基于Eu3+功能化金属有机框架的荧光智能手机传感平台，用于超灵敏检测环丙沙星

《Environmental Research》：Fluorescent smartphone sensing platform based on Eu3+-functionalized metal-organic framework for ultra-sensitive detection of ciprofloxacin

本研究开发了一种基于Eu3+功能化金属有机框架（Eu3+@UiO-(COOH)?）的荧光传感平台，结合DFT理论计算筛选配体，智能手机集成实现环丙沙星（CIP）快速检测，检测限低至36 nM，揭示其淬灭机制为多路径协同效应，并验证了复杂基质中的可靠性。

　　这项研究针对环境中和食品中的环丙沙星（CIP）残留问题，开发了一种高性能的荧光传感平台，旨在实现对CIP的超灵敏检测和快速现场分析。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作用而在人类医学、畜牧业和水产养殖中被广泛应用。然而，大量CIP通过生物排泄进入环境系统，主要以原始分子或活性代谢物的形式存在，且其在水体中表现出显著的持久性和迁移性，导致其在水生生态系统中的广泛积累和长期污染。CIP残留不仅与人体健康风险相关，如过敏反应和肠道菌群失衡，还可能通过水平基因转移加速抗生素耐药基因（ARGs）的传播。鉴于这些潜在危害，欧洲委员会和中国农业农村部已设定CIP在鱼肌肉中的最大残留限量（MRL）为100 μg/kg。为了减少CIP带来的健康和环境风险，开发一种高效、便捷的现场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。

当前，检测CIP的主要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）等。这些技术虽然具备高灵敏度和准确性，但往往依赖于复杂的仪器设备、繁琐的样品预处理流程以及较高的操作成本，这在实际应用中限制了其对实时现场监测的适应性。相比之下，荧光传感技术因其快速响应特性、操作简便性和成本低廉性，展现出独特的优势。然而，传统的荧光分析方法主要依赖于单一发射光谱强度的变化进行定量，这种方法容易受到环境因素（如pH值、离子强度）的干扰，从而影响检测的可靠性和稳定性。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，有效克服了背景波动和基质效应带来的影响，显著提高了在复杂样品中的检测准确性和可靠性。此外，比值荧光强度的变化还可以通过可观察的颜色梯度实现直观的读数，使得无需仪器的现场检测成为可能。

金属-有机框架（MOFs）因其可设计的孔结构和可调节的发光特性，被认为是理想的传感平台。MOFs在传感分析领域受到了广泛关注，并被深入研究和广泛应用。其中，基于镧系元素的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特别适合在复杂基质中检测目标分析物。尽管基于MOFs的荧光检测技术在抗生素检测方面具有固有的优势，如速度、便携性、操作简便性和直观的读数能力，但传统的视觉传感方案依赖于人眼观察颜色变化，存在灵敏度不足、准确性差和重复性低等问题。智能手机辅助的荧光检测技术正在革新实时检测领域，MOFs因其可调节的发光特性，为突破这一瓶颈提供了变革性的平台。与依赖于粗略颜色变化的传统视觉传感器相比，结合智能手机的RGB分析可以显著提高检测的分辨率。因此，基于可调节Ln-MOF发光特性的视觉检测策略，结合智能手机分析，正逐步成为视觉传感领域最具前景的方法之一。

然而，现有Ln-MOFs的发光特性仍然严重依赖于经验筛选策略。这通常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-客体相互作用对发光行为的动态调控效应的精确控制是一项挑战。这种不可避免的依赖性导致了材料开发周期较长，以及检测性能的可重复性较差。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可能：通过定量预测能量间隙结合，实现了“能量匹配-动态调控-性能预测”的全链条理性设计，显著提高了材料开发的效率。例如，肖的研究团队利用DFT计算预测了Ln-MOFs中双发射的可行性，其预测基于对配体中心的分子内氢键、激发态能量水平以及配体与Ln3?离子的配位稳定性的评估。此外，该团队还利用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。通过精心选择有机配体，合理调控能量传递路径和宿主-客体相互作用，可以大幅减少实验工作量，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、具有良好检测机制的发光MOFs最具前景的策略之一。

受上述研究启发，本研究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，用于开发具有增强发光特性的Eu3?功能化发光MOFs（Eu3?@UiO-(COOH)?）。通过密度泛函理论（DFT）对配体激发态能量水平、前线分子轨道和静电势分布进行系统分析，阐明了它们对能量传递效率的影响，并实现了对Eu3?功能化发光MOFs性能的精确预测。此外，本研究揭示了CIP与Eu3?@UiO-(COOH)?之间的主导性多路径协同猝灭机制，该机制主要由CIP与配体之间的光诱导电子传递（PET）过程驱动。这一发现克服了传统单一机制检测方法在灵敏度方面的局限性。基于此，我们开发了一种集成的双模式智能手机传感平台，通过蓝光/红光（B/R）强度比分析实现了对CIP的超灵敏可视化检测（检测范围为0.02–10 μM，检测限（LOD）低至36 nM）。这一解决方案在复杂基质中实现了对抗生素残留的监测，具有良好的实验室准确性和现场适用性。

