一种由Zn-MOF和钙离子组成的比率荧光探针，可用于灵敏且可视化地检测多西环素

《Analytica Chimica Acta》：A ratiometric fluorescent probe consisting of Zn-MOF and calcium ion for sensitive and visual detection of doxycycline.

多西环素检测MOF荧光传感器设计及其比率荧光探针应用研究，基于Zn-MOF与Ca2+协同作用，实现低检测限（1.25 μM）和高选择性检测，通过荧光强度比值实现定量分析，并具备颜色可视化特征。

　　

杨楠|康乐|姚伟|徐宝通|冯云辉|弗拉基米尔·P·费丁|高恩军

中国辽宁省-俄罗斯镁材料精细分离“一带一路”联合实验室，辽宁科技大学化学工程学院，鞍山114051，中国

摘要

背景

全球抗生素的消费量正在稳步上升，多西环素在畜牧业和COVID-19的治疗中得到了广泛使用。这种抗生素的过度使用可能导致残留积累，并带来潜在的健康风险。传统的检测方法通常复杂且耗时，而荧光分析具有高灵敏度和快速响应等优点。在本研究中，开发了一种基于MOF的简单高效荧光传感器用于多西环素的检测，具有重要的实际应用前景。

结果

本文成功合成了一种独特的3D金属有机框架Zn[C₁₈H₁₆O₄N₄]·C₂H₆SO·2H₂O (Zn-MOF)，并通过SEM、PXRD、FTIR、TGA和UV-vis对其进行了分析。Zn-MOF在430 nm处的荧光被Zn-MOF与多西环素之间的静态淬灭和内部过滤效应所抑制，检测限为2.01μM。同时，Ca²⁺可以与多西环素结合形成Zn-MOF，在550 nm处产生新的荧光信号。通过混合Zn-MOF和Ca²⁺，可以创建一个比率荧光探针。荧光强度比(F₅₅₀/F₄₃₀)与多西环素浓度显示出良好的线性关系，检测限为1.25 μM。该比率荧光探针的荧光检测效率几乎是单一金属有机框架的两倍。

意义

该比率荧光探针在离子溶液和抗生素溶液中均表现出优异的选择性和稳定性。随着多西环素浓度的增加，探针和Ca²⁺的颜色从蓝色变为黄色，从而可以直观地检测多西环素，便于其在实际应用中的快速检测。

引言

过去几十年中，全球抗生素的使用量持续增加，并被广泛应用于疾病的预防和治疗。[1]，[2]。Thomas P. Van Boeckel等人估计，用于食品生产动物的抗生素全球消费量将增长67%，从63151±1560吨增加到105,596 ± 3,605吨[3]。由于抗生素的过度使用，它们很容易通过牲畜或人类的排泄物以及医院、实验室和制药行业的废弃物排放到生态环境中[4]。在这些被过度使用的抗生素中，多西环素（Dox）是一种重要的四环素类抗生素[5]。它在水产养殖业中得到广泛应用，因为其对水生动物的杀菌作用持续时间较长，并能有效治疗革兰氏阴性菌感染、支原体或衣原体感染[6]，[7]。在养殖业发展中，它与某些营养饲料混合使用或直接施用于养殖动物，可以有效预防细菌感染和疾病风险，提高动物食品产量，受到许多农民的青睐[8]。此外，近年来多西环素还被广泛用作治疗COVID-19的辅助药物[9]。然而，过量摄入多西环素会对人体健康造成严重损害，包括细菌耐药性、消化系统疾病、继发感染、肝毒性以及与血液相关的问题，如中枢神经系统和贫血[10]。因此，抗生素的微量检测已成为当前研究的重点。目前，多西环素的传统主要检测方法包括高效液相色谱、生物传感器、酶联免疫测定、薄层色谱、毛细管电泳、电化学和伏安法等[11]，[12]，[13]，[14]，[15]。然而，大多数方法需要复杂的样品预处理，这不仅繁琐而且耗时，从而限制了其在实际检测中的应用。最近，荧光分析作为一种有效、灵敏且简单的方法出现，成功解决了上述挑战。在先前的研究中，Eu³⁺与荧光纳米材料的结合已被用作各种四环素类抗生素的比率荧光检测的有效试剂[16]，[17]。然而，铕价格昂贵且对环境不友好，限制了其广泛应用。因此，有必要探索一种精确、快速、有效且简单的方法来检测多西环素。

