双金属镧系金属有机框架的制备及应用

本发明涉及金属有机框架制备，具体为一种双金属镧系金属有机框架的制备及应用。

背景技术：

1、四环素类抗生素是一种具有广谱抗菌性和化学稳定性的抗生素，被广泛应用于医疗、畜牧业和食品业等领域。此类抗生素的残留直接或间接导致水污染加剧、动物源性食品风险、人体发病率与死亡率增加等，因此我们有必要开发有效便捷的技术手段来监测并且去除四环素类抗生素残留所带来的风险。为了水源和人体健康，在许多国家已经禁止使用此类抗生素，并且制定了动物源性食品中四环素类抗生素最大残留量的规定。例如牛奶中四环素类抗生素的最大残留量为100 μg/kg，牛肉和猪肉中四环素类抗生素的最大残留量均为200 μg/kg。截至目前，关于四环素类抗生素残留的传统检测方法主要包括微生物法，高效液相色谱法(hplc)，液相色谱-质谱法(lc-ms)，免疫分析法等，这些方法目前存在时间成本长，稳定性差，灵敏度低，抗干扰性差等缺点，已经不能满足微量或痕量四环素类抗生素的检测需求。新兴的荧光传感分析方法受到广泛关注，具有成本低廉，操作简单，灵敏度高等优点。

2、金属有机框架(mofs)是一种由金属离子或金属簇与有机连接体自组装形成的晶态多孔材料，是一种可编程的材料。由于mofs的空间结构灵活多变而被应用于多个领域，例如气体储存与吸附分离、储能、催化、传感和生物医药等。通过调整不同金属或配体的比例，可以构建不同结构和不同性质传感器。其中，镧系金属有机骨架(ln-mofs)因其可调谐的多发光中心表现出优异的特性，例如大斯托克斯位移、长荧光寿命、尖锐的发射带。因此，ln-mofs被广泛应用于各种分析物的荧光传感器。然而，基于单发射发光中心的ln-mofs荧光传感器限制了灵敏度、抗干扰性和方法的准确性。因此，选择多发光中心的ln-mofs荧光传感器在高精度比率检测四环素类抗生素方面是解决上述问题的关键。然而，基于荧光的四环素类抗生素传感方法要实现快速响应、高灵敏度和精度还存在非常大的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于公开一种双金属镧系金属有机框架的制备方法，确定tb3+的掺杂量，通过调整eu3+的掺杂量实现了不同颜色发光ln-mofs的制备，最后确定了最适合四环素类抗生素(otc和dox)选择性检测的eu(1.4μm)-tb-mof。

2、一、eu-mof、tb-mof和eux-tb-mof的合成

3、eu-mof的合成：取eu(no3)3·6h2o和h3tatb共溶于n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮和水的混合溶剂中，超声搅拌均匀，然后放入内衬特氟隆高压容器中，在150~190℃的烘箱中保温48~72h，再以15°c/2h的速率降到室温，得到无色透明的晶体，洗涤干燥待用。

4、tb-mof的合成：tb-mof的合成与eu-mof合成方法类似，只不过将eu(no3)3·6h2o替换为tb(no3)3·6h2o。

5、eux-tb-mof的合成：eux-tb-mof的合成与eu-mof合成方法类似，只不过将eu(no3)3·6h2o替换为eu(no3)3·6h2o和tb(no3)3·6h2o共掺杂。以tb(no3)3·6h2o的掺杂量为单位定值，通过调节eu(no3)3·6h2o的掺杂量，合成了eu(0.2μm)-tb-mof、eu(0.6μm)-tb-mof、eu(1.0μm)-tb-mof、eu(1.4μm)-tb-mof、eu(1.8μm)-tb-mof和eu(2.2μm)-tb-mof杂化材料。

6、上述eu-mof和tb-mof合成过程中：eu(no3)3·6h2o或tb(no3)3·6h2o与h3tatb的摩尔比为0.3：1~ 3：1；优选为1：1。所述n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮和水的体积比为1：2：6 ~ 6：2：1；优选为5：2：3。

