具有刚性金刚烷骨架的铽-金属冠笼用于甲硝唑的超灵敏和选择性检测

《Microchemical Journal》：A terbium-metallacrown cage with rigid adamantane skeleton for ultrasensitive and selective sensing of metronidazole

　　

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  合成了一种新型异金属Tb–Ga笼（SHZU-1），展现出强烈的绿色发光特性，量子产率高达68.8%。
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  该传感器对甲硝唑具有宽线性范围（0–200 μM）和超低检测限0.17 μM。
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  DFT计算证实，荧光猝灭由光致电子转移（PET）机制驱动。
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  SHZU-1在真实食品样品中实现了甲硝唑的准确检测（回收率89%, 103%）。此外，基于SHZU-1的试纸可实现在场的快速可视化监测。

引言

甲硝唑（2-甲基-5-硝基咪唑-1-乙醇，MNZ）是一种合成硝基咪唑类化合物，因其抗菌和抗原生动物特性而广为人知[1]、[2]，用于治疗厌氧细菌感染以及滴虫病、贾第虫病[3]和阿米巴病[4]等寄生虫疾病。此外，它是水产养殖和畜牧业中最常用的抗生素[5]，用于预防和治疗动物的厌氧细菌感染和原虫性疾病。甲硝唑通过药物干预促进动物健康恢复，可能提高动物的生长性能[6]。然而，近年来抗生素的滥用给临床和自然环境带来了人为选择压力，对公共健康构成威胁[7]。水体、动物和植物中抗生素的残留水平不断上升[8]，加之部分医疗废水未经充分处理即排入水体，甲硝唑已成为一种严重的有机污染物。通过食物链长期暴露于MNZ可能导致各种不良反应，包括肠道菌群失衡、过敏反应、免疫毒性，甚至急慢性中毒，同时增加致突变和致癌的风险。由于MNZ具有毒性和持久性，其在环境中的浓度持续升高，构成严重的潜在危害。因此，世界卫生组织已禁止在食品生产动物中使用MNZ[9]。由于其价格低廉且对各种感染疗效显著，MNZ仍然是水产养殖和畜牧业中未经严格监管的抗寄生虫治疗的首选药物[10]。因此，建立高灵敏度、快速的分析方法以准确检测食品中的MNZ残留，对于有效保障人类健康具有重要意义。

目前，已开发出多种方法检测甲硝唑等抗生素[11]、[12]，包括液相色谱-串联质谱法[13]、基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱法（MALDI-TOF MS）[14]、拉曼光谱法[15]、近红外分光光度法[16]和高效液相色谱法（HPLC）[17]。虽然这些技术具有高精度，但严重依赖精密仪器和设备完善的中心实验室。因此，它们在工程应用上存在不足，不适用于现场筛查，难以集成到便携式设备中，无法满足复杂环境场景下实时原位监测的紧迫需求。因此，迫切需要开发一种简单、快速且高选择性的传感技术来检测水体中的甲硝唑残留。由于硝基咪唑化合物具有荧光猝灭特性，荧光传感检测通常被认为是检测甲硝唑的有前景的策略。该技术因其成本低、灵敏度高、响应快和选择性好而受到广泛关注[18]。

金属有机笼（MOCs）[19]是一类配位笼结构，能够吸附和容纳溶液中的物质，同时在固态下表现出永久孔隙率。MOCs可由几乎任何有机组分和含金属组分的组合构成[20]，其笼状结构可呈现各种形状和尺寸，从而实现特定性质的调控。MOCs具有明确定义的封闭空腔，能够为被封装的分子提供更强的保护，同时具有优异的溶解性和结构易改性特征。与其他常见的传感材料如金属有机框架（MOFs）[21]、[22]和氢键有机框架（HOFs）[23]、[24]相比，金属笼独特的可调主客体化学性质[25]使其在研究中具有特别重要的价值。在痕量检测应用中，MOCs可溶于各种溶剂，能够与溶液中的目标分析物实现直接的分子级接触，并通过消除固液传质过程来加快响应速度，因此特别适合水环境监测。在选择性方面，由于其稳定的笼状结构和明确的空腔，MOCs仅允许尺寸或构型匹配的分析物分子进入，有效排除了其他物质的干扰，其选择性和特异性显著高于MOFs。

