一种多发射镧系元素氢键结合的有机框架水凝胶，作为喹诺酮类抗生素的双模式荧光-颜色比传感器

《Sensors and Actuators B: Chemical》：A multi-emission lanthanide hydrogen-bonded organic framework hydrogel as a dual-mode fluorescence-colorimetric sensor for quinolone antibiotics

　　

双萌|穆博芳|毛顺|李秋菊|李卓

中国同济大学污染控制与生态安全研究院环境科学与工程学院，国家重点污染控制与资源化利用实验室，上海市四平路1239号，200092

摘要

为应对喹诺酮类抗生素污染带来的风险，迫切需要快速进行现场监测以保障食品安全和公共健康。为此，本研究开发了一种便携式多发射荧光水凝胶传感器EuTbCa@HOFBTB-SC，用于检测氟氯喹（FQ）、诺氟沙星（NOR）和环丙沙星（CIP）。该传感器通过将镧系元素的功能化氢键有机框架（HOFs）原位嵌入水凝胶网络中制备而成。这种独特设计结合了HOFs的稳定参考信号、镧系离子（Eu³⁺/Tb³⁺的特异性响应以及水凝胶的富集能力，实现了高灵敏度的比率荧光检测。分析物通过“天线”效应增强了Tb³⁺的绿色发射，同时由于内部过滤效应（IFE）抑制了HOFs的荧光，使得三种目标物质的检测限分别低至0.053 μM、0.019 μM和0.014 μM。水凝胶基质提供了优异的物理稳定性和操作简便性。此外，在EuTbCa@HOFBTB-SC中，由于Tb³⁺和Eu³⁺之间的能量转移受阻，该传感器在254 nm紫外灯下表现出明显的红变绿颜色变化，便于实现可视化筛选和实际样品的现场分析。这项工作为下一代传感器的开发提供了强大且便携的检测平台。

引言

喹诺酮类抗生素（如氟氯喹（FQ）、诺氟沙星（NOR）和环丙沙星（CIP）因其广谱和强抗菌活性而在人类医学和畜牧业中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，越来越多的滥用导致这些药物及其代谢物在水生系统和动物源性食品（如牛奶、肉类和鸡蛋）中累积[4]、[5]。长期暴露于低浓度的这些残留物会对人类健康构成直接威胁，并促使细菌产生抗药性，世界卫生组织（WHO）将其列为全球性公共健康危机[6]。因此，迫切需要开发灵敏、便携且高效的分析方法来检测喹诺酮类抗生素。传统的分析方法如高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱-质谱联用法（GC-MS）、酶联免疫吸附测定法（ELISA）和电化学传感已广泛应用于抗生素检测[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。这些方法通常依赖大型仪器、操作复杂且成本高昂，限制了其在现场检测和早期预警中的灵活性和便携性。相比之下，基于荧光的检测方法凭借高灵敏度、快速响应、低成本和操作简便性成为现场监测的有力替代方案[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。特别是将荧光与比色分析结合在双模式平台上，利用比色的快速可视化筛选和荧光的高精度定量，极大促进了交叉验证和互补数据的获取，提高了结果的可靠性并扩展了应用范围[17]、[18]。

在各种荧光传感探针中，镧系离子（Ln³⁺，如Eu³⁺和Tb³⁺具有低毒性、高稳定性、锐利的发射光谱以及出色的光稳定性等优点[19]、[20]、[21]。此外，Ln³⁺通过基于能量传递的“天线”效应实现对喹诺酮类抗生素的特异性识别[22]、[23]。近年来，越来越多研究人员致力于开发用于检测喹诺酮类抗生素的镧系荧光传感器。Wang等人[24]设计了一种荧光Eu-金属-有机框架（Eu-MOF），实现了喹诺酮类的比率荧光检测。Weng等人[25]通过向Tb配位聚合物（GMP-Tb）掺杂蓝色发射配体（BDC）开发了一种比率纳米探针GMP-Tb-BDC，在0–10 μM范围内对CIP表现出线性比率荧光响应。Yi等人[26]开发了一种色氨酸（Trp）功能化的镧系MOF探针Trp@ZIF-8/Tb³⁺，用于水中的FQ快速定量检测。然而，这些基于镧系复合物的荧光传感器在实际应用中面临一些挑战，如在复杂基质中容易解离、加工性能较差（通常为不溶性微晶粉末形式）以及荧光信号容易受到干扰[27]。