在实验材料方面，本研究使用了多种化学试剂和化合物，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）、金霉素（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。这些试剂和化合物为构建Eu3?@UiO-(COOH)?提供了必要的基础，并用于后续的检测和分析实验。

在理论计算方面，本研究采用多尺度计算方法，对Eu3?功能化发光MOFs的发光特性进行了系统分析。通过对配体激发态能量水平、前线分子轨道和静电势分布的评估，明确了它们对能量传递效率的影响，并为Eu3?功能化发光MOFs的性能预测提供了理论依据。这一计算过程不仅帮助研究人员优化了配体与Eu3?之间的相互作用，还为后续的实验设计提供了指导。通过理论计算和实验验证的结合，本研究成功揭示了CIP对Eu3?@UiO-(COOH)?荧光的猝灭机制。这一机制主要由CIP与配体之间的光诱导电子传递（PET）过程主导，同时受到动态猝灭和内滤效应（IFE）的补充。这一发现突破了传统单一机制在检测灵敏度方面的限制，为开发高灵敏度的荧光传感平台提供了新的思路。

本研究构建的智能手机集成比值荧光传感平台不仅实现了对CIP的超灵敏检测，还具备快速可视化和定量分析的能力。该平台通过蓝光/红光强度比分析，能够快速、准确地定量CIP的浓度，检测限低至36 nM。这一技术方案结合了智能手机的高分辨率成像能力和荧光比值分析的优势，使得检测过程更加高效和便捷。此外，该平台在复杂基质中表现出良好的可靠性，能够有效应对实际环境中存在的干扰因素。通过比值荧光强度的变化，研究人员可以直观地观察到颜色梯度的变化，从而实现无需仪器的现场检测。这种技术方案不仅提高了检测的准确性和可靠性，还大大降低了检测成本，使得抗生素残留监测更加实用和可行。

本研究的成果不仅为抗生素污染监测提供了新的解决方案，还推动了荧光传感技术在环境和食品安全领域的应用。Eu3?@UiO-(COOH)?作为新型的发光材料，展现出优异的荧光性能和对CIP的高灵敏度响应。通过理论计算和实验验证的结合，研究人员能够精确预测和优化该材料的性能，从而实现对CIP的高效检测。这一研究方法为未来开发更高效的传感平台提供了理论支持和技术路径，有助于推动抗生素残留监测技术的发展。同时，智能手机集成的比值荧光传感平台为现场检测提供了便捷的工具，使得检测过程更加高效和实用。

本研究的创新点在于通过多尺度理论计算和配体工程策略，实现了对Eu3?@UiO-(COOH)?的理性设计，从而优化了其发光性能。这种设计方法不仅提高了材料的灵敏度，还增强了其在复杂基质中的稳定性。通过比值荧光强度分析，研究人员能够实现对CIP的快速定量检测，同时避免了传统方法在检测限和可靠性方面的不足。此外，该平台的可视化能力使得检测过程更加直观，减少了对专业仪器的依赖。这些优势使得该技术方案在环境和食品安全监测中具有广阔的应用前景。

在实验过程中，研究人员通过系统的理论计算和实验验证，揭示了CIP对Eu3?@UiO-(COOH)?荧光的猝灭机制。这一机制主要由光诱导电子传递（PET）过程主导，同时受到动态猝灭和内滤效应（IFE）的补充。这种多路径协同猝灭机制不仅提高了检测的灵敏度，还增强了检测的可靠性。通过精确控制配体与Eu3?之间的相互作用，研究人员能够优化材料的发光性能，从而实现对CIP的高效检测。此外，该平台在复杂基质中的稳定性使得其能够适应实际环境中的检测需求，提高了检测的实用性和准确性。

本研究的成功不仅在于开发了一种高效的检测方法，还在于其对理论计算和实验设计的结合。通过理论计算，研究人员能够预测和优化材料的性能，从而减少实验工作量，提高检测效率。这种计算方法为未来开发更高效的传感平台提供了理论支持，有助于推动抗生素残留监测技术的发展。同时，智能手机集成的比值荧光传感平台为现场检测提供了便捷的工具，使得检测过程更加高效和实用。

综上所述，本研究构建了一种基于Eu3?@UiO-(COOH)?的高灵敏度荧光传感平台，实现了对CIP的快速检测和可视化分析。通过多尺度理论计算和配体工程策略，研究人员成功优化了材料的发光性能，并揭示了CIP对Eu3?@UiO-(COOH)?荧光的猝灭机制。这一研究方法不仅提高了检测的灵敏度和可靠性，还为抗生素残留监测提供了新的解决方案。未来，随着技术的不断进步和应用的深入，这种传感平台有望在环境和食品安全监测中发挥更大的作用。