基于H₂L-ZnTb的OTC-HCl传感器的合成与荧光传感性能

Synthesis and Fluorescence Sensing Performance of H₂L-ZnTb-Based Sensors toward OTC-HCl

摘要: 本文系统研究了稀土配合物H₂L-ZnTb溶液的发光性质及其对盐酸土霉素(OTC-HCl)的荧光传感性能。实验表明，H₂L-ZnTb在DMSO溶液中经355 nm激发产生Tb³⁺的特征发射峰，显示出优异的稀土发光特性和良好的相纯度。进一步的传感实验发现，H₂L-ZnTb对多种抗生素表现出特异性响应，仅OTC-HCl能显著猝灭其荧光。滴定实验结果表明，其对OTC-HCl的检测限(LOD)为14.63 nM。机理研究表明，OTC-HCl的紫外吸收与H₂L-ZnTb激发光谱的显著重叠导致内过滤效应(IFE)，从而引起荧光猝灭。作为最有前途的化学传感器之一，H₂L-ZnTb可以有效地应用于OTC-HCl的检测。

Abstract: This study systematically investigates the luminescent properties of the rare-earth complex H₂L-ZnTb solution and its fluorescence sensing performance toward oxytetracycline hydrochloride (OTC-HCl). Experiments demonstrate that H₂L-ZnTb exhibits characteristic Tb³⁺ emission peaks upon 355 nm excitation in DMSO solution, thus revealing excellent rare-earth luminescence characteristics and good phase purity. Further sensing experiments reveal that H₂L-ZnTb exhibits specific responses to multiple antibiotics, with only OTC-HCl significantly quenching its fluorescence. Titration results indicate a limit of detection (LOD) of 14.63 nM for OTC-HCl. Mechanistic studies indicate that the significant overlap between OTC-HCl’s UV absorption and H₂L-ZnTb excitation spectrum induces an inner filter effect (IFE), leading to fluorescence quenching. As one of the most promising chemical sensors, H₂L-ZnTb can be effectively applied to the detection of OTC-HCl.

1. 引言

四环素类抗生素(TCs)，包括四环素(TC)、盐酸土霉素(OTC-HCl)、金霉素(CTC)及其衍生物，是一类具有广谱抗菌活性、低毒性和具有较高经济性的抗生素，广泛应用于人类和动物细菌感染的治疗，还可以作为亚治疗剂量的饲料添加剂促进畜禽生长[1]。它们通过抑制细菌蛋白质合成来阻止病原菌的生长和繁殖，对革兰氏阳性菌和部分革兰氏阴性菌均具有良好的抑制效果。以OTC-HCl为例，其因高效、便捷和性价比优势而在医疗和畜牧业中被广泛使用。然而，OTC-HCl在体内代谢不完全，大多以原形随尿液和粪便排出，因而在环境中广泛残留，此外，医疗废物排放、畜牧业的过度使用、污水灌溉和化肥施用等途径使其在土壤、水体及农产品中累积[2]。过量残留的OTC-HCl通过食物链进入人体，可能引发牙齿变色、过敏反应、肝损伤、胃肠道疾病等健康问题，同时还可能诱导微生物耐药性，甚至导致“超级细菌”的出现，这无一不凸显了抗生素滥用的严重性[3]。鉴于其不良的生态毒理效应及对人类健康的潜在风险，四环素类抗生素污染已成为全球关注的环境问题。欧盟与美国食品药品监督管理局(FDA)分别规定，牛奶中四环素的最大残留量不得超过225 nM和676 nM。这一严格标准进一步表明，建立灵敏、准确且高选择性的检测与去除方法是十分迫切的。对四环素类抗生素残留的有效监测和控制有利于保障生态环境与公共健康安全[4]。

传统的四环素类抗生素的检测方法包括高效液相色谱(HPLC)、液相色谱–质谱联用(LC-MS)、毛细管电泳(CE)、电化学法、紫外光谱法以及酶联免疫吸附测定(ELISA) [5]-[7]等。这些方法具有较高的灵敏度和选择性，但普遍存在操作复杂、设备昂贵、样品前处理繁琐、耗时较长等问题，从而限制了其在实际检测中的应用。近年来，荧光分析法因其高灵敏度、良好选择性、操作简便、响应快速和适用于原位检测等优势受到广泛关注。基于荧光传感策略的四环素检测方法被多次报道，例如量子点(QDs)、分子印迹聚合物(MIPs)、金属纳米簇及金属有机框架(MOFs) [8]-[10]等。其中，碳量子点因来源丰富、制备简便和优异的荧光性能，被广泛应用于OTC-HCl检测。然而，碳量子点在荧光发射方面仍存在局限，如发射强度低、光学稳定性差以及发射波长受限，同时部分量子点含有重金属元素，可能带来环境污染和生物毒性风险。因此，开发一种简便、廉价且高选择性的荧光检测方法，对OTC-HCl的快速定量监测具有重要意义。

