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 動物科技學院,河南 洛陽,471000)

2(西南大學 動物醫學院,重慶,400715)

3(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)

中國是動物源性食品生產消費大國,肉、蛋、奶等動物源性食品是人類非常重要的蛋白質來源,動物源性食品中的抗生素類獸藥殘留對人類健康產生重要影響。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、促進我國食品貿易的關鍵。近年來,隨著畜牧業養殖和水產規?？焖侔l展,抗生素類獸藥除了被廣泛用于預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]。據統計,全世界每年用于畜牧業和水產養殖等領域的獸用抗生素消耗量至少為63 000 t,預計到2030年增至106 600 t。使用量較大的獸藥包括喹諾酮類、四環素類、磺胺類等?？股乇粍游飻z入后,在動物組織、器官和食用產品中富集殘留,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、液相色譜質譜聯用法、氣相色譜質譜聯用法、酶聯免疫吸附法等。盡管這些方法通常用于目標化合物的驗證,但也存在著設備昂貴、樣品前處理耗時費力、操作復雜等問題,不能滿足實際監管檢測需求。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,這在檢測目標分析物中起著關鍵作用。發光金屬-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點組成,是有效緩解食品安全監測問題的有力選擇[4]。由于MOFs的組成構件具有多樣性,熒光可以來自MOFs內的金屬中心和配體,并且可以通過構件之間的相互作用來調節其光學特性[5]。除了從MOFs的子單元產生熒光外,一些光響應成分也可以被包覆在MOFs中以誘導熒光,從而實現廣泛的應用。熒光MOFs與溶膠-凝膠熱法結合被用于許多目標化學物的檢測[6],包括有毒化學物質,揮發性有機化合物、生物大分子、氣體,甚至目標條件(如濕度、溫度和pH)。另外,MOFs的靈活設計方式能夠使其與食品檢測系統的復雜環境兼容。發光MOFs的熒光變化主要依賴于目標分子和相關MOFs之間的電子/能量轉移。其中,MOFs中的超高孔隙率和功能位點有助于目標物的可逆性濃縮,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構相結合,為設計新型發光MOFs材料以滿足日益嚴格的食品安全和食品質量要求提供了絕佳的機會。重要的是,發光MOFs可以通過修飾各種識別分子定制其構建模塊以實現其對目標分子的特定識別[7]。相應地,熒光可以通過多個熒光中心之間的相互作用/互動來調節,從而開發出新型的雙發射比率傳感器。隨著多個熒光單元的引入,發光MOFs具有更短的響應時間、更高的靈敏度、更好的抗干擾能力和遠程監控的可能性,可以在食品行業的許多意想不到的領域中應用。與傳統的傳感技術相比,這些材料在食品基質中的穩定性和可調控性為抗生素類獸藥殘留分析提供了獨特的應用機會。

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

圖1 MOFs 熒光傳感機制和在抗生素類獸藥殘留中應用

1 MOFs熒光傳感器原理

光致發光為冷發光的一種類型,被定義為由電子或振動激發態電子自發輻射。分子發光的機制可以概括為光子的吸收和電子從基態(S0)到激發態。激發態包括不穩定的第一激發態S1和第二激發態S2。從S1或S2返回到S0的電子產生熒光。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移增強了其熒光[9](圖2)。發光材料的特性是由引入各種配體的過程決定的,例如配體-金屬電荷轉移(ligand metal charge transfer,LMCT)、金屬配體電荷轉移(metal ligand charge transfer,MLCT)、金屬基發射、配體基發光發射(配體局部發射)、天線效應、吸附物發射,準分子/激發態絡合物發射和表面活性。配位雙發射MOFs的發射機制主要包括配體到配體的電荷轉移(ligand-ligand charge transfer,LLCT)、金屬中心發射(如LMCT)和配體中心發射(如MLCT)[10]。MLCT和LMCT與MOFs中最低激發態能級的相對高度有關。如果有機配體的最低激發態能級的能量低于金屬離子,則電荷可以從金屬離子轉移到有機配體上發光,這是MLCT過程。相反,如果有機配體的最低激發態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移發光過程是LMCT過程[11]。

a-MOFs中的可能發射模式;b-MOFs能量傳遞原理圖

1.1 基于金屬中心的發射

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的多孔特性相結合,為設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,并導致低的吸附效率,鑭系離子的發光需要被有機配體“敏化”[12]。在這種情況下,在發光MOFs中引入有機發光配體可以促進或破壞能量轉移的過程,從而促成能量從配體轉移到鑭系離子,增強其光吸收能力。這被生動地稱為“天線效應”。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可能導致“天線效應”,在水中觀察到了弱的紅色反應。在Hg2+的存在下,金屬轉移反應也引發了“天線效應”,導致了紅色發射的增強。所制備的發光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 基于有機配體的發射

