熒光猝滅是由于MOFs和抗生素之間的競爭性光吸收以及MOFs與抗生素之間的共振能量轉(zhuǎn)移造成的。這些In(III)MOFs在水中具有可重復(fù)性、低LOD和高穩(wěn)定性,因此是在競爭性環(huán)境中有效檢測FRQ抗生素的理想傳感器。

2.6 發(fā)光MOF傳感器對β-內(nèi)酰胺類抗生素的識別

JALILI等[39]構(gòu)建了一種復(fù)合MOF材料(gCDc/AuNCs@ZIF-80),作為比率熒光探針傳感器用于頭孢氨芐(cephalexin,CFX)檢測。該探針在520、630 nm處觀察到雙熒光發(fā)射中心。CFX選擇性猝滅ZIF-8中的gCDc/AuNC。該探針改善了CFX的傳感性能。gCDc/AuNCs@ZIF-8的LOD較低(0.4 ng/mL),線性范圍較大(0.1～6 ng/mL)。該探針具有高靈敏度和選擇性,可以在痕量水平上更可靠地定量檢測CFX。此外,所制備的傳感探針成功地檢測了牛奶樣品中的CFX。

XING等[40]最近還開發(fā)了一種基于Cd-MOF的熒光探針,用于在水中選擇性地靈敏檢測抗生素頭孢曲松鈉(ceftriaxone sodium, CRO)。將1,4-雙(2-甲基-咪唑-1-基)丁烷和1,2-苯二乙酸有機連接體與Cd(NO3)2·4H2O混合形成Cd-MOF。該探針能夠在pH=4～11檢測CRO。有機配體與鎘(II)離子顯示出獨特的配位,即增加了配體構(gòu)象的剛性,p-p*躍遷降低了配體激發(fā)態(tài)的輻射衰減并產(chǎn)生可觀察到的發(fā)射帶。從Cd-MOF到分析物的共振能量轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致Cd-MOF熒光猝滅的主要原因之一。計算得出CRO的LOD為μg/L級。進一步的研究證實,Cd-MOF也可用作熒光探針檢測工業(yè)廢水和污水中的CRO。

2.7 發(fā)光MOF傳感器對其他獸用抗生素的識別

YI等[41]通過在MIL-53(Al)中包埋Eu3+,合成了一種簡便有效的Eu3+后功能化MIL-53(Al)熒光探針(Eu3+@MIL-53 [Al])。研制的熒光探針首次用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水體和水產(chǎn)品中孔雀石綠(malachite green,MG)的檢測。該探針具有高選擇性識別能力、高靈敏度和良好的再生能力。通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移MG有效地關(guān)閉Eu3+@MIL-53(Al)發(fā)光,從而實現(xiàn)MG傳感。正如預(yù)期的那樣,Eu3+@MIL-53(Al)是一種令人滿意的熒光傳感器,可以快速、可逆地識別養(yǎng)殖水體和水產(chǎn)品中非法添加的MG。所測樣品的LOD為0.057 μmol/L,定量限(limit of quantitation,LOQ)為0.19 μmol/L。

LIU等[42]以ZIF-8@TPE為熒光團,以適配體為識別單元,研究了一種檢測卡那霉素(kanamycin, Kana)的新型無標(biāo)記熒光適配體傳感器。ZIF-8@TPE的熒光可被ATP通過競爭性配位反應(yīng)猝滅。利用ZIF-8@TPE上的Kana-aptamer與靶標(biāo)卡那霉素結(jié)合前后的構(gòu)象變化,可以實現(xiàn)對卡那霉素的高靈敏度監(jiān)測。該方法線性范圍寬,檢出限低,特異性好。此外,通過改變適體序列,為食品樣品分析中其他抗生素的敏感檢測提供了可行的方法。

3 結(jié)論與展望

本文簡要介紹了發(fā)光MOFs的傳感機制和優(yōu)勢,及其在食品中抗生素類獸藥殘留分析物的熒光傳感檢測方面的應(yīng)用。表1列出了本文中總結(jié)的檢測結(jié)果。

表1 發(fā)光MOFs傳感器在抗生素類獸藥殘留檢測中的應(yīng)用Table 1 Some applications of luminescent MOFs based sensors for veterinary antibiotics residues detection

本文介紹了臨床常用幾種獸藥,這些分析物導(dǎo)致了發(fā)光MOFs及其復(fù)合物的熒光發(fā)射響應(yīng)。基于發(fā)光MOFs的熒光傳感器大多數(shù)仍屬于“信號關(guān)閉”機制,少數(shù)傳感器基于“信號開啟”機制。鑒于有毒有害物質(zhì)種類繁多,對食品和環(huán)境安全的影響巨大,設(shè)計更多基于發(fā)光MOFs的傳感器是當(dāng)務(wù)之急。近年來,MOF材料的研究取得了顯著的進展,尤其是在食品中有害物質(zhì)的檢測方面。為了全面評價目前的研究現(xiàn)狀,對發(fā)光MOF材料的研究需要重視以下幾個方面:

a)提高發(fā)光MOF的水穩(wěn)定性和可重復(fù)性。這可以通過在發(fā)光MOFs中引入高價金屬和含氮、磷多齒有機配體來實現(xiàn)。

b)提高發(fā)光MOFs的熒光穩(wěn)定性,尤其是在目標(biāo)物檢測方面。可以通過強化高穩(wěn)定配位鍵、引入疏水基團、使連接配體剛性化、增加連接數(shù)等策略提高發(fā)光MOF的穩(wěn)定性,或者在MOFs表面包覆疏水分子、聚合物等方法提高其穩(wěn)定性。

c)提高目標(biāo)物定量分析的吸附效率:①精確控制發(fā)光MOFs的通道,孔徑與目標(biāo)物分子尺寸相匹配;②提高MOF孔隙親和力,可通過調(diào)整有機配體親電基團的數(shù)量來增加結(jié)合目標(biāo)物;③增加氫鍵結(jié)合位點,可通過在MOFs上引入含氧官能團來增強其對目標(biāo)物的結(jié)合力。

總之,基于發(fā)光MOFs的熒光傳感器可以為食品相關(guān)分析物的化學(xué)傳感以及微生物和細(xì)胞的生物檢測應(yīng)用開辟一個新的方向。因此,通過熒光傳感和其他功能的結(jié)合將擴大功能化發(fā)光MOFs在醫(yī)療診斷和治療以及光電器件等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。