Eu3+修饰的双功能MOF作为比率荧光探针，用于生物样本中炭疽生物标志物的可视化检测与去除

《Journal of Responsible Technology》：Eu3+-modified dual-functionalized MOF as a ratiometric fluorescent probe for visual detection and removal of anthrax biomarkers in biological samples

本研究开发了一种基于Eu3?双功能MOF荧光探针CAU-10-NH?/COOH@Eu，用于生物样本中DPA的快速检测。该探针通过氨基和羧基分别增强DPA的静电吸引和氢键结合，实现比率荧光变化（420 nm淬灭，618 nm增强）及颜色变化（蓝紫→红），检测限0.6 μmol/L，线性范围1-100 μmol/L，并支持手机辅助现场检测。

　　

Ping Ju|Ran Liu|Anyue Zhang|Wenhui Lu|Ping Zhang|Xianghong Liu|Long Jiang|Baoping Ling|Ensheng Zhang

山东省生命有机分析重点实验室，曲阜师范大学化学与化学工程学院，中国曲阜273165

摘要：

我们开发了一种新型的比率荧光探针（CAU-10-NH₂/COOH@Eu），用于可视化检测生物样本中的炭疽生物标志物2,6-吡啶二羧酸（DPA）。该探针是通过将具有氨基和羧基双官能团的CAU-10系列金属有机框架（MOF）与Eu³⁺离子进行后修饰得到的。羧基作为锚点与Eu³⁺配位，并为DPA提供配位位点，而氨基则通过静电吸引和氢键作用富集DPA。在DPA存在下，DPA会立即与CAU-10-NH₂/COOH@Eu配位，并作为能量供体发挥天线效应。因此，420 nm处的荧光发射逐渐减弱（由于内部过滤效应，IFE），而618 nm处的荧光发射逐渐增强（由于天线效应，AE）。伴随着这种比率变化，荧光颜色从蓝紫色变为红色。该探针对DPA的响应速度快（30秒），线性检测范围广（1?100 μmol/L），检测限为0.6 μmol/L。这一检测限远低于人类感染中Bacillus anthracis孢子的浓度（60 μmol/L）。值得注意的是，该探针对DPA具有吸附作用，有助于将DPA从生物样本中离心分离出来。此外，我们还开发了一种基于智能手机的分析方法，实现生物样本中DPA的实时现场检测。

引言

2,6-吡啶二羧酸（DPA）占Bacillus anthracis孢子干重的5%?15%，是Bacillus anthracis孢子的生物标志物。1, 2 Bacillus anthracis及其孢子通常存在于土壤、羊、牛和马中。3 人类接触受感染的动物或使用受污染的产品时容易感染该疾病。Bacillus anthracis孢子对人体健康有害，即使在低浓度（60 μmol/L）下也会引起严重症状，4 并具有高死亡风险。迄今为止，已经开发了多种仪器分析方法来检测DPA，包括高效液相色谱、质谱、电化学分析、表面增强拉曼光谱等。5, 6, 7, 8, 9 然而，传统的仪器方法往往受到昂贵设备、复杂预处理和熟练操作人员的需求限制，这阻碍了它们的现场应用。纳米酶是一类具有类似酶催化活性的纳米材料，能够模拟天然酶的催化功能。它们表现出多种关键催化特性，如多酶样活性、高催化效率和良好的稳定性。已经开发了多种纳米酶，包括氧化酶10, 11, 12, 13, 14, 15 和过氧化物酶16, 17，用于化学、生物和食品分析。18, 19 除了上述方法外，荧光探针也因高灵敏度、良好的便携性、实时响应、低成本和普遍可用性而受到广泛研究。20, 21, 22 到目前为止，荧光探针已成为化学、环境和医学等领域的重要工具。23 因此，开发用于生物样本中DPA检测的新型荧光探针具有重要意义。

