用于组胺双发射比率荧光传感的甲基红功能化铽基金属有机框架

《Optical Materials》:A methyl red-functionalized Tb-MOF for dual-emission ratiometric fluorescence sensing of histamine

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月23日 来源:Optical Materials 4.3

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   摘要发光金属有机框架(MOFs)由于其可调的孔结构和优异的光物理性质,已成为用于荧光传感的有前途的光学材料。基于双发射 MOFs 的比率荧光传感器可以消除环境干扰并提高检测准确性,使其在实际应用中极具吸引力。组胺是在食品腐败过程中产生的有毒生物胺,对人类健康构成严重威胁,其灵

  

摘要

发光金属有机框架(MOFs)由于其可调的孔结构和优异的光物理性质,已成为用于荧光传感的有前途的光学材料。基于双发射 MOFs 的比率荧光传感器可以消除环境干扰并提高检测准确性,使其在实际应用中极具吸引力。组胺是在食品腐败过程中产生的有毒生物胺,对人类健康构成严重威胁,其灵敏检测对食品安全至关重要。在此,制备了一种基于内滤效应(IFE)的比率荧光传感器 MR@Tb-MOF 用于高效检测组胺。甲基红(MR)作为对组胺有响应的识别单元,通过光诱导电子转移(PET)相关途径与 Tb-MOF 的荧光淬灭相关联。该传感器在 5-200 ng/mL 范围内表现出良好的线性,检测限为 3.34 ng/mL,响应时间为 25 分钟。明显的荧光颜色变化实现了智能手机辅助的视觉检测。实际样本中令人满意的回收率证明了其实用性。此外,使用 MR@Tb-MOF 作为传感元件构建了基于纸张的光学传感器,结合智能手机辅助的 RGB 颜色分析,实现了组胺的现场视觉检测和海鲜新鲜度的实时监测。这项工作不仅为组胺传感提供了一种高性能的双发射光学材料,还为开发用于食品安全应用的便携式光学传感设备提供了一种有前途的策略。