7、二、eu-mof、tb-mof和eux-tb-mof的表征

8、1、pxrd和ft-ir分析

9、eu-mof、tb-mof及其eux-tb-mof复合材料的结构通过pxrd测量得到证实。如图1所示，eux-tb-mof的pxrd谱图与tb-mof单晶结构的模拟数据吻合很好(图1a)，表明eux-tb-mof的纯度高并且晶相完好。此外，eu-mof、tb-mof和eux-tb-mof的pxrd图谱保持一致，表明它们的同构性，证实了eux-tb-mof复合材料的成功合成。

10、eu-mof、tb-mof及其eux-tb-mof复合材料的组成和化学元素状态通过ft-ir光谱得到证实。如图1b所示，在eu-mof、tb-mof及其eux-tb-mof复合材料的ft-ir光谱中并未观察到配体h3tatb的非离子化羧基特征峰。在3316-2500 cm-1处的宽吸收带归因于羧酸配体的o-h伸缩振动。1699 cm-1处的吸收峰归因于羧酸配体的c=o伸缩振动。1283和1580 cm-1处的特征峰归因于配体的-coo基团的对称和反对称伸缩振动。配体的-coo基团的o-h在932cm-1处存在面外弯曲振动吸收峰。此外，3455 cm-1处的宽吸收峰与吸附的h2o分子的o-h伸缩振动有关。这些结果表明，所制备的eu-mof、tb-mof和eux-tb-mof复合材料成功合成并且含有丰富的羧基和羟基官能团，而这些官能团很容易与有机物中的亲水和疏水位点结合形成稳定的化合物，极大的增加了材料的吸附动力学，从而有利于传感器性能的分析。

11、2、荧光光谱测定

12、荧光光谱是在室温下以330 nm作为激发波长记录的。将eu(1.4μm)-tb-mof (2.0mg)溶于水 (5.0 ml)中，超声搅拌30 min，获得均匀的悬浮溶液。将250μl不同浓度的抗生素水溶液分散在含有1.0 ml eu(1.4μm)-tb-mof悬浮液 (0.4 mgml-1)的比色皿中，搅拌均匀，用荧光分光光度计测量反应体系的荧光光谱。随后，使用origin插件chromaticitydiagram cie 1931对荧光光谱数据进行转换，得到色坐标上对应的坐标(x，y)。根据实验组(含otc和dox)和对照组(不含otc和dox)换算的(x，y)计算色度位移值。

13、eu-mof、tb-mof和eux-tb-mof的激发光谱和发射光谱见图2a-h。它们的激发光谱主要集中在200-390 nm范围内，最佳激发波长为330 nm。eu-mof，tb-mof，eux-tb-mof在最佳激发波长下显示了镧系元素离子的特征发射带，而配体的能量通过“天线效应”几乎全部转移到了镧系元素离子上。此外，在594，620，670，703 nm附近观察到的四个发射峰归因于eu-mof中eu(ⅲ)的5d0→7fj(j = 1，2，3，4) 跃迁。由于tb(ⅲ)的5d4→7fj(j = 6，5，4，3) 跃迁，tb-mof在490和546 nm处显示了特征发射带。正如预期的那样，双金属eux-tb-mof同时显示了eu(ⅲ) 和tb(ⅲ)的特征发射峰。值得注意的是，随着eu(ⅲ)的掺入量增加，eux-tb-mof中eu(ⅲ)的特征发射与eu-mof相比逐渐升高，而tb(ⅲ)的特征发射与tb-mof相比逐渐降低，这可能归因于eux-tb-mof中tb(ⅲ) 到eu(ⅲ)的能量转移。

