基于新型三维银基金属有机框架的智能手机辅助试纸平台用于简便检测呋喃妥因和四环素类抗生素

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Smartphone-assisted test paper platform based on a novel 3D ag-MOF for facile detection of nitrofurantoin and tetracycline antibiotics

　　

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  成功合成并表征了一种新型三维Ag-MOF（Ag-MOF-1），呈现出新的拓扑类型。
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  Ag-MOF-1对硝呋太尔（NFT）和四环素（TC）具有选择性响应，且检测限较低（分别为0.737和0.864 μM）。
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  对于NFT，猝灭机制是IFE、FRET和PET的组合；而对于TC，则仅涉及IFE和PET。
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  Ag-MOF-1在实际样品（如牛奶、蜂蜜、猪肉、鱼肉、鸡蛋）中表现优异，回收率高且相对标准偏差（RSD）低。
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  开发了一种便携式智能手机-RGB试纸平台，证明了Ag-MOF-1在食品安全监测中的实际应用价值。

引言

硝呋太尔（NFT）和四环素（TC）是广泛应用的广谱抗生素，在畜牧生产和水产养殖中大量使用，主要因其价格低廉且对多种病原微生物具有强效抑制作用[1]，[2]。作为硝基呋喃类化合物，NFT对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株均表现出显著的抗菌活性，并在兽医临床中常规用于治疗和促生长目的[3]。同样，四环素类抗生素因其广泛的抗菌活性而受到重视，被广泛用于兽医领域和作为饲料添加剂[4]。然而，这些抗菌药物的不当使用和过量使用已导致肉类、乳制品和蜂蜜等畜产品中出现持续性的残留积累[5]。即使是微量残留，人类摄入后也可能引发严重的健康问题，如抗菌耐药性的产生、过敏反应的触发以及可能的致癌性[6]。尽管许多国家和地区已禁用NFT，并设定了四环素（TC）的允许残留限量（例如，美国法规规定为300 ng·mL^?1），但监测数据显示，NFT和TC残留仍频繁出现在食品中[7]，[8]。因此，迫切需要建立灵敏、快速、可靠的检测技术来定量分析食品中NFT和TC的残留，以确保法规合规并保护消费者[9]，[10]，[11]，[12]。

为监测这些抗生素残留，已发展出多种分析方法[13]。传统方法如色谱法（LC-MS、HPLC）、光谱法和电化学分析等因其高准确性和高灵敏度而受到重视[14]，[15]。这些方法通常依赖高端仪器，涉及耗时的前处理步骤，且需要受过专业训练的分析人员，从而限制了其在现场快速分析中的应用。鉴于荧光传感技术具有响应快速、灵敏度高、操作简单以及可实现目视检测等优势，因此被认为是食品分析中一种适宜的替代方案，并在推动便携式检测系统发展方面发挥着重要作用[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。涵盖金属纳米团簇、量子点、小有机分子和大分子在内的各种荧光物质，已被广泛应用于"开启"和"关闭"型荧光检测平台[21]，[22]，[23]。这些系统凭借其出色的选择性、灵敏度和可重复使用性，能够识别多种目标物种（如阳离子、阴离子和抗生素）[24]。

金属有机框架（MOFs）作为一类新兴的结晶多孔材料，由金属中心和有机配体自组装构建而成[25]，[26]，[27]，[28]，[29]。它们具有可调结构、丰富的主-客体相互作用以及大的斯托克斯位移，在多种分析物的特异性高灵敏识别方面展现出巨大潜力。在各种MOFs中，基于过渡金属（如Zn²⁺、Cd²⁺）的MOFs因其源于d¹⁰电子构型的优异发光性能而被广泛研究[30]，[31]，[32]。这些材料通常表现出多种发射机制，包括配体到配体电荷转移（LLCT）和分子内电荷转移（ICT）等电荷转移途径，从而赋予其高度可调的发射行为。基于银的MOFs（Ag-MOFs）作为过渡金属MOFs的重要亚类，近年来因其丰富的结构特征和独特的光物理性质而受到越来越多的研究关注[33]，[34]。Ag(I)离子表现出多种配位模式和灵活的配位几何构型，能够构建结构多样、拓扑丰富的框架[35]，[36]。此外，Ag-MOFs通常具有基于银团簇或Ag-配体相互作用的发光特性，在荧光传感应用方面展现出广阔前景[33]。在生物相容性方面，银基材料通常表现出低毒性并具有一定的抗菌活性，使其成为生物医学应用的有前途候选材料[37]，[38]，[39]。

有机配体的优化选择对于定制Ag-MOFs的架构和本征特性至关重要。在此背景下，4,4'-联吡啶（bpy）和2,3-吡啶二甲酸（H₂pdc）因其互补的配位特性而被选为构建模块[40]。值得注意的是，两种配体均具有芳香共轭结构，能够与NFT和TC等抗生素的芳香骨架形成弱非共价相互作用，包括π-π堆积[41]。此外，bpy作为刚性线性连接体，有助于形成扩展的网络结构[42]，而H₂pdc提供多个配位位点和形成氢键的能力，共同贡献于框架稳定性[43]，并为分析物提供额外的识别位点。这种策略性的配体组合使得能够构建具有优化发光特性和对特定抗生素增强选择性的Ag-MOFs[44]。