本研究首次报道了一种以稀土Tb³⁺离子功能化的发光金属有机笼，该研究基于Pecoraro小组建立的设计原则[26]、[27]、[28]。稀土离子具有独特的光谱性质，在可见光和近红外光谱区域呈现出锐利且清晰的发射带，使这些笼状结构能够发射绿光[29]、[30]。SHZU-1的最佳荧光激发峰和发射峰分别位于328 nm和548 nm，具有良好的荧光性能和优异的结构稳定性。基于内滤效应，引入MNZ会诱导荧光强度的显著猝灭，使SHZU-1可作为荧光纳米探针用于MNZ的测定。更重要的是，在复杂基质（如牛奶、鸡蛋、蜂蜜等）中，得益于SHZU-1的独特性质，其对甲硝唑仍表现出较高的选择性。因此，所提出的荧光检测方法作为食品基质中MNZ快速灵敏监测的可靠工具具有广阔的应用前景（图1a）。

章节摘要

试剂与仪器

所有溶剂和试剂均购自商业供应商，未经进一步处理直接使用。水杨羟肟酸（H₃Shi）、硝酸镓水合物（Ga(NO₃)₃·xH₂O）、1,3-降冰片烷二羧酸（Ada）、氯化铽(III)六水合物（TbCl₃·6H₂O）、碳酸氢铵（NH₄HCO₃）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、甲醇（MeOH）均购自麦克林生化科技有限公司（上海，中国）。甲硝唑（MNZ）、双氯芬酸钠（DS）、左氧氟沙星（LVFX）、精氨酸（Arg）、丙氨酸（Ala）、天冬氨酸

SHZU-1的结构表征

单晶X射线衍射分析表明，SHZU-1在四方晶系中结晶形成三维（3D）框架结构。其骨架由Tb³⁺中心、Ga³⁺离子、1,3-降冰片烷二羧酸桥联配体和H₃Shi配体之间的配位键构成。巧妙的是，具有闭壳层电子构型的Ga³⁺离子作为刚性节点，通过强配位键将有机配体锚定在稳定的三维框架中；

结论

总之，通过简单直接的溶剂热法成功合成了具有强绿色发光的金属有机笼SHZU-1。后续研究表明，它基于荧光猝灭效应实现了对MNZ的选择性检测。DFT、紫外和荧光分析表明，猝灭机制源于内滤效应和光致电子转移。SHZU-1对MNZ表现出高选择性，在较宽范围内显示出强烈的线性相关性

存取码沉积

编号2543777包含本文的补充晶体学数据。这些数据可通过剑桥晶体学数据中心（CCDC）和卡尔斯鲁厄专利信息中心联合提供的Access Structures服务免费获取。

CRediT作者贡献声明

李若冰：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、软件、形式分析、数据管理、概念化。王洪杰：写作——审阅与编辑、验证、形式分析。王杭杭：写作——审阅与编辑、验证。郭晶：写作——审阅与编辑、验证。孟龙飞：写作——审阅与编辑、验证。赵继兴：写作——审阅与编辑、验证。张扬：写作——审阅与编辑、验证。孟瑶：写作——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的相互冲突的经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了石河子大学高层次人才研究启动项目（RCZK202372）、天池人才引进计划（CZ000903）以及锦葵产业研究所开放基金（CZ2024KFG01）的资助。

李若冰|王洪杰|王杭杭|郭晶|孟龙飞|赵继兴|张扬|孟瑶|吴心雨|易昊旌|张旭|汤辉|刘江|孙成哲