14、双金属mof的eu(ⅲ)和tb(ⅲ)离子的掺杂量是影响mof荧光传感性能最关键因素，需要精心编辑。首先调节了eu(ⅲ)和tb(ⅲ)离子的掺杂比例，为了mof材料实现高灵敏度监测，通过控制tb(ⅲ)离子的掺入量，掺入不同量的eu(ⅲ)离子，可实现不同荧光颜色的光致发光行为。eux-tb-mof(x = 0.2、0.6、1.0、1.4、1.8、2.2)(单位：μm)均能表现出eu(ⅲ)和tb(ⅲ)离子的特征发射峰，而引入土霉素(otc)和多西环素(dox)后，eux-tb-mof的特征发射峰均被淬灭，淬灭程度＞90%。图右上角的插图可以直观地展示实验现象，并且左上角的cie坐标图也表明eu(1.4μm)-tb-mof的色度位移值(0.17247，0.14486)远大于其他eu(0.2μm，0.6μm，1.0μm、1.8μm、2.2μm)-tb-mof的色度位移值(图3a-f)。综上所示，eu(1.4μm)-tb-mof最有利于实现otc和dox的高灵敏度和高精度的荧光检测。与此同时，也监测了eu-mof和tb-mof作为otc和dox的荧光传感器的传感性能(图3g-h)。结果表明，eu-mof和tb-mof的荧光强度虽被淬灭，但淬灭程度均低于85%，图右上角的插图可以直观地展示实验现象，并且eu-mof和tb-mof的色度位移值远小于eu(1.4μm)-tb-mof的色度位移值的色度位移值。总之，相比于单发射荧光探针，比率型荧光探针有较大的色度位移值，检测线低，灵敏度高等优点。

15、3、热稳定性

16、通过热重分析(tga)研究了eu-mof、tb-mof和eu(1.4μm)-tb-mof的热稳定性。如图4所示，eu-mof和tb-mof分别在438.46和477.57 ℃范围内有较小的重量损失，表明两个单体mof具有良好的热稳定性。此外，eu(1.4μm)-tb-mof在366.77 ℃范围内的重量损失可能归因于水分子和游离溶剂分子的去除。第二次失重出现在366.77-474.06 ℃的温度范围内，这可能归因于配位溶剂分子的去除。随着温度继续升高，骨架开始出现坍塌。tga曲线表明eu(1.4μm)-tb-mof具有良好的热稳定性。

17、4、耐液稳定性

18、接着研究了eu(1.4μm)-tb-mof在水里30天的水稳定性。如图5a所示，eu(1.4μm)-tb-mof在水里浸泡前后的pxrd图谱几乎没有变化，表明骨架没有发生坍塌并且具有良好的水稳定性。同时，分别监测了eu-mof、tb-mof和eu(1.4μm)-tb-mof(546 nm和620 nm)的荧光寿命(图5b)，其拟合函数分别显示寿命为0.692 ms，0.725 ms，0.402 ms和1.938 ms。此外，关于ph效应，我们选择磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液来测试eu(1.4μm)-tb-mof的耐酸碱性(图6a)。eu(1.4μm)-tb-mof的荧光强度( i546/ i620)在ph为2.6至8.0的范围内表现出最小的变化，这表明eu(1.4μm)-tb-mof适合在强酸和弱碱性介质中使用。

19、5、sem和xps分析

20、通过扫描电子显微镜(sem)测量了eu(1.4μm)-tb-mof的形貌与结构。如图7a-b所示，sem显示eu(1.4μm)-tb-mof具有不规则的长方体形貌。eu(1.4μm)-tb-mof的能量色散(eds)表明存在c、n、o、eu和tb五种元素(图7c-h)。sem结果表明eu(1.4μm)-tb-mof的成功合成。xps用于研究eu(1.4μm)-tb-mof复合材料表面的元素组成和化学结构。如图6b所示，观察到eu(1.4μm)-tb-mof的xps谱图中eu，tb，c，o元素的存在，表明复合材料成功合成。由于eu(1.4μm)-tb-mof中eu3+的掺杂量极低(图6c)，低于5%故eu 3d高分辨率光谱显示了强度很低的四个特征峰1165.25ev、1155.13ev、1132.85 ev、1121.73 ev，分别归因于eu3+3d3/2、eu2+3d3/2、eu3+3d5/2、eu2+3d5/2。图6d描述了tb 3d的高分辨率光谱，分别在1274.89 ev和1240.08ev处显示了两个峰tb 3d3/2、tb 3d5/2。c 1s的xps谱中286.88ev、284.80 ev和283.08 ev处的三个峰归因于c-n、c-c和c=o(图6e)。o 1s的xps谱中530.70ev、529.81 ev和529.17 ev处的三个峰归因于c=o、eu-o/tb-o和c-o(图6f)。

