水稻土壤中汞甲基化及甲基汞积累的关键因素

《Environmental Research》：Key factors of mercury methylation and methylmercury accumulation in paddy soils

环丙沙星残留检测中基于Eu3+-功能化MOF的荧光传感平台开发，结合理论计算与实验验证，智能手机集成实现快速、灵敏（LOD=36nM）检测，揭示多机制淬灭（PET为主，辅以动态淬灭和内滤效应），适用于复杂基质，为现场抗生素污染监控提供新方案。

　　本文探讨了一种基于铕（Eu3?）修饰的金属有机框架（Eu3?@UiO-(COOH)?）的高性能荧光传感平台，用于环境和食品样本中环丙沙星（CIP）残留的高灵敏度检测和可视化分析。环丙沙星是一种广泛使用的第三代合成氟喹诺酮类抗生素，因其对革兰氏阴性菌的强效抗菌作用而在人类医学、畜牧业和水产养殖中得到广泛应用。然而，约有30-70%的环丙沙星通过生物排泄进入环境系统，主要以原形或活性代谢产物的形式存在。此外，环丙沙星具有显著的持久性（水解半衰期超过12个月）和在水体环境中的高迁移性，导致其在水生生态系统中广泛积累并造成长期污染。环丙沙星残留不仅与人体健康问题如过敏反应和肠道菌群失调有关，还通过水平基因转移加速了抗生素耐药基因（ARGs）的传播。

鉴于这些潜在风险，欧盟委员会和中华人民共和国农业农村部已制定了环丙沙星在鱼肌肉中的最大残留限量（MRL）为100 μg/kg。为了降低环丙沙星可能带来的危害，开发一种高灵敏度、能够实现现场快速检测的检测方法已成为迫切需求，以保障生态安全、环境安全和公共卫生体系。目前，环丙沙星的主流分析方法包括高效液相色谱（HPLC）、表面增强拉曼散射（SERS）和毛细管电泳（CE），这些方法虽然具有高灵敏度和准确性，但受到显著的仪器依赖性、复杂的样品预处理要求和较高的操作成本限制，严重影响了其在实时现场监测中的应用。相比之下，荧光传感技术因其快速响应特性、操作简便性和成本效益而展现出独特的优势。然而，传统的荧光分析方法依赖于单一发射光谱强度的变化进行定量，这不可避免地受到环境因素（如pH值和离子强度）的干扰，导致检测结果的可靠性下降。

因此，比值荧光传感技术通过同时检测两个不同波长的信号实现内在自校准，从而克服了传统方法的局限性。这种双通道信号比较有效补偿了背景波动和基质效应，显著提高了在复杂样品中测量的准确性和可靠性。此外，比值荧光强度的变化能够通过可观察的颜色梯度实现直观读取，便于无仪器的现场检测。金属有机框架（MOFs）作为一种理想的传感平台，因其可设计的孔结构和可调的发光特性而受到众多研究人员的关注，并在传感分析领域得到了深入研究和广泛应用。其中，代表性镧系MOFs（Ln-MOFs）具有较长的荧光寿命、较大的斯托克斯位移和优异的光稳定性，这些特性源于其独特的4f电子跃迁机制。这些特性使得Ln-MOFs特别适合用于复杂基质中分析物的检测。尽管基于MOFs的荧光检测方法在抗生素检测中具有固有的优势，如快速、便携、简便和可视化读取能力，但传统的视觉传感方案仅依赖于肉眼观察，存在灵敏度不足、准确性差和重复性低的问题。

智能手机辅助的荧光检测技术正在改变实时检测领域的格局。MOFs凭借其可调的发光特性，为突破这一瓶颈提供了变革性的平台。与依赖粗糙色度变化的视觉传感器（肉眼识别典型色差）相比，结合智能手机的RGB分析能够显著提高检测的分辨率。因此，利用可调的Ln-MOF发光特性与智能手机分析相结合的视觉检测策略，正逐渐成为视觉传感领域最具前景的方法之一。然而，现有Ln-MOFs的发光特性仍严重依赖于经验筛选策略，这涉及对金属节点和配体组合的大量实验选择，缺乏对配体激发态与金属受体轨道之间能量匹配机制的理论预测。因此，实现对宿主-客体相互作用动态调制效果对发光行为的精确控制仍具挑战性。这种不可避免的依赖性导致了开发周期的延长和性能重复性的下降。基于密度泛函理论（DFT）的计算指导范式为突破这一瓶颈提供了新的途径：通过定量预测能量间隙结合，实现了“能量匹配-动态调制-性能预测”的全链理性设计，显著提高了材料开发的效率。