配體發射主要依賴于MOF框架結構中使用各種配體電荷轉移來實現,包括MLCT、LLCT和配體內電荷轉移。MOF的MLCT發光是指金屬離子受到光的照射,將能量轉移到配體上,使激發態由金屬變為配體,配體從外界吸收發光能量躍遷到基態S0并發出熒光的過程,這種熒光通常出現在具有氧化性d6、d8、d10電子構型和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通過系間跨越轉化為三重激發態MLCT。電子從單重激發態MLCT返回到基態(S0)后出現熒光發射,從三重激發態MLCT返回到S0后出現磷光發射。MLCT發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特征發射的主要貢獻者。如WANG等[14]設計了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,金屬節點與配體之間的強配位鍵使所制備的MOF具有較高的穩定性。MOFs在相應的有機羧酸配體的相同激發下表現出相似的發射特性,表明熒光主要來自所設計的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整[15-16],MOFs的發光可以很容易地被功能性配體調整。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,并導致與Fe3+的電子轉移,導致LC發射的熒光猝滅和新發射的增強,從而可以對Fe3+進行熒光感應。

1.3 基于客體分子的發射

除了有機配體和金屬離子產生的熒光外,客體分子在開發發光MOFs中也起著重要作用,例如載覆發光物質以提高熒光,或添加與分析物特異性結合的官能團。MOFs具有多孔性的獨特網絡結構可以捕獲客體分子,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光MOF的發射,還可以使發光MOF在復雜的食品系統中對不同的靶標發揮多種功能。MOFs的結構多樣性、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所需的功能,它可以被專門定制,從而在食品安全領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,構建具有熒光性能的MOFs復合材料,以準確識別所需分析物。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+離子的轉化效率。此外,鑭系MOFs已經被用作熒光探針,由于配體到金屬離子的分子內能量轉移。Eu3+@UiO-66(20)也是通過Eu3+后期功能化設計出Zr-MOFs中,它表現出Fe3+明顯的熒光猝滅效應。

1.4 基于聚集誘導發光的發射

AIEgens功能化MOF不僅繼承了AIEgens AIE特性和MOF的許多優點,而且由于這種強大的結合使其熒光發射效率和傳感性能顯著提高。因此,可以預期,在剛性多孔MOF基體中引入AIE功能基團將使其在特定應用領域具有優越的發光性能。SHUSTOVA等[18]首次使用新設計的1,1,2,2-四(4-羧基苯基)乙烯配體構建基于四苯乙烯(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,得到2種不同拓撲結構的強熒光Zr MOF。此外,HU等[19]利用吡啶修飾的TPE配體構建了熒光MOF,用于高效、選擇性地檢測真菌毒素。這些開創性的研究揭示了MOF和AIE組合的巨大潛力。

1.5 基于分子內運動受限的發射

1.6 基于框架變形的發射

開發有信號的AIE MOF的關鍵是盡量減少其熒光背景。盡管原位分子內運動受限機制是一種有效的方法,但需要仔細設計框架中的激發態分子動態AIE過程。因此,基于框架變形(framework deformation,FD)開關的機制提供了一個可行的途徑?；贔D的AIE MOF的信號關閉狀態可以通過在構建單元中摻入熒光猝滅劑來簡單實現,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-脫離發射策略,用于分析細胞器內谷胱甘肽。以四苯基乙烯衍生物(tetra(4-pyridylphenyl)ethylene,TPPE)為連接體,以CuII為金屬節點的Cu-tpMOF表現出非常弱的發射,因為電子從連接體轉移到CuII的過程。加入谷胱甘肽(glutathione,GSH)后,Cu-tpMOF在中性pH值下可以變亮并發出綠色信號,這是由于CuII在框架中通過GSH的競爭性結合而部分脫離。在酸性環境中,Cu-tpMOF可以完全被GSH解離,并且這一過程因TPPE的質子化而加速。因此,Cu-tpMOF可用于細胞器中GSH的雙通道比率成像及細胞質和溶酶體的相關治療。猝滅-局部區域發射策略為AIE MOF在活細胞中的傳感和生物成像提供了一個新的例子[22]。