金属有机框架（MOFs）是一种具有周期性网络结构的结晶多孔材料，通过金属离子或簇（无机节点）与功能配体（连接剂）之间的配位键和分子间相互作用组装而成[18]。MOFs因其独特的通道结构、可修饰的骨架结构和高比表面积而被广泛应用于金属离子、抗生素、挥发性有机化合物、硝基炸药、氨基酸等物质的检测[19]，[20]，[21]，[22]，[23]。目前，过渡金属原子（如Zn和Cd）表现出d¹⁰电子构型。这些离子能够通过电荷转移过程独立或与有机配体协同发射荧光，并已被广泛用于荧光MOFs的合成和研究[24]，[25]。为了构建多西环素的荧光探针，本工作中使用了过渡金属（Zn）作为金属中心，并将其与含有大量氮和氧活性位的配体连接起来，设计了一种新型的3D Zn-MOF（Zn[C₁₈H₁₆O₄N₄]·C₂H₆SO·2H₂O）。研究表明，特定的金属离子可以与非荧光或弱荧光的有机分子结合形成强荧光复合物。例如，Xia等人通过将铝离子与诺氟沙星配位，开发了一种“开启”荧光的方法来检测诺氟沙星[26]。类似地，El-Kommos等人通过将喹诺酮类抗生素与锆、钼、钒、钨等金属离子配位，合成了荧光复合物来检测喹诺酮类抗生素[27]。这表明，通过将荧光材料与金属离子结合构建比率荧光探针可以用于检测抗生素和有机分子，提高检测方法的准确性和抗干扰能力。此外，据报道，酮类化合物的分子内氧基和羟基与Ca²⁺配位会形成稳定的六元环复合物，增强结构平面刚性，减弱多西环素的分子内振动，从而产生新的荧光峰[28]，[29]，[30]，[31]。基于先前的研究，设计了一种基于Zn-MOF/Ca²⁺的比率荧光探针来检测多西环素。

试剂和仪器

氧四环素（Oxy）（≥98%）、氯霉素（Chl）（98%）、罗红霉素（Rox）（98%）、四环素（CP）、硫霉素（Thi）（99.5%）、阿奇霉素（Azm）（98%）、盐酸氯四环素（USP）、奥尼达唑（Orn）（98%）、阿莫西林（Amo）（≥99%）、磷酸二氢钾（98%）和磷酸一氢钾（99.5%）均购自Macklin（上海，中国）；1,4-双(2-乙基咪唑-1-基)对苯二甲酸购自Henhua（济南，中国）；N,N-二甲基甲酰胺（DMF）

晶体结构

通过单X射线晶体XRD分析，Zn-MOF属于正交晶系，空间群为Pccn。每个BETA^2-与四个Zn（Ⅱ）离子配位（图1a）。每个Zn离子与四个原子配位，分别是来自四种不同有机配体的两个氮原子和两个氧原子（图1b）。Zn-O和Zn-N的键长分别为1.934 ?和2.026 ?，O-Zn-O、O-Zn-N和N-Zn-N的角度分别为132.65°、103°和110.3°。

结论

通过使用1,4-双(2-乙基咪唑-1-基)对苯二甲酸作为配体并加入锌离子，采用溶剂热法合成了一种新型的Zn-MOF。Zn-MOF可以与Ca²⁺结合形成用于检测多西环素的比率荧光探针。在0至160 μmol·L^-1的浓度范围内，检测限低至1.25 μmol·L^-1

CRediT作者贡献声明

康乐：撰写——原始草稿、验证、方法学、研究、数据管理。杨楠：撰写——原始草稿、数据管理。弗拉基米尔·费丁：撰写——审阅与编辑、方法学。冯云辉：监督。徐宝通：监督。姚伟：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金筹集。高恩军：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、资金筹集

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

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利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：高恩军报告称，中国国家自然科学基金提供了财务支持、设备、药物或用品，以及统计分析。高恩军还报告称，辽宁省杰出教授提供了财务支持、设备、药物或用品。姚伟报告称，...

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：21671138和U1608224）、辽宁省杰出教授、辽宁省教育厅的基础研究项目（LJ212510146013）以及营口市企业双创计划（YKSCJH2023-017）的支持