氢键有机框架（HOFs）是一类通过有机连接剂之间的氢键自组装的多孔晶体材料。由于其可调结构、高比表面积、优异稳定性和出色的光学性质，HOFs引起了广泛的研究兴趣[28]、[29]、[30]、[31]。HOFs的溶液加工性和丰富的金属位点还允许在合成后引入功能组分（如Ln³⁺），突显了其在传感应用中的潜力[5]、[32]。在基于镧系离子的传感器中，HOFs可以为Ln³⁺提供稳定的配位环境，许多HOFs本身具有荧光性，可作为内置参考信号。这种协同作用有效克服了传统镧系荧光材料在稳定性、加工性和抗干扰能力方面的局限性。同时，作为交联网络聚合物材料的水凝胶可以为粉状功能材料提供稳定的分散平台，使得这些材料能够固定到易于操作的设备中，解决了它们容易聚集、回收困难及便携性差的问题[33]、[34]、[35]。此外，水凝胶的三维网络结构可以富集目标分析物，从而放大响应信号并提高检测灵敏度。

本文开发了一种基于镧系元素功能化HOFs的复合水凝胶传感器，用于常见喹诺酮类抗生素（包括FQ、NOR和CIP）的荧光-比色双模式定量检测（方案1）。具体来说，使用海藻酸钠（SA）和羧甲基纤维素（CMC）作为水凝胶前体，并在其中分散蓝色荧光的HOFBTB。随后，前体与Eu³⁺、Tb³⁺和Ca²⁺离子的混合溶液进行交联，实现了HOFBTB的原位修饰，生成了EuTbCa@HOFBTB-SC双模式复合传感器。该传感器能够对FQ、NOR和CIP进行高灵敏度和特异性的荧光定量，并支持其在实际水样中的比色识别和定量分析。据我们所知，这是首个结合比率荧光与肉眼比色检测的双镧系HOF-水凝胶混合系统。该策略融合了HOFs的稳定参考信号、Ln³⁺的特异性响应以及水凝胶的富集能力，有效克服了传统传感材料的局限性。

章节摘录

HOFBTB的合成

HOFBTB的合成遵循已报道的程序[36]进行。简要来说，1,3,5-三(4-羧基苯基)苯（H₃BTB，200 mg）溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF，0.5 mL）中，超声处理5分钟得到透明黄棕色溶液。然后向反应瓶中加入2.5 mL甲醇，再次超声处理10分钟以确保充分混合，形成白色悬浮液。将悬浮液在60°C下加热12小时得到黄色晶体。

EuTbCa@HOFBTB的特性

HOFBTB是一种晶体发光材料，通过苯环上的π电子对的氢键和强相互作用自组装而成[37]、[38]。其结构包含二维（2D）π-π堆叠的六边形蜂窝层和复杂的八重互穿结构[39]，如图1a-c所示。合成的HOFBTB和复合水凝胶EuTbCa@HOFBTB-SC的X射线衍射图案与

结论

本研究开发了一种基于多发射Ln@HOF的荧光水凝胶传感器，用于喹诺酮类抗生素（FQ、NOR和CIP）的比色和荧光双模式检测。制备过程涉及在水凝胶交联过程中用镧系离子（Eu³⁺、Tb³⁺对HOFBTB进行原位修饰，使Ln@HOFs牢固地固定在网络中。该传感器表现出来自HOFBTB的多重荧光发射，包括Eu³⁺发射和Tb³⁺发射。

CRediT作者贡献声明

毛顺：撰写——审稿与编辑。穆博芳：撰写——审稿与编辑、 formal分析。双萌：撰写——审稿与编辑、原始草稿编写、可视化、方法学设计、数据整理、概念构思。李卓：撰写——审稿与编辑、实验监督、资金申请。李秋菊：撰写——审稿与编辑。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家重点研发计划（2019YFC1905403）和中国国家自然科学基金（52076152）的支持。

双萌是同济大学环境科学与工程学院的博士候选人。她的研究兴趣在于荧光传感材料的研究和便携式荧光检测设备的开发。