一种基于双发射tb-MOF的比率荧光探针，用于多重检测和区分抗生素，并配备了智能手机辅助的便携式平台

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A dual-emission tb-MOF-based Ratiometric fluorescent probe for multiplexed detection and discrimination of antibiotics with a smartphone-assisted portable platform

基于铽基金属有机框架（Tb-MOF）和双配体策略，本研究成功构建了RhB负载型比色团RhB@Tb-MOF，实现了对诺氟沙星（NOR）、四环素（TC）和呋喃硝唑（NFZ）的高灵敏度检测（检测限9 nM、0.055 μM、0.125 μM）。通过机器学习（LDA）结合传感器阵列，可精准分类单、双、三元混合体系。并开发智能手机联用便携检测设备，为环境抗生素监测提供新方法。

　　

李张|杨莉|孔坤|黄思通|苟森宏|金达赖|王龙成

浙江科技大学材料科学与工程学院，中国杭州市西湖镇310018

摘要

开发出灵敏且具有选择性的传感平台以监测抗生素残留物对于环境保护和公共卫生至关重要。本文采用双配体策略，利用1,4-苯二甲酸（H?bdc）和1,2,4-苯三甲酸（H?btc）合成了高发光性的铽基金属有机框架（Tb-MOF）。通过将罗丹明B（RhB）封装在其孔隙中，制备出了一种新型的比率荧光探针RhB@Tb-MOF。该探针对诺氟沙星（NOR）表现出选择性和灵敏的荧光响应，而对四环素（TC）和硝呋唑（NFZ）则表现出荧光熄灭响应，其检测限分别达到了9 nM、0.055 μM和0.125 μM。荧光增强和熄灭的机制得到了系统阐述，涉及天线效应、竞争性吸收、光诱导电子转移以及分子间相互作用等协同作用。此外，为了解决混合物中这些抗生素的区分问题，开发了一种结合线性判别分析（LDA）的传感器阵列，实现了对单一、二元和三元抗生素溶液的高精度分类。为了实际应用，还构建了一种基于智能手机的便携式设备，用于现场可视化定量检测。这项工作为构建高性能荧光传感器用于环境监测提供了一种可靠的方法。

引言

抗生素因其独特的药理特性在现代医学中发挥着重要作用，能够有效消除病原菌或显著抑制其生长和繁殖。这些药物被广泛用于人类和动物的传染病临床治疗。诺氟沙星用于治疗由敏感病原体引起的非复杂性尿路感染和细菌性胃肠道感染。硝呋唑可用于外部消毒。[1],[2],[3] 四环素作为一种广谱抑菌剂，是治疗由非典型病原体引起的感染的重要药物。然而，抗生素残留物的存在对环境和健康构成了紧迫的威胁。来自人类或生物体的抗生素残留物可通过多种途径进入生态系统和水体，导致严重的环境和健康风险。研究表明，抗生素泄漏到环境中可能会严重影响机体功能。例如，诺氟沙星可能导致环境中的抗菌素耐药性或耐药基因重新传递给人类，从而使感染更难以治疗。四环素抗生素可能引起肝毒性和肾毒性，而硝呋唑则已知会引发严重的过敏反应。[4],[5] 因此，开发一种高度灵敏且具有选择性的荧光传感系统来检测诺氟沙星（NOR）、四环素（TC）和硝呋唑（NFZ）对于监测环境污染物和保护公共卫生具有重要意义。

传统的分析技术，如电化学方法和核磁共振（NMR），能够有效检测抗生素。[6],[7],[8] 然而，这些方法存在一些技术挑战，需要加以注意。它们通常依赖于大型复杂的仪器设备，检测时间较长，测试成本较高，并且操作程序复杂。这些限制严重阻碍了它们在实际场景中的广泛应用。相比之下，荧光传感技术由于其出色的灵敏度、优异的选择性和快速响应时间，已成为抗生素检测的主要研究方向。[9],[10] 值得注意的是，基于镧系的金属有机框架（Ln-MOFs）凭借其独特的结构和光学特性，在化学传感领域展现了巨大的潜力和广阔的前景，特别是在荧光检测方面，Ln-MOFs显示出不可替代的应用潜力。[11],[12]

当前的研究工作集中在利用镧系金属有机框架（Ln-MOFs）对诺氟沙星（NOR）、四环素（TC）和硝呋唑（NFZ）进行荧光检测，旨在实现对这些抗生素的高灵敏度和选择性定量检测。多项研究证实了Ln-MOFs在这一领域的可行性。例如，孙等人通过溶剂热法成功合成了一种二维铽基MOF（2D Tb-MOF），并将其应用于乙醇中诺氟沙星的荧光检测。[13] 刘等人设计并合成了一种基于铕的MOF（Eu-MOFs），用于四环素的荧光检测。[14] 此外，徐等人构建了一种基于锌的MOF（Zn-MOF），用于废水中的硝呋唑荧光检测。[15]

在本研究中，我们使用1,4-苯二甲酸（H?bdc）作为主要配体，研究了铽基金属有机框架（Tb-MOF）的合成。引入次要配体1,2,4-苯三甲酸（H?btc）显著增强了荧光强度，比原始的Tb-MOF有了显著改进。通过加入罗丹明B（RhB），我们成功制备了一种黄色发光的荧光探针（RhB@Tb-MOF）。该探针对诺氟沙星（NOR）、四环素（TC）和硝呋唑（NFZ）表现出选择性检测，具有高灵敏度、优异的选择性和快速响应。传感器显示出高对比度的颜色变化，大大提高了检测的可靠性。分别研究了荧光熄灭和增强的机制，以阐明它们对整体传感性能的贡献。此外，还设计了一种传感器阵列，并利用基于机器学习的线性判别分析（LDA）对混合抗生素溶液进行了定性分析。为了提高实用性，开发了一种基于智能手机技术的便携式检测平台，实现了有效的现场抗生素检测。

部分摘录

Tb-MOF的合成

根据参考文献中报告的实验方法，使用不同量的1,2,4-苯三甲酸（H?btc）和对苯二甲酸（H?bdc）合成了多种铽基金属有机框架（Tb-MOFs）。[16],[17] 具体来说，H?btc的用量分别为0.092 g、0.150 g、0.225 g、0.301 g和0.361 g，而H?bdc的用量分别为0.292 g、0.238 g、0.178 g、0.119 g和0.071 g。这导致样品中的H?btc/H?bdc摩尔比为1:4、1:2

结构特性

对不同配体比例的合成样品Z-1至Z-5进行了X射线衍射（XRD）分析，并将其衍射图案与模拟结果进行了比较，如图S1（a）所示。值得注意的是，Z-1至Z-3的衍射图案与模拟结果吻合良好，表明引入H?btc并未显著改变框架结构。[21] 其中，Z-1具有最高的结晶度，因此被选为荧光探针

结论

总体而言，成功制备了一种双发射比率荧光探针（RhB@Tb-MOF），可用于同时检测诺氟沙星（NOR）、四环素（TC）和硝呋唑（NFZ）抗生素。该探针表现出优异的灵敏度和选择性，检测限低，这归因于其定制的双配体结构和高效的FRET过程。详细的机制研究表明，不同的荧光响应（诺氟沙星的增强和四环素/硝呋唑的熄灭）源于不同的组合

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。