迄今为止，已经开发了多种荧光探针用于DPA检测，包括碳点24, 25、金属有机框架（MOFs）26, 27 和量子点28, 29, 30, 31, 32。其中，MOFs因其高表面积、优异的稳定性和可调的孔隙率而在荧光传感方面特别值得关注。33, 34 基于镧系的MOFs是理想的DPA检测探针，因为它们具有独特的光学特性，如较大的斯托克斯位移、长的发光寿命和清晰的发射带。35, 36, 37 此外，基于镧系的MOFs的DPA荧光检测通常受“天线效应”的影响，其中有机配体吸收光并通过配体到金属的能量转移将能量传递给镧系离子（例如Eu³⁺），从而增强荧光。38 到目前为止，已经报道了多种基于“天线效应”的基于镧系的DPA荧光探针（表S1）。然而，在复杂环境中，DPA与镧系离子（例如Eu³⁺）的配位所产生的荧光增强可能会受到其他物质的干扰，影响结果的可靠性。比率荧光传感可以同时监测两个波长的信号并计算其比率，实现自我校准，有效消除环境干扰，显著提高检测的准确性和重复性。39 此外，氨基修饰的基于镧系的MOFs可以通过静电吸引或氢键作用富集DPA分子，从而提高其在复杂样本中识别DPA的可行性。此外，DPA会在生物样本中与Ca²⁺、Mg²⁺、Fe^2+/3+和Zn²⁺配位，改变许多酶所依赖的自由离子平衡。因此，从生物样本中检测并同时去除DPA对其实际应用非常有益。

在这里，我们报道了一种Eu³⁺修饰的双官能CAU-10系列MOF，用于生物样本中炭疽生物标志物的可视化检测（图1）。CAU-10-NH₂/COOH由5-氨基异酞酸（AIPA）和苯-1,3,5-三羧酸（H₃BTC）构建，分别引入氨基和羧基。合成CAU-10-NH₂/COOH后，将Eu³⁺离子后合成地锚定在羧基上，形成DPA结合位点并提供响应信号。同时，氨基通过静电吸引和氢键作用富集DPA分子。随着DPA浓度的增加，CAU-10-NH₂/COOH-Eu在420 nm处表现出实时荧光减弱，在618 nm处增强，并伴随颜色从蓝紫色变为红色。利用这种颜色变化，我们开发了一种基于智能手机的现场检测方法。此外，该方法已成功应用于实际样本，包括胎牛血清、尿液和紫枣皮，获得了令人满意的回收率。

仪器和试剂

粉末X射线衍射（PXRD）图案使用Malvern Panalytical X'Pert3衍射仪记录。荧光光谱在室温下使用Agilent Cary Eclipse荧光光谱仪测量。荧光寿命使用FLS1000光致发光光谱仪（Edinburgh Instruments）获取。傅里叶变换红外（FT-IR）光谱使用Shimadzu IR Affinity-1S光谱仪收集。X射线光电子光谱（XPS）数据在Thermo上进行

CAU-10-NH₂/COOH@Eu的合成优化和结构表征

为了合成氨基和羧基双官能化的CAU-10 MOFs（CAU-10-NH₂/COOH），我们使用了5-氨基异酞酸（AIPA）和苯-1,3,5-三羧酸（H₃BTC）作为配体。通过改变AIPA/H₃BTC的比例，获得了一系列双官能MOFs。PXRD图案显示，在50:50的AIPA/H₃BTC比例下，框架保持了特征性的CAU-10结构（图S1）。然而，当H₃BTC的比例达到75 wt%时，出现新的衍射峰，表明MOF结构发生了变化

结论

在这项工作中，我们报道了一种双发射荧光探针CAU-10-NH₂/COOH@Eu，能够在复杂的生物基质中肉眼定量检测炭疽生物标志物2,6-吡啶二羧酸（DPA）。该探针是通过将Eu³⁺离子后合成地接枝到CAU-10-NH₂/COOH上获得的。当DPA与框架配位时，DPA作为高效的“天线”配体，增强了Eu³⁺的发射。随着DPA浓度的增加，材料在420 nm处表现出快速（<30秒）的荧光减弱

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益。

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