熒光素@UiO-66金屬有機框架材料熒光檢測曲利苯藍

摘 要：采用水熱法制備了熒光素@UiO-66（FN@UiO-66）金屬有機框架材料，借助X射線衍射和紅外光譜技術確定了其物相結構，并利用掃描電子顯微鏡、動態光散射等技術表征了其形貌特征。結果表明，FN@UiO-66大小均勻，平均水合粒徑為380.4nm。隨后進行了FN@UiO-66對典型染料曲利苯藍的熒光檢測研究，實驗結果表明，曲利苯藍可以猝滅FN@UiO-66的熒光發射，其Stern-Volmer系數K_SV為3593L·mol^-1，說明FN@UiO-66材料對曲利苯藍具有良好的選擇性，且曲利苯藍的檢出限為0.06μmol·L^-1。由此可見，FN@UiO-66可以高效地識別曲利苯藍，且具有良好的選擇性和檢測靈敏度，可實現對曲利苯藍的快速熒光檢測。

關 鍵 詞：FN@UiO-66; 合成; 曲利苯藍; 熒光探針

中圖分類號：O657.3 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2023.06.002

Fluorescence detection of trypan blue based on the fluorescein@UiO-66 metal-organic framework material

LIU Liyan¹， QIAO Dan¹， LIU Kefan^1，2， LIU Xiaoyan¹， SHI Jianjun¹， YU Zhan¹

（1. College of Chemistry and Chemical Engineering， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China;

2. Dalian No.117 Middle School， Dalian 116100， China）

Abstract：In this work， the composite fluorescein@UiO-66 （FN@UiO-66） metal-organic framework material was synthesized by a hydrothermal protocol. The structural characteristics of FN@UiO-66 were determined with the help of X-ray diffraction and infrared spectroscopy as well as the morphological characteristics were investigated by scanning electron microscopy （SEM） and dynamic light scattering （DLS）. Experimental results show that FN@UiO-66 is uniform in size， with an average hydrodynamic diameter of 380.4nm. Subsequently， a fluorescence study of FN@UiO-66 on trypan blue （TB） was carried out， and further experiments show that the Stern-Volmer coefficient of TB， K_SV， is 3593L·mol^-1， which indicates that the FN@UiO-66 has a good effect on TB. The selectivity of FN@UiO-66 for TB is good， and the detection limit of TB is 0.06μmol·L^-1， showing that FN@UiO-66 can recognize TB efficiently. FN@UiO-66 has a good selectivity and detection sensitivity to TB， and it can realize the rapid fluorescence detection of TB.

Key words：FN@UiO-66; synthesis; trypan blue; fluorescent probe

金屬有機框架（metal-organic frameworks， MOFs）材料因其在結構上具有規律性、剛性、多變性、可設計性，成為一類具有廣泛應用前景的新型材料^［1］。MOFs具有可調控的多孔通道，可以容納多種極性、體積不同的客體分子，因而常作為探針載體用于熒光傳感中^［2］。

2008年，挪威奧斯陸大學的Cavka研究組^［3］首次報道了一類以金屬Zr為中心、對苯二甲酸（H₂BDC）為有機配體的剛性金屬有機框架材料，命名為UiO-66。與其他MOFs材料相比，UiO-66具有特別的熱穩定性和化學穩定性^［4］，晶體結構可在500℃下保持穩定，其框架結構可承受1.0MPa的機械壓力。UiO-66在水、苯或丙酮等溶劑中可以保持結構穩定，并且還具有很強的耐酸性和一定的耐堿性^［5］。

曲利苯藍（trypan blue， TB）是一種常見的偶氮類染料，可用于給棉、麻、蠶絲、化纖制品染色，并可作為紙張、皮革等材料的染色劑^［6］。由于死細胞的細胞膜不完整，短時間TB染色可將其染成藍色，而具有完整細胞膜的活細胞會排斥染料，因而在生物學實驗中，TB也常用于區分正常細胞與死亡細胞。但是有文獻^［7］證實，經過5min染色，TB就會對細胞產生毒性，5～30min染色會導致TB染料滲透健康細胞的細胞膜，細胞會隨著時間的推移而死亡，最終健康細胞也會被TB染色，因而使用TB進行細胞染色的最終結果是降低細胞活性^［8］。

本文成功制備了一種熒光素（fluorescein， FN）與UiO-66的復合材料FN@UiO-66，表征了其結構并研究了其在水溶液中對TB的熒光檢測性能。實驗研究表明，FN@UiO-66對TB具有良好的選擇性和靈敏度，可用于熒光檢測TB。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

