超高灵敏度双响应Zn(II)-MOF荧光探针：在人工尿液和唾液基质中对氯诺昔康和维生素B?的快速识别

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Ultra-sensitive dual-responsive Zn(II)-MOF fluorescent probe: Rapid recognition of cinoxacin and vitamin B? in artificial urine and saliva matrices

　　

摘要

本研究通过溶剂热法成功合成了一种新型锌基金属有机框架材料{[Zn(qdda)(bpy)?.?]·3H?O}（Zn-MOF），并系统研究了其作为荧光材料用于同时检测抗菌药物司巴沙星（CNX）和维生素B?（VB?）的性能。通过单晶X射线衍射、粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对材料的结构、形貌和组成进行了全面表征。荧光实验表明，Zn-MOF对CNX和VB?均表现出显著的选择性和敏感性，检测限分别为9.2 nM和24 nM，响应迅速（60秒内），且具有优异的抗干扰能力和可回收性。观察到的荧光猝灭归因于涉及竞争吸收（CA）、共振能量转移（RET）和光诱导电子转移（PET）的协同机制。在模拟唾液和尿液环境中，该材料对CNX和VB?均显示出令人满意的加标回收率，证实了其在实际样品检测中的可靠性。本研究为开发高性能基于MOF的荧光传感器开辟了新途径。此类传感器在复杂生物环境中同时检测两种分析物方面显示出巨大潜力。

引言

尿路感染（UTI）是一种临床上常见的细菌感染，具有高发病率，尤其在女性、老年人和免疫功能低下人群中更为常见[1]、[2]。抗菌药物（ABs）因其预防和治疗作用而被广泛使用。其中，司巴沙星（CNX）作为一种氟喹诺酮类药物，常用于治疗非复杂性尿路感染[3]、[4]。该氟喹诺酮类药物具有良好的口服生物利用度，主要通过肾脏以原形排泄，导致尿液中浓度较高，能有效根除尿路致病菌[5]、[6]。然而，它们存在严重不良反应的风险，如肌腱损伤[7]、[8]。此外，此类抗菌药物的过度和不恰当使用容易促进耐药细菌群体的出现，可能导致感染持续[9]。这反过来可能维持甚至加剧尿路内的病理性炎症和生态失衡。

作为一种对人类健康至关重要的水溶性维生素，核黄素（维生素B?）无法由人体产生，因此依赖于膳食来源[10]、[11]。维生素B?对能量产生至关重要，参与将膳食碳水化合物、脂肪和蛋白质转化为为有机体提供动力的代谢燃料[12]、[13]。同时，作为谷胱甘肽还原酶等关键酶的辅因子[14]，VB₂在抗氧化防御[15]、维生素B?和烟酸的代谢[16]以及皮肤、黏膜和眼部健康的维持[17]方面至关重要。长期缺乏可导致口角炎和舌炎等黏膜皮肤疾病，以及视力障碍，严重情况下可能引起贫血、生长迟缓和神经功能障碍。这种缺乏症常见于饮食不平衡、吸收不良的个体，以及孕妇和老年人[18]、[19]、[20]。因此，监测体液（如尿液和唾液）中VB₂浓度对于早期识别缺乏症、指导干预措施以及促进相关疾病的诊断和治疗具有重要的临床价值。

因此，有效监测CNX和VB?具有重要意义。目前的检测方法主要包括电化学分析、高效液相色谱（HPLC）[21]、[22]、酶联免疫吸附测定（ELISA）[23]、[24]和微生物测定[25]、[26]。然而，这些方法通常受到操作复杂性、程序冗长和成本相对较高等限制。相比之下，荧光传感具有高敏感性、良好选择性和快速响应，使其作为一种强大的检测技术得到广泛应用[27]、[28]、[29]。

