一种具有双重功能的铽有机框架荧光传感器，可用于胆红素的比率定量识别以及苯基羟基酸的可视化检测

《Analytica Chimica Acta》：A dual-functional Terbium-organic framework fluorescence sensor for ratiometric identification of bilirubin and visualization detection of phenylglyoxylic acid

　　

崔丽|张世兴|王洪生|刘春辉|李振生|李世轩|何正阳|徐志红|刘欣

河南省能源存储与转换微纳材料重点实验室，许昌学院化学与材料工程学院表面微纳材料研究所，中国河南省461000

摘要

利用蝶形配体5,5’-二(1H-1,2,4-三唑-1-基)-[1,1’-联苯]-3,3’-二羧酸（H₂DDC）构建了一种新型的铽基金属有机框架（Tb-DDC）。Tb-DDC可作为高效的比率荧光传感器用于胆红素检测，在水介质中的检测限为0.083 μM，在Tris-HCl缓冲液中的检测限为0.097 μM，并在模拟血液中表现出优异的回收率（96.7%–105.2%）。据我们所知，这是首次报道基于MOF的胆红素比率荧光传感器。此外，Tb-DDC对苯基乙醛酸也表现出敏感的荧光响应，其检测限为1.73 μM（2.60 × 10^-4 mg mL^-1），远低于ACGIH规定的生物暴露指数（2.5 mg mL^-1）。在与苯基乙醛酸相互作用时，Tb-DDC在365 nm紫外光下的光致发光颜色从绿色变为浅蓝色，这为开发智能手机辅助的便携式平台以实现实时、现场检测苯基乙醛酸提供了可能。这种双功能Tb-MOF传感器在复杂的生物基质中显示出高选择性、灵敏度和可逆性，展示了其在临床诊断和环境监测中的巨大潜力。

引言

金属有机框架（MOFs）由于其可调的结构和功能，在多个领域具有广阔的应用前景1, 2, 3。特别是作为荧光传感器，MOFs具有高选择性、灵敏度和可回收性^[4]，已被用于疾病标志物的检测5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12、金属离子13, 14, 15, 16、抗生素17, 18, 19、农药20, 21等。荧光关闭检测机制可能包括：(i) MOF结构的塌陷；(ii) 当MOF的发射光谱与分析物的紫外吸收光谱重叠时的荧光共振能量转移；(iii) 当MOF的激发光谱与分析物的吸收光谱重叠时的竞争性能量吸收；以及(iv) 当MOF的导带能量超过分析物的LUMO能级时的电子转移过程^[22][23]。

胆红素是评估肝功能及诊断溶血性疾病的重要生物标志物，在识别新生儿黄疸、肝炎和肝硬化方面起着关键作用24, 25。婴儿血液中胆红素水平超过20 μM可能导致不可逆的神经损伤（核黄疸）。成人胆红素水平升高也表明肝脏功能严重受损，这凸显了及时准确检测的必要性，以便及时干预26, 27。传统的胆红素测量技术，包括重氮化物测定、酶法和分光光度法，存在灵敏度低（检测限通常> 5 μM）、受血红蛋白或脂质干扰以及依赖复杂设备等局限性^[25]

荧光传感作为一种高效的生物标志物分析方法，因其出色的灵敏度、快速响应时间和与微型设备的兼容性而受到重视28, 29。据我们所知，大多数关于基于荧光的胆红素检测的研究都依赖于纳米材料30, 31，而使用金属有机框架（MOFs）的研究相对较少。杜等人首次使用UiO-66-PSM通过荧光共振能量转移进行胆红素检测^[32]。易等人研究了Tb(III)功能化的MOF-808作为可见光荧光探针用于胆红素检测^[33]。然而，大多数基于MOF的探针是单通道荧光传感器，只有少数采用比率测量方法^[27]，这种方法可以缓解探针浓度变化、激发源不稳定和温度波动等问题，同时提高灵敏度和准确性34, 35, 36, 37。

苯乙烯和乙苯常见于油漆、涂料、粘合剂、工程木材产品及类似材料中，被国际癌症研究机构（IARC）归类为2B类致癌物。它们的主要代谢物是苯基乙醛酸，尿液中苯基乙醛酸的浓度是暴露于苯乙烯或乙苯的生物标志物38, 39。

本文设计并合成了基于蝶形配体5,5'-二(1H-1,2,4-三唑-1-基)-[1,1'-联苯]-3,3'-二羧酸（H₂DDC）的镧系金属有机框架（Tb-DDC）。该配体具有扩展的π共轭系统和多个配位位点，有助于形成稳定的框架并增强其主客体相互作用能力。值得注意的是，制备的Tb-DDC表现出双重功能传感性能，既可作为胆红素的比率荧光传感器，也可作为苯基乙醛酸的比色传感器。加入胆红素后，Tb-DDC的荧光强度逐渐减弱，其强度比（I₅₄₃/I₄₈₉）与胆红素浓度在水中和Tris-HCl缓冲液中的范围（0至110 μM）呈强线性相关，检测限分别为0.083 μM和0.097 μM，并在模拟血液中具有满意的回收率（96.7–105.2%）。此外，在365 nm紫外光下，Tb-DDC在苯基乙醛酸的作用下光致发光颜色从绿色变为浅蓝色。基于发射光的RGB值与苯基乙醛酸浓度之间的强线性相关性，成功构建了一个智能手机辅助的便携式传感平台，用于实时、现场检测苯基乙醛酸。通过详细的光谱研究和理论计算，系统地研究了这两种分析物的传感机制。

章节片段

试剂和仪器

本研究中使用的试剂和仪器已在支持信息中列出。

Tb-DDC的合成

将0.05 mmol的Tb(NO₃)₃·6H₂O和0.05 mmol的H₂DDC与6 mL的H₂O和1 mL的MeOH混合。所得悬浮液转移到25 mL的聚四氟乙烯内衬钢高压釜中，在175 °C下加热72小时。冷却后得到无色矩形晶体。最终选择合适大小和形状的晶体进行结构鉴定。（产率为17.8mg，基于……）

Tb-DDC的结构

通过单晶X射线分析、热重分析（TG）、粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对其结构特征进行了表征。根据单晶分析（见图S1a），H₂DDC作为四齿配体，每个羧酸基团连接两个金属离子。由于C–C键的旋转，该配体同时采用顺式和反式构象

结论

总之，利用蝶形配体构建了一种三维多孔镧系金属有机框架（Tb-DDC），它可作为胆红素的比率荧光传感器和苯基乙醛酸的比色传感器。加入胆红素后，Tb-DDC的荧光强度逐渐减弱，其强度比（I₅₄₅/I₄₈₉）与胆红素浓度在……范围内呈强线性相关

CRediT作者贡献声明

王洪生：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、概念构思。刘春辉：验证、形式分析。李振生：数据管理。李世轩：数据管理。何正阳：数据管理。徐志红：撰写 – 审稿与编辑。刘欣：撰写 – 审稿与编辑。崔丽：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、形式分析、概念构思。张世兴：撰写 – 审稿与编辑、验证、形式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了河南省功能性食品绿色制造协同创新中心开放项目（2024XTKF021）、河南省自然科学基金（212300410068）、河南省高等学校重点研究项目（编号25B150033）以及许昌大学的科研创新团队（2022CXTD001）的支持。