四氯化鋯、熒光素（FN）、曲利苯藍（TB）、對苯二甲酸（H₂BDC）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、鹽酸、甲醇、冰乙酸、醋酸鈉、乙腈、乙酸乙酯、三氯甲烷、二甲基亞砜（DMSO）等試劑均為分析純或更高純度，實驗中未進行純化而直接使用;實驗用水為超純水（18.2MΩ·cm）。

采用日本日立公司的SU8010型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope， SEM）對樣品的表面形貌特征進行檢測，工作距離為3.8mm，加速電壓為3.0kV;采用日本理學公司的X射線粉末衍射儀測定樣品的X射線衍射（X-ray diffraction， XRD）圖譜，銅靶K_α線波長為0.15405nm，掃描速度為10°·min^-1，掃描范圍為5°～50°，管電壓為40kV，管電流為40mA;采用英國馬爾文公司的Nano-ZS90型納米粒度分析儀測試樣品的平均粒度;采用美國賽默飛公司的Nicolet iS 5型傅里葉變換紅外光譜儀測試樣品的紅外光譜;采用美國瓦里安公司的Cary Eclipse型熒光光譜儀對懸浮液樣品進行熒光測試。

1.2 FN@UiO-66的制備

FN@UiO-66的合成方法參照文獻［9］。首先準確稱取0.4514g ZrCl₄，0.3289g H₂BDC，0.0338g FN， 34.0mL DMF和0.34mL HCl于250mL燒杯中，混合攪拌1h后使全部反應物完全溶解在DMF中，得到均勻的反應液。隨后將反應液轉移至裝有50mL聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中，在120℃烘箱中連續加熱24h，待其自然冷卻后，將得到的黃色粉末用DMF和甲醇溶液洗滌4次并抽濾，得到粗產物。將粗產物在80℃下烘干12h后，自然冷卻并研磨，得到黃色固體粉末，即為FN@UiO-66。

1.3 熒光實驗

將FN@UiO-66粉末（30mg）加入30mL超純水中，室溫下靜置24h，然后將此樣品進行30min超聲處理后得到穩定的懸浮液。分別準確移取多份2.5mL的懸浮液，加入不同體積的5×10^-4mol·L^-1TB水溶液，并測試其光致發光（photoluminescence， PL）譜圖。進行重復性實驗時，將FN@UiO-66粉末從懸浮液中高速離心出，經無水乙醇充分洗滌后晾干即可重復使用。

2 結果與討論

2.1 FN@UiO-66的表征

圖1分別給出了文獻［10］報道的UiO-66單晶數據模擬、本文合成的FN@UiO-66及在TB溶液中浸泡24h后的FN@UiO-66的XRD譜圖。由圖1可以看出，UiO-66在2θ為7.36°和8.50°處有明顯的特征衍射峰，在14.76°， 17.06°， 25.72°， 30.72°等處也有相對較強的衍射峰。本文合成的FN@UiO-66材料衍射峰與單晶數據模擬的UiO-66特征峰峰位相同且強度較高，未出現其他雜峰，這表明已經成功獲得FN@UiO-66材料，并且其純度和結晶度良好。當FN@UiO-66在TB溶液中浸泡24h后，其峰位和峰強并沒有發生變化，也沒有出現明顯的雜峰，表明在熒光檢測TB過程中，FN@UiO-66材料結構穩固，沒有發生變化。

圖2給出30000倍和60000倍放大倍率下的FN@UiO-66樣品的SEM照片。可以看出，FN@UiO-66樣品晶化程度良好，晶體顆粒大小均勻，晶粒呈正四面體，粒徑范圍約為150～300nm，與文獻［10］報道相一致，表明成功地合成出FN@UiO-66樣品，樣品純度比較高，并且FN的引入并不會導致UiO-66的結構發生變化。

圖3為純水介質中UiO-66與FN@UiO-66的水合粒徑分布圖。由圖3可見，UiO-66與FN@UiO-66的粒徑分布較為均勻，平均粒徑分別為334.5nm和380.4nm，尤其是當FN與UiO-66形成FN@UiO-66復合材料后，復合材料的平均粒徑稍稍增大，證明了FN@UiO-66復合材料的成功合成。

