基于双发射固态电化学发光技术的分子印迹传感器，用于检测四环素（该技术利用双核Ru(II)配合物的发光特性）

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Molecularly imprinted sensor based on dual emitting solid-state electrochemiluminescence of dinuclear Ru(II) complex for detecting tetracycline

本研究设计合成了三种四苯乙ylene桥连双核钌配合物（STM1-STM3），通过修饰末端terpyridine配体调控其电化学发光性能。STM1表现出最优的固体态ECL发射。利用共价有机框架（COFs）作为纳米反应器固定STM2，构建的ECL传感器对四环素检测灵敏度高（检测限4.5×10?1? M），线性范围广（5×10?1?-1×10?12 M），并成功应用于食品样品检测。

　　

刘光艳|罗彦祺|蔡家音|刘倩|高皓楠|侯世利

新疆科技学院化学与纺织工程学院，库尔勒841000，中华人民共和国

摘要

本文设计并合成了三种四苯乙烯桥联的双核钌配合物（STM1、STM2和STM3），通过分别用己氧基、三乙二醇单甲醚和烯氧基修饰末端2,2′:6′,2″-吡啶配体来实现。光物理研究表明，这些配合物在正负电位下均表现出优异的固态电致化学发光（ECL）性能。STM1具有最高的ECL强度，STM2表现出中等ECL活性，而STM3的发光效率最低。随后，利用共价有机框架（COFs）作为纳米反应器，并以STM2作为ECL探针，成功将STM2固定在PDA-COF基质中，制备了STM2@PDA-COF复合材料。令人惊讶的是，STM2@PDA-COF在阴极ECL光谱下的发光强度是STM2的5.3倍。此外，结合分子印迹技术，基于STM2@PDA-COF复合材料的固态ECL传感器被用于四环素的检测，显示出优异的检测性能。在最佳条件下，该传感器的ECL响应与四环素浓度对数呈良好的线性关系，检测范围为5×10^-17 M至1×10^-12 M，检测限低至4.5×10^-18 M（3σ/S）。此外，该传感器已用于食品样品中四环素的检测，并具有良好的回收率，表明其在食品安全和环境监测方面具有很好的实用性。本研究不仅为设计高性能固态ECL探针提供了新策略，还为痕量四环素的检测建立了一种高效的分子印迹传感器。

引言

电致化学发光（ECL）由于其高灵敏度、宽线性范围、操作简便性和稳定性等优点，被广泛应用于离子检测[1]、癌症生物标志物[2]、RNA分析[3]、抗生素监测[4]、环境监测[5]和食品安全[6]等领域。ECL发光体主要分为无机材料、有机材料和纳米材料。金属配合物属于无机材料类别，通过金属阳离子与配体的相互作用形成。配体在调节金属阳离子的反应性中起着关键作用。氮原子具有孤对电子，能够与多种过渡金属阳离子配位，使得含氮配体成为配位化学中的重要组成部分。在已报道的氮配体体系中，2,2′:6′,2″-吡啶是一种独特的配体，可用于螯合金属阳离子形成金属配合物[7]。当与钌[8]、铱[9]、锇[10]或铂[11]配位时，2,2′:6′,2″-吡啶显著增强了所得配合物的光物理和电化学性质。此外，在吡啶上引入额外的官能团可以进一步改善其性能，为各种应用带来显著优势。在双金属配合物中，两个等价的金属中心通过共轭桥实现电荷转移[12]，同时表现出优异的化学和热稳定性。由于电化学、光物理和光化学性质，钌配合物特别具有吸引力，常被用作活性组分。研究表明，双金属钌配合物具有更优越的光物理特性[13][14][15][16]，包括比单金属配合物更长的激发态寿命[17]。凭借这些独特的光学和电化学性质，基于2,2′:6′,2″-吡啶的双金属配合物在构建高灵敏度和选择性的ECL传感器方面具有巨大潜力。然而，目前2,2′:6′,2″-吡啶配体在ECL中的应用主要局限于金属-有机凝胶系统[18][19]。值得注意的是，双金属钌配合物尚未被用于ECL应用。

将四苯乙烯（TPE）与强吸电子基团连接起来可以使分子具有双重ECL发射[20][21][22]。基于2,2′:6′,2″-吡啶的钌配合物骨架是一个强吸电子基团，具有显著的电子接受能力。因此，设计了以TPE为桥接单元的双核钌配合物基质，将两个基于2,2′:6′,2″-吡啶的钌配合物框架连接起来。这一设计旨在实现固态双重ECL发射，并进一步研究了所得配合物在传感领域的性能。