21、三、eux-tb-mof的应用探究

22、1、荧光检测otc 和 dox

23、为了探讨eu(1.4μm)-tb-mof检测otc和dox的能力，研究了不同浓度的otc和dox对eu(1.4μm)-tb-mof传感器的荧光光谱。我们制备了浓度为1×10-3m的常见抗生素水溶液(nms、lcm、str、cap、pen g、cfx、pcg、rox、sdz、otc和dox)作为干扰物质来研究eu(1.4μm)-tb-mof传感器的选择性和抗干扰能力(图8a-c)。结果表明该传感器仅对四环素类抗生素(otc和dox)敏感，干扰物质的存在并不影响otc和dox的准确响应，表明eu(1.4μm)-tb-mof传感器对otc和dox具有优异的选择性与抗干扰能力。如图8d-e所示，随着otc和dox逐渐增加，eu(1.4μm)-tb-mof的荧光强度逐渐淬灭。色度偏移值(y)与低浓度范围内的otc(x，0-60 μm)和dox浓度(x，0-172 μm)之间分别存在良好的线性关系( r2= 0.998， r2= 0.998)(图8f-i)，方程分别为y =0.00034x-0.000176，y =0.00063x-0.000522。根据公式 lod=3 σ/ k，计算出检测线分别为8.6nm和4.8 nm。

24、对于实际应用，时间响应是测试中必须考虑的重要因素。在添加otc和dox后，eu(1.4μm)-tb-mof的比率荧光强度( i546/ i620)立即增强，并在12秒和15秒后长时间保持稳定(图8l-m)。表明eu(1.4μm)-tb-mof可以作为otc和dox的快速响应探针。为了验证eu(1.4μm)-tb-mof稳定性与经济成本效益，对eu(1.4μm)-tb-mof的可重复使用性进行了研究 (图8j-k)。eu(1.4μm)-tb-mof识别otc和dox后，用dmf：h2o(v:v = 1:1)洗涤以去除otc和dox，离心，干燥并重新使用。eu(1.4μm)-tb-mof在经过4和5次循环之后，荧光强度几乎保持稳定，表明eu(1.4μm)-tb-mof具有高度的稳定性与循环使用性。

25、总之，与之前使用各种材料进行otc和dox传感的报告相比，我们提出的传感策略具有较低的成本、比率检测特性、可视化、优异的特异选择性、宽检测范围与低检测线等优点。