圖4為UiO-66， FN與FN@UiO-66的紅外光譜圖。如圖4（a）所示，3430cm^-1處的寬峰可歸屬為O—H鍵伸縮振動，1398cm^-1處強吸收峰可歸屬為配體中羧基伸縮振動，1505cm^-1和1583cm^-1處的特征峰是配體分子中苯環的骨架振動引起的，550cm^-1處的吸收峰對應Zr—OC鍵，這個吸收峰的存在證明了金屬有機框架結構的建立，表明成功地合成了UiO-66。圖4（c）給出FN@UiO-66材料的紅外光譜圖，由圖4（c）可見，復合FN后UiO-66的紅外譜圖變化不明顯，一些強吸收峰出現幾個波數的紅移，例如，1398cm^-1處吸收峰紅移至1401cm^-1處，1583cm^-1處吸收峰紅移至1584cm^-1處，但并未出現FN如1598cm^-1，1112cm^-1處的特征吸收峰，推測其原因可能是UiO-66中復合的FN量較少。

由圖5（a）可以看出，UiO-66及FN@UiO-66的氮氣吸附-脫附等溫曲線均呈現典型的Ⅰ類吸附等溫線特點，即在P/P₀比較低時吸附量快速上升，隨著P/P₀的增加，吸附量達到一個飽和值，當接近飽和壓力（P/P₀接近1.0）時，曲線上揚。這表明UiO-66及FN@UiO-66都是典型的微孔結構。復合FN后，UiO-66的氮氣吸附量明顯下降，比表面積由1005.3452m²·g^-1 下降至873.5886m²·g^-1，這也從另一方面證明了FN@UiO-66的成功合成。圖5（b）給出UiO-66及FN@UiO-66的孔分布情況，復合FN后UiO-66的孔體積顯著減小，只有0.86nm大小的孔體積變大，本文推測這可能是復合FN后，UiO-66表面部分孔的孔徑發生改變所致。

圖6為UiO-66及FN@UiO-66懸濁液的熒光光譜圖。由圖6可見，UiO-66在369nm處有發射峰，對應BDC配體的π-π^*躍遷^［11］。而與之相比，FN@UiO-66復合材料除了369nm處峰外，在523nm處存在強度更大的發射峰，此峰對應于FN分子的特征發射。

2.2 FN@UiO-66對TB的熒光檢測

圖7（a）為不同濃度TB存在下FN@UiO-66懸濁液的發光情況。可以看出，隨著TB濃度的增加，體系的發光強度逐漸降低，發生熒光猝滅現象，并且主發射峰發生藍移，由523nm變為520nm，表明TB的引入降低了體系FN分子周圍的極性，增加了環境的疏水性。

一般來說，熒光猝滅包括靜態猝滅和動態猝滅，可使用Stern-Volmer方程（式（1））分析。

其中：F與F₀分別為有無猝滅劑時體系的熒光發射強度;［Q］是猝滅劑濃度;K_SV是Stern-Volmer常數。

利用式（1）對圖7（a）中熒光發射數據進行計算^［12-13］，可以看出，TB濃度在0～3.0×10^-4mol·L^-1時F₀/F與TB濃度呈現良好的線性關系，線性方程為y=1.02+3593x，R²為0.9973。根據3δ/S（δ為空白樣品標準偏差，S為線性方程斜率）計算可知，TB檢出限為0.06μmol·L^-1，表明FN@UiO-66能夠較靈敏地檢測TB。

根據F?rster共振能量傳遞理論^［14］，當熒光體與物質距離較近時，如果熒光體的發射光譜與物質的吸收光譜之間存在重疊，二者之間會發生能量傳遞，這是引起熒光猝滅的原因之一。圖8給出了室溫下FN@UiO-66熒光發射光譜與TB紫外可見光譜的重疊譜圖。由圖8可見，二者之間存在較大程度的重疊，導致FN@UiO-66熒光發射能量向TB轉移，FN@UiO-66則出現明顯的猝滅現象。

本文還考察了FN@UiO-66識別TB的重復性。設第1次實驗中FN@UiO-66的發光強度為100%，則第2次至第5次實驗中FN@UiO-66的發光強度分別為98.83%， 94.12%， 90.86%和90.82%。可以看出，經過5次循環，FN@UiO-66的熒光強度仍舊維持在較高水平，FN@UiO-66的使用重復性較好。

3 結 論

本文采用水熱法成功制備了金屬有機框架材料FN@UiO-66，并通過X射線衍射、紅外光譜等手段表征了材料的結構。同時，將FN@UiO-66用作傳感器，使用熒光猝滅方法識別檢測TB。實驗結果顯示，TB可以有效地猝滅FN@UiO-66發光，并且隨著TB加入量的增加，FN@UiO-66的猝滅越來越顯著，FN@UiO-66對TB的檢出限為0.06μmol·L^-1。因此，FN@UiO-66對TB具有良好的選擇性和靈敏度，可實現TB的快速發光檢測。

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