引言

作为典型的生物胺(BA),组胺表现出高毒性,被认为是食品中最有害的 BA 之一。它是在富含蛋白质的食品腐败过程中通过微生物对游离氨基酸脱羧产生的 [1],并广泛分布于水产品和水产品中 [2]。虽然低浓度的组胺通常对人类健康风险很小,但过量摄入可能会引起头痛、恶心和低血压等症状,严重时甚至可能导致危及生命的过敏性休克 [3]。组胺被认为是食品腐败和污染的标志物,其含量直接与食品的新鲜度和安全性相关。鉴于这种风险,包括欧盟和美国在内的监管机构已分别设定了鱼类中组胺的最大允许水平,分别为 100 mg/kg 和 50 mg/kg [4]。因此,制定敏感且可靠的分析方法以快速测定组胺至关重要,以保证鱼类及相关食品商品的安全和质量。
目前,报道了多种组胺检测方法,主要包括电化学 [5]、薄层色谱 [6]、气相色谱 - 质谱联用(GC-MS)[7]、高效液相色谱(HPLC)[8] 和酶联免疫吸附测定(ELISA)[9] 等。其中,HPLC 和 GC-MS 等仪器方法表现出高准确性和特异性。然而,它们往往受到昂贵设备、复杂的样品制备、长检测时间和依赖专业操作人员的固有缺点限制,使其不适合快速现场检测。虽然 ELISA 方法操作相对简单,但抗干扰能力差且灵敏度低,往往在复杂食品基质中导致假阳性结果。由于程序繁琐、操作成本高或依赖精密仪器,这些技术在常规和实际应用中往往受到限制。因此,开发具有高灵敏度、优异选择性、快速响应和视觉读数的传感平台已成为组胺检测的迫切需求。其中,基于荧光的方法由于其独特的优势 [10] 代表了一个极具前途的研究方向。
由于具有优异的灵敏度、低成本、操作简便和快速响应,荧光传感器已被广泛用于检测食品中的有害因素 [11], [12]。Tizchang 等人开发了一种基于 Cu 的 MOF 荧光传感器,用于快速有效地检测食品基质中的四环素残留 [13]。同时,Liu 等人设计了一种基于近红外激发的比率荧光水凝胶传感器的创新裸眼检测方法,用于量化鸡肉、猪肉、泡菜、火腿肠、果汁、饮用水和湖水中的亚硝酸盐 [14]。目前报道的大多数荧光探针依赖单一发射信号。然而,具有单发射特性的荧光传感器本质上容易受到仪器参数波动、环境条件变化、局部传感器浓度不均匀和光漂白效应等因素的干扰,这可能会不可避免地降低分析检测结果的准确性。相比之下,配备稳健内部参考系统和优异自校准功能的比率荧光传感器可以降低对仪器和环境干扰的敏感性,从而实现更准确和可重复的定量分析 [15]。例如,Duan 等人开发了一种新型 Tb@Zr-MOF 材料,作为检测食品样本中 Cr(VI) 离子的双信号自校准传感器 [16]。同时,Chang, Tan, Chen, Liu, Lu, Sun, Su, Wang, Zou, Rao 和 Wu 开发了一种双发射比率荧光传感器(Ru@Zr-MOF)[17],已应用于苹果、梨和番茄等实际食品样本中乙醚的定量检测。
作为一种有前途的功能多孔晶体材料家族,金属有机框架(MOFs)是通过金属离子/团簇与有机桥联配体的配位自组装制备而成的,由于其出色的优点,包括大比表面积、可调孔结构、丰富的活性位点和优异的光稳定性 [18], [19],在荧光传感领域引起了广泛关注。甲基红(MR)是一种具有可调光学性质的典型偶氮染料。由于其优异的光稳定性和对碱性物质的特定响应,它已被广泛用于荧光材料的修饰 [20]。MOFs 独特的三维有序 porous 结构作为 MR 的稳健主体框架,可以抑制发生聚集诱导淬灭(ACQ)效应。基于这些优势,引入了具有窄带锐利发射、大斯托克斯位移和长发光寿命的稀土离子 Tb3+。其发光性质不受环境干扰,能够在混合系统中稳定输出参考信号,为比率检测提供稳健的基础 [21]。MR 分子中的羧基可以通过静电力或配位键与 Tb-MOF 中的金属离子形成稳定的相互作用,从而构建双发射混合系统。以前的研究表明,染料修饰的稀土 MOFs 可以有效地整合这两种成分的光学性质 [22]。
在本研究中,我们成功开发了一种双通道荧光传感器,用于快速、简便和灵敏地检测组胺(方案 1)。为了制备该传感器,首先通过溶剂热法使用 Tb3+ 和 H3BTC 作为前体合成了具有绿色荧光的 Tb-MOF,然后通过合成后修饰将其与 MR 集成,从而产生双发射比率荧光传感器。所制备的 MR@Tb-MOF 传感器对组胺表现出双峰响应,使得快速、可靠和高灵敏度的分析成为可能。此外,我们使用 Whatman 1 号滤纸作为基底制备了荧光试纸,通过肉眼可清晰分辨的荧光颜色转换实现组胺含量和食品新鲜度的实时原位监测,充分证明了其在实际现场食品安全检测中的优异应用潜力。

章节片段

材料

本工作中涉及的所有化学试剂均符合分析级标准,并在实验前直接使用而无需额外纯化。整个实验过程中使用的去离子水是通过 Milli-Q 水纯化系统(Millipore, Bedford, MA, USA)纯化的。使用 Whatman 1 号定性滤纸作为制备试纸的基底。详细信息汇总在补充信息中。

仪器

所有表征

Tb-MOF 和 MR@Tb-MOF 的表征

Tb-MOF 和 MR@Tb-MOF 荧光传感器是通过简便的溶剂热法 [23] 制备的。首先通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对制备的产品进行表征。从 SEM 和 TEM 图像中可以清楚地观察到,Tb-MOF 和 MR@Tb-MOF 都具有棒状结构。如图 1A 和 1C 所示,Tb-MOF 具有定义良好的细长棒状晶体结构,晶体尺寸均匀且表面光滑。

结论

简而言之,我们通过溶剂热法成功制备了一种基于 MR@Tb-MOF 的比率荧光传感器,并系统地验证了其在真实鱼类样本中检测组胺的实际应用性能。提出 MR@Tb-MOF 传感器的比率荧光响应与内滤效应(IFE)和光诱导电子转移(PET)的协同效应相关。作为食品腐败的关键指标,组胺可以被有效检测

CRediT 作者贡献声明

Jing Xie: 监督,项目管理。Zhaoyang Ding: 写作 - 审查与编辑,监督,方法论,资金获取,概念化。Qiong Sun: 写作 - 审查与编辑,写作 - 原创草稿,方法论,数据管理。Yuanyuan Zhang: 写作 - 审查与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

数据可用性

应要求提供数据。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

我们要衷心感谢中国国家研发计划(批准号 2023YFD2401405)
Qiong Sun|Yuanyuan Zhang|Jing Xie|Zhaoyang Ding
食品科学与技术学院,上海海洋大学,上海 201306,中国
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