用于二吡咯酸比率荧光传感的单发射铕金属有机框架

《Microchemical Journal》：Single-emission europium metal-organic framework for ratiometric fluorescent sensing of dipicolinic acid

比率荧光检测二吡咯酸（DPA）的新型金属有机框架（MOFs）材料。5-IPA-Eu MOFs在420 nm处显示单一发射，DPA通过配位作用激发Eu3+产生632 nm红发射，形成强度比检测体系，检测限87 nM，并实现深蓝→紫红可视化颜色变化。开发便携试纸用于现场快速筛查炭疽杆菌生物标志物。

　　

黄玉萌|吴臻|陈文哲|王琳琳|肖婷婷|尹学波

上海工程技术大学化学与化学工程学院前沿医学技术研究所，中国上海201620

摘要

炭疽杆菌是炭疽病的致病菌，被归类为A级生物恐怖主义威胁物质，而二吡咯烷酸（DPA）可作为探测炭疽杆菌的关键生物标志物。本文制备了一种单发射铕金属有机框架（5-IPA-Eu MOFs），其波长为420纳米，以5-氨基间苯二甲酸（5-IPA-NH₂）作为配体，用于DPA的比率荧光检测。DPA作为目标分子，能与Eu³⁺离子发生强烈的配位作用，从而在632纳米处激发其红色荧光，因此可以通过632纳米和420纳米处的强度比实现DPA的比率荧光传感。632纳米处的荧光由DPA诱导产生，因此背景信号几乎为零，检测限达到87纳摩尔，并且对DPA具有优异的选择性。从深蓝色到紫红色的明显颜色变化实现了DPA的可视化检测。机制研究表明，DPA与Eu³⁺离子之间的强配位作用和能量水平匹配产生了天线效应荧光。因此，我们报道了这种目标诱导的二次发射现象，作为单发射MOFs进行比率荧光传感的有效策略，简化了制备过程并消除了背景干扰。我们仔细研究了枯草杆菌中DPA的释放行为：在孢子萌发过程中会释放DPA，而在休眠细胞面临严重压力时也会被动释放，但在其他生长阶段则不会释放。此外，还开发了一种基于便携式试纸的荧光传感器，作为快速现场检测DPA乃至炭疽杆菌的有力工具，以满足潜在生物恐怖主义场景下的紧急生物安全和军事需求。

引言

炭疽杆菌具有高致病性、强传染性以及对恶劣环境条件的显著抵抗力。吸入约10⁴个炭疽孢子后，若不及时有效治疗，36小时内可能致命[1]。二吡咯烷酸（DPA）是炭疽杆菌和梭菌释放的一种标志性成分，通过与Ca²⁺螯合促进脱水，从而在孢子抗性中起关键作用[2], [3], [4], [5], [6], [7]。因此，快速可靠地检测DPA作为炭疽杆菌和炭疽病的确证生物标志物，对于公共卫生监测和生物防御至关重要[8], [9], [10], [11], [12]。虽然已经开发了多种技术（如色谱法、质谱法和电化学测定法）来检测DPA[1], [13], [14], [15], [16]，但这些方法通常需要复杂的仪器设备，限制了其在现场或即时检测中的应用。开发一种便携式、灵敏且选择性的DPA检测传感器仍然具有重要意义[17], [18], [19], [20]。

金属有机框架（MOFs）作为一种多功能多孔材料，具有异常大的比表面积、可调的孔径大小和丰富的化学功能[21], [22], [23]。因此，MOFs被广泛应用于催化、气体储存与分离以及化学传感[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]。特别是在荧光检测方面，MOFs表现出显著优势[31], [32], [33], [34]。MOFs的骨架结构能够固定配体构象，抑制非辐射衰减，并促进配体与金属之间的能量转移[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]，这使得MOFs特别适合检测微量分析物[42], [43]。

如果MOFs被设计成双发射甚至多发射类型，其传感性能将得到显著提升，可以实现比率荧光传感，并具有自校准能力，最小化背景干扰，提高分析精度[44], [45], [46], [47], [48]。颜色变化可以实现现场可视化检测。我们提出了双发射MOFs的设计策略，其中两种不同的发光组分分别作为参考单元和响应单元[24], [44]。天线效应荧光（即Ln³⁺离子在光子吸收后通过配体敏化而产生的荧光）被广泛用于设计多发射MOFs[45], [46]。双配体策略通过整合不同配体的光学和响应特性，提高了设计的灵活性[44]。