金属有机框架(MOFs)因其结构可设计性和优异的物理化学性能，在荧光传感领域受到广泛关注[11]。与过渡金属MOFs相比，镧系金属有机框架(LnMOFs)具有高量子产率、大斯托克斯位移、长寿命及锐线发射等独特光学特性，其发光主要依赖于“天线效应”，即有机配体吸收能量后将其转移至镧系离子，显著增强其发射强度。凭借多孔结构和可调控的配位环境，LnMOFs可被应用于金属离子、阴离子、有机小分子及硝基芳香化合物的荧光检测，展现出快速、灵敏和选择性优异的优势[12] [13]。

综上所述，H₂L-ZnTb兼具优异的稀土发光特性和良好的相纯度，为其在荧光探针和功能材料中的应用提供了可能。基于此，本研究系统评估了H₂L-ZnTb在DMSO介质中对OTC-HCl的选择性识别与超灵敏检测性能，并进一步探讨了其猝灭机理，为抗生素检测和相关领域的应用提供新的思路。

2. 实验

2.1. 实验方法

(1) 以水杨酸甲酯、3-氨基苄胺为反应原料合成中间体N-(3-氨基苄基)-2-羟基苯甲酰胺，再使中间体与5-硝基水杨醛发生胺醛缩合反应得到配体H₂L：2-羟基-N-(3-((2-羟基-5-硝基亚苄基)氨基)苄基)苯甲酰胺。

(2) 称取0.05 mmol H₂L加入到50 ml的烧瓶中，加入一定量的乙腈和甲醇，搅拌让其刚好溶解，加入15 μL的三乙胺去除配体中的质子氢，搅拌0.5 h后，称取0.0149 g (0.05 mmol)的Zn(NO₃)₂加入到上述溶液中，观察到立即出现黄绿色沉淀，搅拌2 h后接着称取0.0227 g (0.05 mmol)的Tb(NO₃)₃∙6H₂O加入到悬浊液中，继续搅拌2 h。过滤收集沉淀，即得到了一种杂金属化合物H₂L-ZnTb。

2.2. 测试与表征

使用Hitachi F-7000荧光光谱仪和Cary系列紫外–可见–近红外分光光度计对H₂L-ZnTb的荧光性能和传感性能进行测试，使用粉末X射线衍射仪(Rigaku D/Max 2200 PC)对H₂L-ZnTb进行表征。

2.3. 发光传感实验

为了在DMSO体系下检测OTC-HCl，制备1.0 mg/ml的LZnEu DMSO溶液，将2.0 mg晶体加入2 ml的DMSO溶液中，超声处理得到澄清溶液。在DMSO中配置1 × 10⁻² M的抗生素溶液，分别称取4.97 mg、3.73 mg、1.71 mg、7.34 mg、4.07 mg、2.25 mg、1.98 mg和2.38 mg的盐酸土霉素(OTC-HCl)、青霉素钾(PG)、MDZ (甲硝唑)、EM (红霉素)、HY (林可霉素)、FZD (呋喃唑酮)、NFZ (呋喃西林)以及NFT (呋喃妥英)溶解于1 ml的DMSO中，在激发波长为355 nm下记录荧光光谱。

3. 结果与讨论

Figure 1. (a) Excitation and emission spectra of H₂L-ZnTb; (b) CIE chromaticity coordinates corresponding to the emission peaks of H₂L-ZnTb

图1. (a) H₂L-ZnTb的激发和发射光谱；(b) H₂L-ZnTb发射峰对应的CIE色度坐标图

对稀土配合物H₂L-ZnTb溶液的荧光性能进行了系统研究。如图1所示，在355 nm激发下，样品呈现出Tb³⁺的特征发射峰，分别位于492 nm、548 nm、588 nm和624 nm，对应于⁵D₄→⁷F_j (J = 6, 5, 4, 3)的跃迁，且未观察到配体本身的发射，说明DMSO能有效敏化Tb³⁺的发光。此外，在365 nm紫外灯照射下，H₂L-ZnTb溶液展现出明亮的绿色发光，其CIE坐标为(0.3405, 0.5484)。这些结果表明H₂L-ZnTb具有优异的稀土发光特性，在发光材料方面具有较大的应用潜力。