例如，肖的团队利用DFT计算预测了Ln-MOFs中双发射的可行性。他们的预测基于对配体中心的分子内氢键、激发态能量水平和与Ln3?离子的配位稳定性进行评估。此外，肖的团队还利用Ln-MOFs的结构和功能可编程性，战略性地设计能量传递路径和宿主-客体相互作用，从而显著提高对磷酸检测的灵敏度。通过仔细选择有机配体，合理调控能量传递路径和宿主-客体相互作用，可以显著减少实验工作量并提高检测灵敏度。因此，针对合适有机配体的定向筛选成为开发高灵敏度、具有明确检测机制的发光MOFs最具前景的策略之一。

受上述研究的启发，本文构建了一个基于多尺度理论计算和配体工程策略的理性设计框架，用于Eu3?修饰的发光MOFs（Eu3?@UiO-(COOH)?）的开发。通过DFT系统分析配体的激发态能量水平、前线分子轨道和静电势分布，揭示了这些因素对能量传递效率的影响，并实现了对Eu3?修饰发光MOFs性能的精确预测。此外，研究揭示了环丙沙星对Eu3?@UiO-(COOH)?荧光的多路径协同淬灭机制，其中主要由环丙沙星与Eu3?@UiO-(COOH)?之间的光诱导电子转移（PET）主导，辅以动态淬灭和内滤效应（IFE）。基于这一机制，本文开发了一种集成的双模式智能手机传感平台，通过蓝色/红色（B/R）强度比分析实现了环丙沙星的超灵敏可视化检测（检测范围为0.02–10 μM，检测限为36 nM）。这一研究为复杂基质中的抗生素残留监测提供了一种创新的解决方案，具有实验室精度和现场应用的双重优势。

在实验过程中，研究者使用了一系列试剂和化学物质，包括四氯化锆（ZrCl?）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、无水乙醇（EtOH）、三羟甲基氨基甲烷（Tris）、L-谷氨酸（L-Gln）、L-赖氨酸（L-Lys）、L-脯氨酸（L-Pro）、L-亮氨酸（L-Leu）、L-谷氨酸（L-Glu）、L-丙氨酸（L-Ala）、L-丝氨酸（L-Ser）、阿莫西林（AMX）、氯四环素（CTC）、红霉素（ERY）、卡那霉素（KAN）、磺胺甲噁唑（SMX）、氯化镁（MgCl?）、氯化钠（NaCl）、三氯乙酸（TCAA）、2,2'-联吡啶-4,4'-二羧酸（BPYDC）等。这些试剂和化学物质在实验过程中被用于构建Eu3?@UiO-(COOH)?，并进行荧光性能的测试和分析。通过系统的实验验证，研究团队成功实现了对Eu3?@UiO-(COOH)?荧光淬灭机制的解析，并基于PET主导的多模式淬灭机制，突破了传统单一机制检测的局限性，显著提高了该传感平台的检测灵敏度。

本研究不仅为环境和食品样本中环丙沙星残留的检测提供了一种新的方法，也为抗生素残留的现场监测和快速检测提供了可行的解决方案。该传感平台的开发结合了理论计算和实验验证，确保了检测方法的科学性和实用性。同时，通过智能手机的集成，实现了检测过程的便携化和智能化，使检测人员能够在现场快速获得检测结果，而无需依赖复杂的实验室设备。这种结合使得检测过程更加高效、经济，并且具备较高的可重复性和可靠性，适用于多种复杂的环境和食品基质。

在研究过程中，团队还发现，Eu3?@UiO-(COOH)?的荧光性能受到多种因素的影响，包括配体的结构、配体与Eu3?之间的相互作用、以及环境因素如pH值和离子强度。通过系统的理论计算和实验分析，团队能够预测和优化这些因素对荧光性能的影响，从而提高检测的准确性和灵敏度。此外，研究还表明，Eu3?@UiO-(COOH)?的荧光淬灭机制具有多路径协同效应，其中PET机制在荧光淬灭过程中起主导作用，而动态淬灭和内滤效应则作为辅助机制，共同影响荧光强度的变化。这种多路径机制的揭示为理解抗生素与发光材料之间的相互作用提供了新的视角，并有助于优化检测方法的设计。

本研究的成果表明，基于Eu3?修饰的MOFs的荧光传感平台在检测环丙沙星残留方面具有显著的优势。该平台不仅能够实现超灵敏的检测，还具备良好的可视化能力，使得检测结果更加直观和易于理解。此外，该平台在复杂基质中的应用也得到了验证，表明其在实际环境和食品样本中的可靠性。通过结合多尺度理论计算和实验验证，研究团队成功构建了一个高效、准确、可靠的检测方法，为抗生素残留的监测和管理提供了新的工具。

最后，本文的作者们声明不存在任何利益冲突。所有研究者均未发现可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。本研究得到了国家自然科学基金、湖南省科技计划和中南大学研究生科研创新计划的支持，同时部分研究工作也得到了中南大学高性能计算中心的协助。这些支持为研究的顺利进行提供了保障，并确保了研究结果的科学性和可靠性。本文的研究成果不仅为抗生素残留的监测提供了新的方法，也为未来在环境和食品安全领域中进一步发展和应用荧光传感技术奠定了基础。