通过引入双配体[47]、多个金属中心[48]、调节金属离子与配体之间的能量转移[36]或嵌入客体染料以实现双发射[23]，MOFs可以实现比率荧光传感。开发简单高效的比率传感策略备受关注。DPA是一种杂环二羧酸化合物，具有配位能力。如果使用DPA作为目标分子来诱导单发射MOFs的发光，就可以实现DPA的比率荧光传感。

在这项工作中，我们选择了以5-氨基间苯二甲酸（5-IPA-NH?）作为单配体的单发射Eu-MOFs，用于DPA的比率荧光检测。5-IPA-NH?无法敏化Eu³⁺，因此观察到5-IPA-Eu MOFs在420纳米处发出单发射荧光。当引入DPA后，Eu³⁺离子在632纳米处因DPA的作用而产生红色天线效应荧光，而420纳米处的蓝色荧光则因竞争性吸附而减弱。通过I₆₃₂/I₄₂₀的强度比，建立了DPA的比率荧光检测方法，颜色从深蓝色变为紫红色，实现了DPA的可视化检测（图1）。两种发射光的相对强度变化导致了明显的颜色变化，便于视觉识别。这些颜色变化克服了单发射荧光带来的视觉疲劳问题。重要的是，这些颜色变化也有利于现场监测应用。因此，双发射探针提高了比率荧光传感和视觉检测的性能。I???/I???比值提供了内部参考，减少了探针用量、激发强度或样品浑浊度变化带来的误差。同时，在紫外光照射下的明显颜色变化使得DPA水平的直观视觉检测成为可能，这与比率荧光响应一致。这种双模式读数方法适用于DPA的快速筛选和现场分析。

我们系统研究了DPA-Eu/Tb MOFs的发光行为，并将其与以间苯二甲酸（IPA）或对苯二甲酸（TPA）作为单配体的MOFs进行了比较。DPA-Eu MOFs表现出最强的天线效应荧光，这归因于DPA与Eu³⁺离子之间的强配位作用和能量水平匹配。因此，使用5-IPA-Eu MOFs作为探针时，DPA作为目标分子能够触发天线效应荧光，实现“零背景”、低检测限、快速响应和高选择性的比率荧光检测。我们研究了枯草杆菌中DPA的释放行为，并揭示了不同生长阶段的DPA水平。我们还开发了一种便携式试纸荧光传感器，作为快速现场检测DPA的有力工具。因此，我们建立了一种合理的单配体单发射MOF设计方法，通过目标诱导的二次发射提高了分析性能，适用于生物安全和环境监测应用。

部分摘录

六种镧系金属MOFs的合成

为了研究DPA-Ln MOFs的光学行为，我们使用IPA、TPA或DPA作为配体，Eu³⁺或Tb³⁺作为金属中心，通过溶剂热法制备了六种MOFs。具体来说，Eu-DPA的制备方法是：将36.6毫克（0.10毫摩尔）EuCl₃·6H?O和16.7毫克（0.10毫摩尔）DPA溶解在N,N-二甲基甲酰胺/去离子水中（体积比7:3），在室温下剧烈搅拌2小时以确保完全溶解，然后将混合物转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜中

DPA-Eu/Tb MOFs的光学性质

首先，我们通过比较IPA-和TPA-MOFs，研究了以Eu³⁺或Tb³⁺作为金属节点的DPA-MOFs的发光性质。FT-IR光谱显示，在约1650厘米^?1处存在金属-羧酸配位的不对称和对称伸缩振动。基于DPA的MOFs在约1570厘米^?1处显示出一个额外的峰，对应于吡啶环的ν(C=C/N)振动（图S1a-c）。特别是，质子化羧酸基团的不对称伸缩振动（ν??）在自由DPA中表现为一个强烈的单峰，位于约1700厘米^?1

结论

在这项工作中，我们开发了一种基于单配体、单发射Eu³⁺的比率荧光传感器，用于选择性和灵敏地检测DPA，这是细菌孢子的特征性生物标志物。通过利用单发射5-IPA-NH?-Eu MOFs和DPA的强天线效应，该系统实现了目标触发发射响应，成为传统多发射策略的简单、高效且无背景干扰的替代方案。该传感器具有快速响应（< 2分钟）、低

CRediT作者贡献声明

黄玉萌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学设计，数据管理，概念构思。吴臻：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，数据管理，概念构思。陈文哲：数据可视化，验证，数据管理。王琳琳：撰写 – 原稿，数据可视化，验证，数据管理。肖婷婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，实验研究，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22374096和22174077）的支持。