金属有机框架（MOFs）是多孔结晶材料，其中金属离子或簇通过配位键与有机连接体相连[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。凭借其可调的孔隙率、丰富的表面和多功能性，MOFs是有前途的应用候选者，包括催化[35]、气体储存[36]、分离[37]和主客体识别[38]。近年来，MOFs在化学传感领域的应用受到了广泛关注[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。与传统分析技术相比，基于MOF的荧光传感器提供了更优的敏感性、选择性、响应速度和可重复使用性。这些综合优势使其成为光学检测各种目标（包括金属离子、阴离子、小有机分子、生物分子和环境标志物）的有效平台[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。基于Zn(II)的MOFs由于其d¹⁰电子构型，通常表现出稳定且可调的荧光发射，在传感应用中表现出优异性能。与基于Cd(II)[49]或镧系金属[50]的MOFs相比，基于Zn(II)的MOF材料不仅具有良好化学稳定性和结构可调性，还具备环保、高生物相容性和低毒性等显著优势[51]。大多数报道的发光MOF荧光探针仅实现对单一类型小分子的特异性识别：许多传感器仅限于抗生素残留检测，而其他传感器仅能分析维生素生物标志物。很少有MOF材料能对化学骨架和理化性质完全不同的两种目标物产生明显的选择性荧光响应[52]、[53]、[54]。为了扩展发光Zn-MOFs的多功能传感潜力，我们选择了司巴沙星（CNX，一种典型的氟喹诺酮类抗菌剂）和维生素B?（VB?，一种必需的水溶性营养素）作为属于不同分子类别的两种代表性分析物。对该新型Zn-MOF的双重响应性能进行了系统研究，以验证其广谱传感能力并构建集抗生素筛选和维生素监测于一体的双功能荧光探针。

本研究通过溶剂热法成功合成了一种新型Zn-MOF，使用4,4'-(喹喔啉-2,3-二基)二苯甲酸（H?qdda）、4,4'-联吡啶（bpy）和七水硫酸锌（Zn(SO?)?·7H?O）作为原料（方案1）。在通过结构和形貌表征确认其稳定性后，将其应用于乙醇-水混合溶剂中对CNX和VB?的荧光传感。该传感器表现出高选择性、快速响应、低检测限和良好的可重复使用性，在连续五个使用周期后检测效率无显著下降。该探针进一步应用于真实样品（如模拟唾液和尿液）的分析，对CNX和VB?均获得了令人满意的回收率。机理研究表明，竞争吸收（CA）、共振能量转移（RET）和光诱导电子转移（PET）的协同作用是导致Zn-MOF荧光猝灭及其检测能力的主要途径。

章节摘要

材料与方法

本研究使用的试剂、仪器和单晶结构测定方法的详细信息见支持信息。

{[Zn(qdda)(bpy)_0.5]·3H₂O}（Zn-MOF）的合成

采用溶剂热法进行合成。首先，在超声处理30分钟下将H?qdda（17.7 mg，0.0423 mmol）和bpy（7.6 mg，0.0487 mmol）溶解在DMF（0.9 mL）中制备配体溶液。同时，将ZnSO?·7H?O（17.3 mg，0.0602 mmol）溶解在去离子水（0.3 mL）中。将两种溶液混合并

晶体学描述

X射线晶体学表明，Zn-MOF在正交晶系空间群Cccm中结晶，非对称单元中含有一个Zn(II)阳离子、一个完全去质子化的qdda^2?配体、半个bpy配体和三个结晶水分子。每个Zn(II)中心由四个qdda^2?配体的四个双齿桥联羧酸盐氧原子和bpy配体的一个氮原子五配位，形成完美的方锥形几何构型，τ_Zn = 0（图1a）。两个相邻的Zn(II)

结论

本研究成功构建了一种结构稳健的发光锌基金属有机框架（Zn-MOF），并系统研究了其作为双功能荧光探针用于高选择性和高灵敏检测CNX和VB?的性能。荧光传感研究表明，Zn-MOF对CNX和VB?均表现出明显的"关闭"荧光响应，展现出优异的敏感性、抗干扰能力、快速响应时间（60秒内）

CRediT作者贡献声明

王凯敏：调查、荧光性能测试实验和资金获取。罗西：写作-初稿和调查。杨静：数据整理。陈玲：验证和资金获取。张瑞琳：指导和资金获取。马玉璐：指导、写作-审阅与编辑和资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到云南省自然科学基金（202303AC100021、202301AT070264和202401AT070039）；云南省2025年大学生创新训练计划项目（S202510691098）的支持。

王凯敏|罗西|杨静|陈玲|张瑞琳|马玉璐

云南民族大学化学与环境学院手性功能物质研究与应用云南省重点实验室，云南昆明650504，中国