四环素（TC）作为一种广谱抗生素，被广泛用于水产养殖和畜牧业[23]。它不仅用于治疗动物的泌尿系统和呼吸系统感染，还用作动物饲料中的生长促进剂。然而，其过度使用会导致通过生物链在动物源性食品（如肉类和乳制品）中积累残留物[24]，对人类健康构成潜在风险。抗生素的滥用加速了耐药菌株的出现和传播，不仅降低了临床治疗效果，还破坏了微生物群落平衡，对生态系统和公共安全造成严重影响[25]。目前，四环素的主要检测方法包括高效液相色谱[26]、比色法[27]和荧光（FL）检测[28]。然而，这些方法存在仪器昂贵、程序复杂和灵敏度低等局限性。相比之下，分子印迹技术具有特异性识别优势，为选择性问题提供了潜在解决方案，并显著简化了样品预处理过程。结合分子印迹技术和ECL技术构建的传感器表现出优异的选择性和高灵敏度。

本文合成了三种四苯乙烯桥联的双核钌配合物（STM1、STM2和STM3），每个配合物由一个四苯乙烯骨架连接两个2,2′:6′,2″-吡啶钌单元组成，如图1a所示。通过修饰双核钌配合物末端的吡啶配体，对其ECL性能进行了优化。具体来说，STM1的两端引入了烷基链以增加分子柔韧性并提高疏水性，而STM2引入了烷氧基聚醚链以增强分子柔韧性和亲水性。STM3则通过引入烯氧基团来降低分子柔韧性并提高疏水性。在相同的仪器参数条件下，这些固态材料在正负电位下均表现出显著的双重发射ECL性能。如图1b所示，其中STM1的ECL强度最强，其次是STM2，STM3的ECL性能最弱。ECL传感应用常常面临反应物与发光体接触有限以及聚集引起的淬灭等问题。共价有机框架（COFs）纳米反应器的出现可能为解决这些问题提供新的机会[29][30]。利用PDA-COF作为纳米反应器，以STM2作为ECL探针，将STM2固定在PDA-COF上，制备了STM2@PDA-COF复合材料。与STM2/K2S2O8的ECL系统相比，STM2@PDA-COFs/K2S2O8的ECL强度显著增强。这归因于PDA-COF的大表面积、受限空间和稳定的多孔结构。这不仅使得大量STM2能够负载在PDA-COF上，更重要的是，PDA-COF为K2S2O8的电化学氧化和SO4^•-的存活提供了受限的反应微环境。此外，还基于STM2@PDA-COF复合材料制备了用于四环素检测的固态ECL分子印迹传感器。传感器的制造过程包括将STM2@PDA-COF复合材料滴涂在玻璃碳电极（GCE）表面，得到改性的STM2@PDA-COF/GCE。然后在含有-o-苯二胺和模板分子（TC）的溶液中进行电聚合，形成分子印迹聚合物（MIP）膜，得到改性的MIP/STM2@PDA-COF/GCE。洗脱后，去除模板分子，暴露出大量印迹腔体。重新吸附后，印迹腔体再次被分析物占据。在检测四环素时，随着分析物浓度的增加，ECL强度降低（图1c）。此外，所制备的MIP传感器应用于食品样品中的四环素检测，表现出高灵敏度和选择性。

材料

4′-(4-己氧基-3-甲氧基苯基)-2,2′:6′,2″-吡啶钌(III)三氯化物（1）、4′-(3-甲氧基-4-(2-(2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基)苯基)-2,2′:6′,2″-吡啶钌(III)三氯化物（2）、4′-(4-烯氧基-3-甲氧基苯基)-2,2′:6′,2″-吡啶钌(III)三氯化物（3）和1,2-双(4′-([2,2′:6′,2″-吡啶]-4′-基)-[1,1′-联苯]-4-基)-1,2-二苯乙烯（4）的制备方法及表征在补充材料中有详细描述。

STM1的代表性合成

1 (0.129 g, 0.2 mmol), 4

四苯乙烯桥联的双核钌配合物的设计、合成和表征

为了提高钌配合物的ECL性能，通过在2,2′:6′,2″-吡啶配体上引入烷基链、烷氧基链和烯氧基团来增加空间位阻并提高生物相容性。引入烷基链可能延长了化合物的激发态寿命并提高了其疏水性。引入烷氧基聚醚链可能

结论

在本研究中，制备的四苯乙烯桥联的双核钌配合物在固态下表现出优异的双重发射ECL性能。其中，末端配体上带有烷基链的STM1表现出最强的固态双重发射。这是因为长烷基链增强了分子间相互作用，导致聚集行为加剧。此外，STM2@PDA-COF复合材料显示出显著放大的发射强度，表明PDA-COF起到了重要作用

CRediT作者贡献声明

罗彦祺：撰写——原始草稿，实验研究。刘光艳：撰写——原始草稿，方法学设计。刘倩：实验研究。蔡家音：实验研究。侯世利：撰写——审阅与编辑，方法学设计，概念构思。高皓楠：实验研究。

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竞争性财务利益或个人关系。

刘光艳是桂林理工大学的副教授，研究兴趣为电致化学发光。