2 發光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致多重耐藥細菌的形成,這些細菌可通過食物攝入在人類體內引發耐藥基因,造成重大健康風險。根據美國衛生部的數據,美國每年約有200萬人感染抗生素耐藥細菌,導致約2.3萬人死亡[23]。因此,開發一種快速、經濟的用于食品樣品中抗生素類獸藥殘留現場檢測的傳感器對人類健康和環境安全至關重要。

2.1 發光MOF傳感器對四環素的識別

為了評估In-sbdc檢測四環素(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,包括磺胺類藥物、大環內酯類藥物、氨基糖苷類藥物、氯霉素類藥物、β-內酰胺類藥物、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致MOF猝滅及在In-sbdc系統中觀察到熒光發射減弱[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化為氨基以減少分子中硝基的數量[25]。據報道,ESI-MS證實參與反應的是FZD、MNZ和DMZ還原產物。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。熒光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)是該系統的主要機制。FRET發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實現對TC類抗生素的特異性檢測。最后,研究人員實現了MOF傳感器對TC響應的選擇性檢測,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可能存在內濾效應(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分子軌道轉移到TC的最低未占據分子軌道,表明PET的存在。發現IFE和PET對Eu-MOF的熒光猝滅有促進作用?；贓u-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,芳香族結構的p-p相互作用有利于靜電吸附。應用于加標后的水樣,Eu/Zr-MOF能夠優先吸附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節點和基于5-溴間苯二甲酸配體構建了一種快速檢測和去除TC的傳感器。由于Eu節點強大的主客體功能、天線效應、p-p相互作用、氫鍵和TC與Eu-MOF之間的靜電吸附等優勢,抗生素的存在使Eu-MOF的熒光被猝滅,從而使Eu-MOF的PL光致發光強度被猝滅。這種猝滅效果在0.05～60 mol/L內與TC濃度成正比,在自來水中LOD低至3 nmol/L。

2.2 發光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*躍遷導致Zr-LMOF出現發射峰。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、穩定性和可重復性等優點。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),通過控制反應溫度,水熱法合成了2種結構和性質不同的鎘基Cd-MOF [Cd1.5(HL)(H2biim)0.5](1)和(H4biim)0.5·[Cd2(L)(H2biim)Cl](2)?；诟呶锢砘瘜W穩定性和優異的發光穩定性,這兩種MOF材料在水中、模擬環境系統和真實魚水系統中對不同LODs的CAP進行了快速、可重復、高靈敏度和選擇性的發光傳感。進一步的傳感機理研究表明,靜態猝滅、弱相互作用、PET、IFE和競爭吸收的協同效應導致了CAP的高猝滅效應。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 發光MOF傳感器對含氮抗生素的識別

2.3.1 發光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。出現這種熒光猝滅現象的原因是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,而是一個靜態猝滅過程中。由于對激發能量的競爭性吸附,Tb-MOF可以選擇性地、靈敏地檢測少量硝基咪唑類抗生素,該系統在緩沖溶液和水樣的LOD為2.40 mmol/L。

2.3.2 發光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,創建用于抗生素識別的Ln-MOF傳感器。他們首先使用混合基質膜開發了一種檢測硝基呋喃抗生素(nitrofuran antibiotics,NFAs)的化學傳感器,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和鑭系金屬有機骨架(Ln-MOF)薄膜Eu-BCA(BCA為2,2 0-聯喹啉-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傳感器可以應用于NFAs。WANG等[34]合成了2種穩定的等結構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。電子轉移和共振能量轉移共存導致NFAs和硝基芳烴的光致發光猝滅效應高于其他分析物。研究結果表明,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值和標準偏差表明,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。在固態和乙醇溶液中,Eu-MOF1發出典型Eu3+離子的強紅色熒光?！疤炀€”效應誘導Eu-MOF1發光,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生能量轉移,通過FRET過程導致熒光猝滅。此外,NFZ (-2.609 eV)和NFT (-2.820 eV)的最低未占據分子軌道能量低于MOF的配體,這表明電子可以從配體轉移到缺電子的NFA分析物。此外,計算得出的最低未占據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 發光MOF傳感器對磺胺類抗生素的識別