26、2、otc 和 dox的传感机理

27、首先探索了骨架坍塌引起的淬灭，pxrd结果表明eu(1.4μm)-tb-mof结构在整个传感过程中几乎没有变化，表明mof和otc和dox相互作用后没有发生结构坍塌 (图9a)。我们选择otc为例，分别测量了eu3+、tb3+、h3tatb、eu3++h3tatb，tb3++h3tatb，eu3++tb3++h3tatb和eu(1.4μm)-tb-mof存在下的荧光光谱。如图9g所示，只有eu(1.4μm)-tb-mof对otc反应体系有显著的荧光淬灭作用，而其他混合物均不能实现。如图9b所示，otc和dox与eu(1.4μm)-tb-mof反应后，吸收光谱出现明显红移并且吸收强度明显增大，表明它们之间共轭度增加，而且eu(1.4μm)-tb-mof的激发光谱大范围覆盖了otc和dox的吸收光谱，表明otc和dox吸收了eu(1.4μm)-tb-mof的激发光，导致内滤效应(ife)增强，从而淬灭了eu(1.4μm)-tb-mof的荧光。同时，eu(1.4μm)-tb-mof的发射光谱与otc和dox的吸收光谱几乎没有重叠，这排除了荧光共振能量转移导致的淬灭。ftir光谱进一步探索了eu(1.4μm)-tb-mof和otc和dox之间的相互作用。如图9c所示，与eu(1.4μm)-tb-mof、otc和dox相比，添加otc和dox后eu(1.4μm)-tb-mof的ft-ir光谱没有产生新的官能团，也证明没有新的络合物产生。如图9e-f分别描述了添加otc和dox前后eu(1.4μm)-tb-mof在546和620 nm处的荧光寿命，根据检测结果绘制瞬态荧光光谱。瞬态荧光光谱根据方程式进行拟合以获得荧光寿命。τave= (a1τ12+a2τ22) / (a1τ1+a2τ2) 其中τave代表平均寿命，τ1和τ2代表拟合寿命，a1和a2代表τ1和τ2的相对占有率。结果显示荧光寿命没有明显的变化，表明其为静态淬灭过程。此外，我们使用dft方法计算了h3tatb，otc和dox的最低未占据分子轨道(lumo)和最高占据分子轨道(homo)的相对能量。如图9d所示，otc和dox具有较低的未占据分子轨道(lumo：-0.20878ev和-0.25098ev)，可以有效增强h3tatb(lumo：-0.09453ev)到otc和dox的光致电子转移(pet)过程，从而导致荧光淬灭。

28、我们从分析水平(静电势分析)模拟了eu(1.4μm)-tb-mof和otc、dox的主客体相互作用。首先分析了h3tatb、otc和dox的静电势面，h3tatb的羧基氧原子周围esp更负，意味着该区域对otc和dox具有很强的吸引力，因此羧基氧原子最有可能是otc和dox的结合位点。其次，我们发现otc的正电子均集中在羟基氧原子和-nh2集团周围，dox的正电子均集中在中心六元环的羟基氧原子上，这意味着该区域含有空轨道，会和h3tatb带负电的羧基氧原子结合形成强氢键，从而导致电子转移到分析物otc和dox上，进而导致eu(1.4μm)-tb-mof的荧光淬灭。综上所述，荧光淬灭机制是ife、静态淬灭和pet共同作用的结果。

29、3、真实食品样品中的应用

30、牛奶前处理：在5.0 ml牛奶中加入1.0 ml三氯乙酸，目的是去除蛋白质和脂质，超声处理均匀。将混合物在3000 rpm转速下离心10 min，上清液用0.22μm孔径滤膜过滤，并在4 ℃温度下冷藏直至使用。

31、牛肉和猪肉前处理：取适量均质化的牛肉和猪肉于试管中，加入40.0 ml na2edta缓冲溶液，在冰水浴中超声均匀提取上清液，然后在3000rpm转速下离心10min，用0.22μm孔径滤膜过滤。

32、为了验证eu(1.4μm)-tb-mof的实用性，测试了牛奶、牛肉和猪肉样品中otc和dox的残留量。采用标准添加法加入不同浓度的otc和dox (0、30、60、90 μm)，得到一系列待测样品，通过otc和dox的回收率评价探针的准确性。样品回收结果总结在表1中。在真实样品中未检测到otc和dox，探针的回收率令人满意，牛奶中otc和dox的回收率分别为100.3-101.39%和99.67-101.77%，rsd分别低于3.21%和2.69%；牛肉中的回收率分别为95.17-103.45%和101.69-109.63%，rsd分别低于3.54%和4.05%；猪肉中的回收率分别为92.0-103.08%和101.1-104.23%，rsd分别低于4.56%和3.46%。上述结果证明eu(1.4μm)-tb-mof探针具有良好的准确性和精密性，可用于真实样品中otc和dox的检测。