此外，尽管基于MOFs的荧光传感器在抗生素检测方面表现出卓越的灵敏度和出色的选择性，但大多数仍局限于实验室悬浮液检测，限制了其在现场快速监测中的适用性[45]，[46]，[47]，[48]。荧光试纸（如试纸条）作为低成本、易使用的传感平台，在现场分析方面展现出巨大潜力[49]，[50]，[51]，[52]。然而，传统的MOF基试纸通常依赖于对荧光变化的目视检查，仅允许定性或半定量检测，无法满足抗生素残留精确定量的需求[53]，[54]，[55]。智能手机辅助传感系统通过颜色识别应用程序将试纸条上的荧光强度信号转换为数字RGB数据，从而实现了精确定量分析，弥补了这一差距[56]，[57]，[58]，[59]，[60]，[61]，[62]，[63]。

基于上述研究背景，本研究通过以AgNO₃、bpy和H₂pdc为前驱体的自组装反应构建了多种实验体系。令人欣喜的是，一种新型多核银基三维MOF { [Ag₉(pdc)₃(bpy)₉]·3NO₃·22H₂O }_n（Ag-MOF-1）已被成功合成并表征（方案S1）。该MOF由双银和四银-bpy链通过2,3-吡啶二甲酸根配体桥接构建而成，包含一维Ag-bpy链，并在其孔道内含有游离硝酸根阴离子和水分子，在结构最为精巧的Ag-bpy基配位框架中展现出一种新型的五节点（3,3,3,4,4）连通拓扑结构[64]。尽管已有多种Ag-MOFs被报道用于阳离子、阴离子、炸药和除草剂传感[65]，[66]，[67]，[68]，但本研究展示了一个相对罕见的本征Ag-MOF [69]应用于抗生素检测的案例，对NFT的检测限为0.737 μM，对TC的检测限为0.864 μM。通过深入的 spectroscopic 和理论分析，全面揭示了其底层的荧光猝灭途径。更重要的是，Ag-MOF-1 的实际应用价值通过真实食品样品（牛奶、蜂蜜、猪肉、鱼肉和鸡蛋）中NFT和TC残留的分析得到了成功验证，回收率令人满意。虽然已有研究报道了使用Ag-MOFs进行智能手机辅助食品安全污染物定量检测[70]，但我们进一步构建了与智能手机驱动比色系统集成的一体式便携试纸平台，将实验室检测转化为实际应急应用，从而实现快速现场定量分析。本研究突显了智能手机集成、Ag-MOF功能化纸传感器在现场抗生素残留检测方面的潜力，尽管其微摩尔级检测限未达到某些先前报道传感器的纳摩尔水平[44]，[69]，但该平台在真实食品安全应用中的快速初步筛查中仍展现出良好的可行性。

章节摘要

材料与通用方法

本研究中使用的所有化学品均购自商业供应商，纯度为分析纯级。Ag-MOF-1表征技术和所用仪器的详细信息见补充材料。

{ [Ag₉(bpy)₉(pdc)₃]·3NO₃·22H₂O }_n（Ag-MOF-1）的合成

将AgNO₃（0.170 g，1.0 mmol）、4,4'-联吡啶（0.156 g，1.0 mmol）和2,3-吡啶二甲酸（0.173 g，1.0 mmol）的组合加入50 mL烧杯中的水/甲醇（10 mL，v/v: 1/1）溶液中。将氨水（NH₃·H₂O）缓慢加入

Ag-MOF-1的表征

Ag-MOF-1的晶体结构通过单晶X射线衍射测定，主要晶体学数据及选键长/键角分别列于表S1和S2中。基于单晶X射线衍射结果，Ag-MOF-1被发现属于正交晶系（空间群Pcca）。其不对称单元包含4.5个Ag离子、4.5个bpy配体、1.5个pdc^2?阴离子、1.5个硝酸根阴离子和22个溶剂晶格H₂O

结论

总之，通过一种高效节能、高产率的合成方法，利用4,4'-联吡啶和2,3-吡啶二甲酸根成功制备了一种新型银基MOF（Ag-MOF-1）。该材料表现出强荧光发射，可作为NFT和TC的通用传感器，具有高灵敏度，对NFT和TC的检测限分别为0.737 μM和0.864 μM。此外，Ag-MOF-1在复杂实际基质中表现出令人满意的检测性能，回收率可接受，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究获得湖南省教育厅科学研究基金（项目编号：）和衡阳师范学院科研项目（编号：）的资助。我们衷心感谢编辑和匿名审稿人提出的建设性反馈，这些反馈极大地提高了本文的清晰度和严谨性。

Yi Yang|Qiu-Feng Shen|Qiu-Hong Wu|Xin Zeng|Li-Qian Cai|Miao-Yu Xu|Shi-Zhen Qian|Yang Liu|Man-Sheng Chen|Wei-Wei Fu