三重发射双金属In-MOF探针，用于基于智能手机的食品安全检测中放射性核素、农药和生物标志物的多重分析

《Microchemical Journal》：Triple-emission bimetallic ln-MOF probe for smartphone-based multiplex detection of radionuclides, pesticides, and biomarkers in food safety

　　杨柯|刘楠|范世民|沈玉东|孟凡军|杨涵|刘晓兰|徐伟
宁波大学材料科学与化学工程学院，中国宁波315211

**摘要**
对便携式多功能食品安全传感器的迫切需求推动了三发射双金属镧系金属有机框架探针[H3O][EuTb(BTCTB)(FA)](1′)的开发（其中H3BTCTB = 4,4′,4″-苯-1,3,5-三羰基(亚氨基)三苯甲酸；FA = 甲酸）。该探针能够对炭疽生物标志物DPA（检出限：3.20 μM）和Th4+（检出限：1.53 μM）实现比率荧光增强，而对杀虫剂MMT（检出限：3.61 μM）和UO22+（检出限：1.83 μM）则表现出荧光淬灭作用。值得注意的是，1′通过相反的响应实现了对Th4+/UO22+的区分检测。通过多种光谱分析和DFT计算详细讨论了不同物质的检测机制。该探针具有高选择性、快速响应（<2分钟）和抗干扰能力。它能够准确检测水果中的MMT（回收率：98.2–101.8%）、海鲜/海水中的Th4+/UO22+（97.5–102.3%）以及血清中的DPA（98.7–101.5%），所有这些的相对标准偏差（RSD）均小于2.0%。一种集成在智能手机上的平台通过浓度依赖的颜色变化实现了现场可视化定量，支持环境监测、核安全和生物安全应用。

**引言**
随着对提高生活质量的关注日益增加，人们对环境和食品安全的担忧也随之增强。农药、重金属和放射性元素等关键污染物在食品供应链中的发现越来越频繁[1][2]。其中，钍和铀等放射性核素对食品安全构成了特别隐蔽的威胁[3]。这些锕系元素通常用于工业过程和医疗应用[4][5]，可能通过受污染的灌溉水和土壤在农业系统中积累。Th4+和UO22+离子容易进入水产品和农作物，并可能通过食物链浓缩[6]。长期摄入这些放射性核素与严重的健康后果有关，包括增加患肺癌、胰腺癌和骨癌的风险，以及肾衰竭和细胞突变[7][8]。现有的食品安全监测系统在检测生产链中的放射性核素污染物方面存在显著局限性，因为传统的单离子淬灭方法越来越显得不足[9][10]。这一关键的分析缺口凸显了开发新型双响应荧光探针的迫切需求，这些探针能够实现区分性检测。

农药在农业和林业中广泛用于促进植物和作物生长，但其无差别使用可能导致严重的危害，包括土壤退化和水污染。此外，当食品中的农药残留超过允许限度或污染土壤和水源时，会带来重大的健康风险[11]。生物有机小分子2,6-二吡啶酸（DPA）是细菌孢子的标志性生物标志物，主要由炭疽杆菌及其相关细菌产生。炭疽杆菌是一种杆状、能形成孢子的细菌，产生的孢子具有高度传染性，可导致人类和动物致命的败血症[12]。药品原料特别容易受到细菌孢子的污染，这会削弱治疗效果。由于DPA在炭疽杆菌中的特异性存在，它成为病原体检测的关键诊断标志物，从而有助于预防和减轻由药物污染引起的炭疽爆发[13][14]。已经开发了多种方法来检测农药、放射性核素和生物有机小分子，包括质谱法、免疫测定法、拉曼光谱法和荧光检测法[15][16][17][18][19]。然而，许多这些技术往往繁琐、耗时且效率低下。相比之下，荧光分析因其高选择性、灵敏度、低仪器成本和快速响应而受到越来越多的关注[20]。尽管如此，开发新型检测系统和提高检测效率仍然是一个重大挑战。这些健康风险和食品安全问题凸显了需要具有更高灵敏度和选择性的先进检测技术的迫切需求。

