综述：绘制湿地生态系统中生物多样性治理与气候变化正义的社会制度研究地图

《Environmental and Sustainability Indicators》：Mapping socio-institutional studies of biodiversity governance and climate change justice in wetland ecosystems

开发基于Eu3+功能化金属有机框架（Eu3+@UiO-(COOH)?）的荧光传感平台，结合密度泛函理论（DFT）计算筛选配体，揭示环丙沙星（CIP）多路径淬灭机制（以PET为主，辅以动态淬灭和内滤效应），实现复杂基质中CIP的36 nM超灵敏检测，并通过手机成像技术实现便携式可视化定量分析，为抗生素残留监控提供新方案。

　　本研究聚焦于环境中和食品中环丙沙星（Ciprofloxacin，CIP）残留物的检测问题。作为一种广谱抗菌药物，CIP在临床治疗中发挥着重要作用，尤其在抑制细菌DNA回旋酶和拓扑异构酶IV方面表现出色。然而，其广泛使用也带来了严重的环境和健康风险。据估计，约30%-70%的CIP通过生物排泄进入环境系统，主要以原药或活性代谢产物的形式存在。由于CIP在水体中的持久性（水解半衰期超过12个月）和高迁移性，它在水生生态系统中普遍存在，导致环境污染和生态系统的破坏。此外，CIP残留不仅可能引发人体过敏反应和肠道微生物群紊乱，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，欧盟委员会和中国农业农村部已对鱼类肌肉中的CIP残留设定最大残留限量（MRL）为100 μg/kg。因此，开发一种高效、便捷、适用于现场检测的CIP检测方法显得尤为重要。

目前，主流的CIP检测方法主要包括高效液相色谱（HPLC）、表面增强拉曼散射（SERS）和毛细管电泳（CE）。尽管这些技术在灵敏度和准确性方面表现出色，但它们通常依赖于复杂的仪器设备，需要繁琐的样品预处理步骤，并且运行成本较高，这在实际的现场检测中存在明显的局限性。相比之下，荧光传感技术因其快速响应、操作简便和成本低廉而展现出独特的优势。然而，传统的荧光分析方法主要依赖于单一波长下的荧光强度变化来进行定量分析，这种方法容易受到环境因素（如pH值和离子强度）的干扰，从而影响检测的可靠性和准确性。为此，研究者们提出了比值荧光传感技术，通过在两个不同波长下同时检测信号，实现对背景波动和基质效应的自动校正，从而显著提高检测的精度和稳定性。这种技术还能够通过观察颜色梯度的变化，实现无需仪器的可视化检测，进一步提升了其在实际应用中的可行性。

金属有机框架（MOFs）作为一种新兴的传感平台，因其可设计的孔结构和可调的发光特性而受到广泛关注。特别是基于稀土元素的MOFs（Ln-MOFs）因其长的荧光寿命、显著的斯托克斯位移和优异的光稳定性，被证明非常适合用于复杂基质中的分析检测。Ln-MOFs的发光特性源于其独特的4f电子跃迁过程，使得它们在检测环境中具有较强的抗干扰能力。然而，现有的Ln-MOFs荧光检测方法仍然存在一些挑战。一方面，它们的发光性能通常依赖于经验性的筛选策略，即通过大量的实验来寻找合适的金属节点和配体组合，缺乏对配体激发态能量水平与金属受体轨道之间匹配机制的理论预测。另一方面，传统视觉传感方法仅依赖于人眼对颜色变化的观察，难以满足高灵敏度和高准确度的要求。因此，如何通过理论计算和材料设计，实现对MOFs发光性能的精确调控，成为提升检测灵敏度和再现性的关键。

为了突破这一瓶颈，研究团队提出了一种基于多尺度理论计算和配体工程策略的理性设计框架，用于构建Eu³⁺功能化的发光MOFs（Eu³⁺@UiO-(COOH)₂）。该框架首先通过密度泛函理论（DFT）计算，系统分析了配体的激发态能量水平、前线分子轨道和静电势分布，以揭示这些参数如何影响能量转移效率，并实现对Eu³⁺功能化发光MOFs性能的精准预测。随后，团队基于这些理论计算结果，结合实验验证，开发了一种智能手机集成的比值荧光传感平台。该平台利用CIP与Eu³⁺@UiO-(COOH)₂之间的光诱导电子转移（PET）主导的多路径协同猝灭机制，克服了传统单一机制检测的灵敏度限制。通过分析蓝光与红光强度比（B/R），该平台实现了对CIP残留的超高灵敏度检测，检测限（LOD）低至36 nM。此外，该平台还具备快速可视化和定量分析的功能，为现场检测提供了可行的解决方案。

在实际应用中，Eu³⁺@UiO-(COOH)₂作为一种新型的荧光传感材料，展现了其在复杂基质中的高可靠性。该材料不仅能够有效区分CIP与其他抗生素，如阿莫西林（AMX）、金霉素（CTC）、红霉素（ERY）、卡那霉素（KAN）和磺胺甲噁唑（SMX），还能够在不同浓度的CIP存在下保持稳定的荧光响应。这种高选择性和高灵敏度的特性，使其成为环境和食品样品中CIP残留检测的理想选择。此外，Eu³⁺@UiO-(COOH)₂的荧光特性还受到其他环境因素的影响，如钠离子（Na⁺）、氯离子（Cl^-）、镁离子（Mg²⁺）和三氯乙酸（TCAA）等。这些离子的存在可能通过不同的机制影响Eu³⁺的发光性能，例如通过动态猝灭或内滤效应（IFE）。因此，研究团队在设计该传感平台时，充分考虑了这些因素，并通过实验验证了其在复杂基质中的适用性。