33、表1实际样品中otc和dox的测定结果

34、

35、为使分析检测方法简单化，我们用智能手机取代笨重且昂贵的荧光分光光度计来提高整体的效率。如图10所示，在荧光皿中添加不同浓度的otc和dox样品，并与eu(1.4μm)-tb-mof混合。在365nm紫外灯照射下，用智能手机捕获样品的荧光图像。智能手机装有专门识别的荧光图像的分析程序。通过捕捉荧光图像的颜色来提取rgb值，并且可以通过计算红色(r)和蓝色(b)的比率来计算otc和dox的浓度。从图中我们发现随着otc和dox的加入，eu(1.4μm)-tb-mof的荧光逐渐被淬灭。如图所示，otc和dox的浓度分别和r/b值保持良好的线性关系( r2=0.998， r2=0.995)。计算得出相应的lod为9.8nm和14.2 nm。结果表明，基于智能手机的传感器可以有效且快速地检测不同浓度的otc和dox，具有令人满意的稳定性和精确性。

36、4、潜在指纹可视化

37、潜在指纹(lfp)作为个人的独特特征，对于身份识别和刑事破案具有重要参考价值。手指上布满了皮下脂肪，即使再干净的手也会在各种物体上留下指纹。然而，lfp在日光下很难用肉眼观察到，这就需要化学方法使其可视化。在本工作中，eu-mof，tb-mof和eux-tb-mof因其相对较小的纳米尺寸和可调谐的荧光发光被用于开发潜在指纹可视化。首先，我们将浸有油脂的手指指纹印在光滑的玻璃基材上，然后将ln-mofs研细，均匀喷洒在印好的指纹上，用吹风机轻轻吹掉多余的材料。为了不影响指纹的图案细节，用柔软的刷子轻轻扫动lfp的指纹脊和指纹沟。如图11所示，我们采集了不同志愿者的lfp，可以清晰地看到不同ln-mofs的荧光脊线和无色的脊沟。ln-mofs仅对指纹脊进行了染色并未对指纹沟和背景染色，排除了背景干扰，具有较高的选择性和精度。除此之外，我们可以清晰的用肉眼观察到指纹的三级详细特征，包括一级细节(指纹形状、螺纹和环)、二级细节(指纹末端脊、分叉和岛)和三级细节(疤痕、脊宽度和毛孔的微观特征)，对这些指纹特征进行精细分析，对于刑事案件调查起到至关重要的作用。

38、此外为了证实ln-mofs在日常生活中的适用性，我们在扳手、扑克牌、香烟盒和水杯等各种基材的表面上进行lfp显影。如图12所示，在365 nm紫外灯下，各种基材上的指纹图案显示出明亮的荧光，并且指纹上的脊线和脊沟均可用肉眼观察到。这些独特的特征信息展示了ln-mofs作为lfp显影材料的巨大潜力。

39、综上，在本发明中，利用基于ln-mofs的双发射荧光化学传感器(eu(1.4μm)-tb-mof)成功开发了用于现场检测otc和dox的智能手机辅助平台。通过调整镧系离子的配比，该传感器具有优异的选择性和对otc和dox双关闭响应，并且其他类抗生素也不会造成明显干扰，实现了高灵敏性、精度和可视化的otc和dox检测。通过静电势分析和密度泛函理论理论计算揭示了传感机理。更重要的是，ln-mofs被成功开发用于潜在指纹识别，在330 nm激发下能够产生多种颜色的荧光发射，为刑事领域侦查提供了更可靠的材料。此外，该传感器还成功应用于牛奶、牛肉和猪肉中otc和dox的回收检测。我们相信，这种高效的策略可以扩展ln-mofs在基于智能手机的荧光传感器的应用范围，为便携式和高精度的荧光传感器传感其他污染物铺平了道路。