发光金属有机框架（LMOFs）在荧光传感、发光材料、电子显示、非线性光学和生物成像方面展示了巨大潜力，这得益于其可调的框架和孔结构以及出色的发光性能[21][22]。其中，基于稀土的金属有机框架（Ln-MOFs）具有独特优势，如超长荧光寿命、较大的斯托克斯位移、尖锐的发射峰和高量子产率，使其在化学传感应用中特别有前景[23][24]。与通常容易受到背景光、温度波动和其他环境因素干扰的单发射传感器不同，多发射荧光传感器被认为是构建可靠传感平台的理想选择。这些系统在同一激发波长下提供不同波长的发射峰，从而为分析测量提供了自我校正机制。特别是三发射系统比双发射探针有显著进步。虽然双发射探针提供了一个内部参考用于比率自我校准，但三发射系统拥有两个或更多独立的参考通道。这为每种分析物创建了一个更高维的“指纹”，极大地提高了区分检测多个分析物的能力，并通过提供冗余的校准途径增强了抗复杂基质干扰的能力[25][26]。目前，基于单发射Ln-MOFs的荧光传感器已被广泛用于多分析物检测，而双发射荧光传感器也取得了实质性进展。例如，Yue等人（2023年）利用镧系双金属MOFs通过荧光光谱法检测磺胺甲噁唑[27]；同样，Sameera等人（2023年）使用精心设计的双配体双发射MOF材料实现了叶酸的快速检测[28]。三发射系统的关键优势在于其多维响应。它将分析物识别从单一比率（双发射中的I1/I2）转变为多个发射变化的独特组合，为每种分析物提供了更独特的“指纹”，显著提高了多分析物检测的区分能力。对于Ln-MOFs来说，这是通过单个天线配体同时敏化三个独立发射中心（例如，配体、Tb3+、Eu3+）实现的，其相对强度由特定分析物差异调节[29]。三发射探针相比传统传感器具有独特优势，通过多个参考信号提供内置自我校准，并能够同时高精度检测多个分析物。尽管有这些优点，但其开发仍然具有挑战性，特别是对于需要精确控制三个发射中心的稀土系统。因此，设计稳定的三发射Ln-MOFs代表了先进传感应用的关键研究前沿。

在此，我们使用4,4′,4″-苯-1,3,5-三羰基(亚氨基)三苯甲酸（H3BTCTB）和甲酸（FA）作为配体，通过溶剂热法合成了双金属镧系金属有机框架材料[H3O][EuTb(BTCTB)(FA)](1′)。化合物1′被设计为具有独特的单激发三发射特性。选择这四种分析物是因为它们代表了主要的食品污染类别，并从探针中引发两种不同的响应模式：该探针作为比率传感器用于检测DPA和Th4+离子并增强荧光，同时作为杀虫剂MMT和UO22+离子的淬灭传感器。该探针表现出优异的选择性、快速响应、强大的抗干扰能力和出色的可回收性。值得注意的是，化合物1′是首个能够在相同条件下区分检测Th4+和UO22+的荧光探针，表现出相反的荧光响应（增强 vs. 淬灭）。我们成功将1′应用于复杂食品基质（包括水果和多种海鲜）中的目标分析物检测，实现了高达98–105%的回收率。此外，还开发了一种便携式集成在智能手机上的视觉检测平台，通过浓度依赖的颜色变化实现了目标分析物的快速现场定量，显著提升了实时环境和生物监测能力。通过全面的光谱和理论分析阐明了其传感机制。

**材料与仪器**
4,4′,4″-苯-1,3,5-三羰基(亚氨基)三苯甲酸（H3BTCTB）的合成方法如先前报道[30]。实验中使用的所有其他试剂和溶剂均为市售的分析级产品，无需进一步纯化。对于实际样品分析，从Sangon Biotech（上海）有限公司购买了胎牛血清（分析级）。水果样品包括葡萄、桃子、梨、蓝莓、柑橘和瓜类，以及海鲜样本。

**晶体结构描述**
[H3O][Tb(BTCTB)(FA)](1)的单晶X射线衍射分析显示，化合物1结晶于单斜晶系，空间群为P21/m。如图1a所示，不对称单元包含一个Tb(III)离子、一个甲酸根和一个完全脱质子的H3BTCTB配体。Tb(III)中心采用八配位的十二面体几何结构，由三个不同H3BTCTB配体的双齿羧基氧原子连接（Tb–O = 2.334(5)–2.433(5) ?）。

**实际样品应用和检测的智能可视化**
系统评估了化合物1′在三个关键应用场景中的实际效用。如图S25所示，初步的荧光表征显示其在血清基质中的兼容性非常好，在330 nm发射波长下观察到最小的干扰，为后续分析建立了清晰的基线。在此基础上，该探针在加标回收研究中表现出出色的分析性能。对于血清中DPA的检测，该方法……

**结论**
总之，本研究提出了一种新型的双金属Ln-MOF，具有独特的三发射特性，能够通过特征荧光响应模式区分检测炭疽生物标志物、放射性核素和农药。通过光谱和计算研究阐明的传感机制为协调驱动和能量转移过程提供了基本见解。通过将这种材料与基于智能手机的可视化系统集成……

**作者贡献声明**
杨柯：撰写——原始草稿、验证、数据管理。
刘楠：研究、数据管理。
范世民：监督、资源提供。
沈玉东：软件、研究。
孟凡军：软件、资源提供。
杨涵：验证。
刘晓兰：软件。
徐伟：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本工作得到了宁波市公益科技计划项目（2024S085）和镇海区科技局（2024002）的支持。同时感谢宁波大学的K. C. Wong Magna基金的支持。