图2中所示的H₂L-ZnTb的cif文件的模拟图案与实验所得的PXRD图案一致，表明其样品具有良好的相纯度[14]。

Figure 2. Simulated and experimental PXRD patterns of H₂L-ZnTb

图2. H₂L-ZnTb的模拟与实验PXRD图谱

基于H₂L-ZnTb的优异发光性能，进一步研究了其在DMSO中对盐酸土霉素(OTC-HCl)的传感能力。将2 mL H₂L-ZnTb溶液置于石英比色皿中，逐步加入1 μL各抗生素溶液并记录荧光光谱。如图3(a)所示，虽然部分抗生素使荧光强度有所降低，但仅有OTC引起了显著猝灭，表明H₂L-ZnTb对其具有良好的选择性。根据公式(1 − I/I₀) × 100%计算猝灭效率I₀与I分别为加样前后的546 nm发射强度)，结果显示OTC-HCl导致的猝灭效率高达95.89%。由此可见，H₂L-ZnTb在DMSO介质中可作为对OTC-HCl灵敏响应且具有良好选择性的荧光传感器。

Figure 3. (a) Emission spectra of sensors after adding different antibiotics solution; (b) Competitive experiment for detecting OTC with sensors in the presence of different antibiotics solution

图3. (a) 加入不同抗生素后传感器的发射光谱；(b) 传感器在不同抗生素存在下检测OTC的竞争实验

随后，通过荧光猝灭滴定实验进一步评估了H₂L-ZnTb传感器对OTC-HCl的检测性能。如图4(a)所示，随着OTC-HCl浓度由0增至225 μM，548 nm处的荧光强度由9539逐渐下降至385.2，之后继续加入OTC-HCl时荧光信号基本保持稳定。利用Stern-Volmer (SV)方程进行线性拟合(图4(b))，在浓度低于130 μM时呈现良好的线性关系(R² = 0.9941)，对应的K_sv值为6.562 × 10⁷ M⁻¹。根据公式LOD = 3δ/K_sv计算出检测限为14.63 nM (其中3δ = 0.0096，3δ是取自10次平行测量的标准差)。结果表明，H₂L-ZnTb对OTC-HCl具有快速响应和显著信号变化的特性，可作为高效、灵敏的传感分子用于DMSO介质中OTC-HCl的检测。

基于上述光谱分析结果，本研究明确了荧光探针H₂L-ZnTb对OTC-HCl的荧光响应机制。如图5(a)所示，OTC-HCl的紫外吸收光谱与H₂L-ZnTb的激发光谱存在显著重叠。随着OTC-HCl的加入，其在激发波长处对入射光产生竞争性吸收，导致实际用于激发探针的光强减弱，从而引起荧光信号的降低。该过程主要源于激发光内滤效应(IFE)。此外，如图5(b)所示，我们还通过计算得到OTC-HCl的紫外–可见吸收光谱和H₂L-ZnTb的激发光谱的重叠积分为34.922，进一步证明了内滤效应可以有效发生。基于此机理，建立了对OTC-HCl的定量检测方法。

Figure 4. (a) Fluorescence titration diagram of sensors response to OTC (0~225 μM); (b) The relationship between the Stern-Volmer of sensors and the increase in OTC concentration.

图4. (a) 传感器对OTC (0~225 μM)的荧光滴定图；(b) 传感器的Stern-Volmer与OTC浓度增加的关系

Figure 5. (a) Excitation of sensors and UV absorption spectra of antibiotics; (b) Overlapping integral area of the sensor excitation spectrum and OTC UV absorption spectrum

图5. (a) 传感器的激发光谱以及抗生素的紫外吸收光谱；(b) 传感器激发光谱和OTC的紫外吸收光谱重叠积分面积

4. 结论

本研究系统考察了稀土配合物H₂L-ZnTb的发光性能及其在DMSO介质中对盐酸土霉素(OTC-HCl)的传感特性。结果显示，H₂L-ZnTb在355 nm激发下表现出典型的Tb³⁺发射，呈现明亮的绿色荧光，且具有良好的相纯度。荧光猝灭实验表明，该配合物能够实现对OTC-HCl的高效识别与超灵敏检测。其猝灭效率高达95.89%，检测限低至14.63 nM，且对多种抗生素表现出良好的抗干扰性。机理研究进一步揭示，荧光猝灭主要来源于内过滤效应(IFE)。综上，H₂L-ZnTb可作为一种对OTC-HCl高效、灵敏响应的荧光探针，在抗生素检测、环境监测及食品安全等领域展示出广阔的应用前景。