本研究的创新之处在于，通过理论计算和实验验证相结合的方式，实现了对Eu³⁺@UiO-(COOH)₂材料的精准设计。首先，通过DFT计算，团队系统分析了配体的激发态能量水平、前线分子轨道和静电势分布，从而揭示了这些参数如何影响能量转移效率。这种理论指导下的材料设计，不仅减少了实验的盲目性，还提高了材料性能的可控性。其次，团队揭示了CIP与Eu³⁺@UiO-(COOH)₂之间的多路径协同猝灭机制，其中PET机制起主导作用，辅以动态猝灭和IFE。这一发现为理解CIP对Eu³⁺功能化MOFs的猝灭机制提供了新的视角，并为优化检测性能提供了理论依据。最后，团队开发了一种集成的双模式智能手机传感平台，该平台不仅能够实现对CIP的高灵敏度检测，还能够通过智能手机的RGB分析功能，实现对检测结果的可视化和定量分析。这种技术的结合，使得检测过程更加简便、高效，并且能够在没有专业仪器的情况下完成。

在实际应用中，Eu³⁺@UiO-(COOH)₂材料表现出良好的稳定性和重现性。实验结果显示，该材料在不同pH值和离子强度条件下均能保持稳定的荧光响应，表明其具有较强的环境适应性。此外，该材料对CIP的检测具有较高的选择性，能够在存在其他抗生素的情况下准确识别CIP的残留。这种高选择性对于实际应用中复杂基质的检测尤为重要，因为环境和食品样品中通常存在多种干扰物质。通过对比实验，研究团队验证了Eu³⁺@UiO-(COOH)₂在不同基质中的检测性能，包括水样、土壤样和食品样品，结果表明该材料在这些基质中均表现出良好的检测效果。这表明，Eu³⁺@UiO-(COOH)₂不仅适用于实验室环境下的精确检测，还具备在实际现场应用中的潜力。

智能手机集成的比值荧光传感平台为现场检测提供了新的可能性。该平台通过智能手机的摄像头捕捉蓝光和红光的强度比，实现对CIP残留的快速定量分析。与传统检测方法相比，这种技术具有显著的优势。首先，它无需复杂的仪器设备，降低了检测成本，提高了可及性。其次，智能手机的便携性和广泛普及性，使得该平台能够在偏远地区或资源有限的环境中进行应用。此外，该平台的可视化功能使得检测结果更加直观，用户无需专业培训即可进行基本的检测操作。这种技术的结合，不仅提升了检测的效率，还增强了其在实际应用中的实用性。

本研究的成果为抗生素残留监测提供了一种全新的解决方案。Eu³⁺@UiO-(COOH)₂材料的开发，结合智能手机集成的比值荧光传感平台，不仅实现了对CIP的超高灵敏度检测，还克服了传统方法在复杂基质中的局限性。这种技术的创新性在于其结合了理论计算和实验验证，通过精准调控材料的发光性能，提高了检测的准确性和可靠性。同时，该技术的便携性和可视化功能，使得其在实际应用中更加友好和高效。未来，这种技术有望在环境监测、食品安全检测以及临床诊断等领域得到广泛应用。此外，随着智能手机技术的不断进步，该平台的性能和适用性也将进一步提升，为抗生素残留的实时监测和管理提供强有力的支持。

在实际应用中，Eu³⁺@UiO-(COOH)₂材料的制备和检测流程也得到了优化。首先，材料的合成过程采用了配体工程策略，通过精心选择和修饰配体，实现了对Eu³⁺发光性能的精准调控。其次，检测流程简化了样品预处理步骤，使得检测过程更加高效。通过智能手机集成的比值荧光传感平台，用户可以在现场快速获取检测结果，无需返回实验室进行复杂分析。这种便携性和实时性，使得该技术在实际应用中具有更高的操作便利性和适用性。

本研究的另一个重要贡献在于揭示了CIP与Eu³⁺@UiO-(COOH)₂之间的多路径协同猝灭机制。通过理论计算和实验验证，团队发现CIP对Eu³⁺的猝灭效应主要来源于PET机制，同时辅以动态猝灭和IFE。这一发现不仅加深了对CIP作用机制的理解，还为优化检测性能提供了理论依据。通过理解这些机制，研究团队能够设计出更加高效的检测策略，从而提高检测的灵敏度和准确性。此外，这种多路径协同猝灭机制的揭示，也为其他抗生素的检测提供了新的思路和方法。

总之，本研究通过多尺度理论计算和实验验证相结合的方式，成功构建了一种基于Eu³⁺@UiO-(COOH)₂的高灵敏度荧光传感平台，实现了对CIP残留的快速、准确和可视化检测。该平台不仅具备实验室级别的检测精度，还能够满足现场检测的需求，具有广阔的应用前景。未来，随着材料科学和光学技术的不断发展，这种传感平台有望进一步优化，为抗生素残留的实时监测和管理提供更加可靠的技术支持。同时，该研究也为其他抗生素的检测提供了新的思路，推动了荧光传感技术在环境和食品安全领域的应用。