近年來,鑭系元素發光MOFs被認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、大斯托克位移、長發光壽命和強發射等光學特性。REN等[36]構建了一種水穩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典有機構筑單元—1,3,5-三(4-羧基苯基)苯(H3BTB)。H3BTB具有剛性的大分子結構,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移,因此顯示出典型的高分辨銪紅色熒光發射。在水中逐步添加SMZ抗生素后,由于IFE效應,觀察到Eu-MOF的發射強度逐漸減弱。這種Eu-MOF有可能成為一種靈敏、可逆和選擇性檢測水環境中SMZ的傳感器,其LOD在0.65 μmol/L水平。

刺激響應型金屬有機凝膠(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定發光的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)金屬節點取代構建而成,可用于水介質中抗生素的高效檢測。由于天線效應,鋱基金屬有機凝膠(MOG(Tb))在615、585、544、491 nm波長處發出典型的綠色熒光,衰減壽命長達1.27 ns,量子產率高達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,發現熒光猝滅效果很強(>99%),這是因為抗生素有效吸收了激發能量,導致鋱(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智能MOG,使其在不同領域得到廣泛應用。

2.5 發光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菌感染。例如,環丙沙星就是一種常見的氟喹諾酮類抗生素,在全球范圍內用于治療與呼吸道、泌尿道和關節等有關的各種感染。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種結構獨特且異構的基于In(III)三維開放框架結構,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化成In(III) MOFs。BUT-172和BUT-173顯示出優異的高孔隙率,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的熒光發射光譜相似,在380 nm波長處觀察到配體的發射最大值,在FRQ抗生素尤其是諾氟沙星和環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移造成的。這些In(III)MOFs在水中具有可重復性、低LOD和高穩定性,因此是在競爭性環境中有效檢測FRQ抗生素的理想傳感器。

2.6 發光MOF傳感器對β-內酰胺類抗生素的識別

JALILI等[39]構建了一種復合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,即增加了配體構象的剛性,p-p*躍遷降低了配體激發態的輻射衰減并產生可觀察到的發射帶。從Cd-MOF到分析物的共振能量轉移是導致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廢水和污水中的CRO。

2.7 發光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養殖水體和水產品中孔雀石綠(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移MG有效地關閉Eu3+@MIL-53(Al)發光,從而實現MG傳感。正如預期的那樣,Eu3+@MIL-53(Al)是一種令人滿意的熒光傳感器,可以快速、可逆地識別養殖水體和水產品中非法添加的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猝滅。利用ZIF-8@TPE上的Kana-aptamer與靶標卡那霉素結合前后的構象變化,可以實現對卡那霉素的高靈敏度監測。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 結論與展望

本文簡要介紹了發光MOFs的傳感機制和優勢,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用。表1列出了本文中總結的檢測結果。

表1 發光MOFs傳感器在抗生素類獸藥殘留檢測中的應用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,這些分析物導致了發光MOFs及其復合物的熒光發射響應?；诎l光MOFs的熒光傳感器大多數仍屬于“信號關閉”機制,少數傳感器基于“信號開啟”機制。鑒于有毒有害物質種類繁多,對食品和環境安全的影響巨大,設計更多基于發光MOFs的傳感器是當務之急。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的檢測方面。為了全面評價目前的研究現狀,對發光MOF材料的研究需要重視以下幾個方面:

a)提高發光MOF的水穩定性和可重復性。這可以通過在發光MOFs中引入高價金屬和含氮、磷多齒有機配體來實現。

b)提高發光MOFs的熒光穩定性,尤其是在目標物檢測方面?？梢酝ㄟ^強化高穩定配位鍵、引入疏水基團、使連接配體剛性化、增加連接數等策略提高發光MOF的穩定性,或者在MOFs表面包覆疏水分子、聚合物等方法提高其穩定性。

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

總之,基于發光MOFs的熒光傳感器可以為食品相關分析物的化學傳感以及微生物和細胞的生物檢測應用開辟一個新的方向。因此,通過熒光傳感和其他功能的結合將擴大功能化發光MOFs在醫療診斷和治療以及光電器件等領域的潛在應用。