低背景双配体Cu-MOF纳米探针：植物组织成像与环境样本中草甘膦的快速筛查与灵敏检测

引言

草甘膦是一种广泛使用的有机磷除草剂，因其高效的除草性能而被广泛应用于农业生产中。然而，草甘膦的过量使用导致其在土壤和饮用水中的残留不断增加，对环境和人类健康构成了严重威胁。草甘膦在环境中的积累可能破坏生态平衡，长期暴露于草甘膦可能对人体产生致癌和致突变的风险，并可能扰乱免疫系统和内分泌系统。因此，监测植物、土壤和水中的草甘膦残留至关重要。美国环境保护署（EPA）已将饮用水中草甘膦的最大污染物水平（MCL）设定为4.1 μM。传统的草甘膦检测方法如高效液相色谱（HPLC）和气相色谱（GC）虽然灵敏度和准确性较高，但由于草甘膦缺乏发色团和荧光团，其分析过程通常需要复杂的衍生化处理。因此，开发能够与草甘膦相互作用并产生可读信号的光学探针，如荧光、比色、化学发光和表面增强拉曼散射（SERS）等，对于草甘膦的快速筛查和检测具有重要意义。荧光探针因其简单、快速检测草甘膦以及在成像技术中的优势而受到广泛关注。然而，传统的“关闭”模式荧光探针背景高，不利于环境样本中微量草甘膦的检测。因此，开发具有低背景和高灵敏度的新型荧光探针仍具有挑战性和必要性。

研究背景与意义

金属-有机框架（MOFs）因其高比表面积、丰富的功能位点和多样化的结构而成为传感领域的理想平台。一些基于MOFs的“关闭-打开”荧光探针已被报道用于草甘膦的检测，但大多数仍需要添加Cu²⁺作为中间信号物质。在基于MOFs的探针中，可以通过配体-金属电荷转移（LMCT）或光诱导电子转移（PET）效应构建“关闭-打开”模式的荧光探针，因为这些效应可以直接猝灭配体的荧光，然后通过与金属中心或配体相互作用恢复被抑制的荧光。然而，仅LMCT或PET效应通常不能完全猝灭配体的荧光。具有LMCT和PET效应的MOF材料可以完全猝灭配体的发光，更有利于构建“关闭-打开”探针，但用于草甘膦检测的此类探针尚未见报道。因此，本研究开发了一种具有LMCT和PET效应的“关闭-打开”Cu-MOF纳米探针，用于环境样本中草甘膦的快速筛查和灵敏检测。该Cu-MOF采用双配体（即AIA和H3BTC）设计和制备。由于LMCT和PET效应，AIA配体的荧光可以在Cu-AIA/BTC MOF中被猝灭，猝灭率达到98%。在草甘膦存在时，由于草甘膦与中心离子Cu²⁺的竞争配位，导致Cu-AIA/BTC MOF结构崩溃，释放配体并恢复AIA配体的荧光。使用这种双配体Cu-AIA/BTC MOF纳米探针，草甘膦的检测限可达到33 nM，约为Cu-AIA的20倍。该Cu-AIA/BTC MOF纳米探针具有低背景和高灵敏度，有望用于植物组织中草甘膦的成像、茶和土壤样本中草甘膦的快速筛查和检测。

研究方法与实验设计

本研究通过溶剂热合成法制备了Cu-MOF。将Cu(NO₃)₂ 3H₂O和配体加入到DMF中，搅拌至溶液透明后，加入DMF/C₂H₅OH的混合溶剂，然后将混合物转移到不锈钢高压反应釜中的聚四氟乙烯衬里中，在90 ℃下加热24小时，冷却至室温后，用乙醇和DMF分别洗涤三次，最后在60 ℃真空干燥12小时。通过荧光光谱仪记录Cu-AIA/BTC在不同草甘膦浓度下的发光光谱。为了研究植物组织成像，将茶叶、豆芽和绿萝在100 μM草甘膦溶液中孵育24小时，然后在Cu-AIA/BTC溶液中孵育2小时，最后在365 nm紫外光下成像。对于实际样本中草甘膦的测定，通过模拟化学除草过程获得草甘膦污染的茶叶和土壤样本。在筛查过程中，直接将Cu-MOF溶液喷洒在污染和未污染样本上，然后在紫外光下观察其发光情况。在检测过程中，将草甘膦污染的茶叶和土壤样本分别用30 mL水超声提取，过滤后得到草甘膦溶液，然后根据上述方法测定草甘膦含量的变化。

关键结论与发现

本研究成功开发了一种基于Cu-AIA/BTC的低背景荧光探针，用于草甘膦的检测。由于LMCT和PET效应，AIA配体的荧光可以在Cu-AIA/BTC中被完全猝灭。在草甘膦存在时，Cu-AIA/BTC结构崩溃，释放自由荧光团AIA，使荧光强度明显恢复。该探针对草甘膦的检测限为33 nM，远低于美国环境保护署设定的最大污染物水平（4.1 μM）。此外，该纳米探针还被用于植物组织成像、草甘膦污染茶叶和土壤样本的快速筛查以及环境中草甘膦自然降解的监测。因此，Cu-AIA/BTC纳米探针在草甘膦残留的快速检测方面具有广阔的应用前景。

结论与展望

综上所述，本研究开发了一种基于Cu-AIA/BTC的低背景荧光探针，用于草甘膦的检测。该探针利用LMCT和PET效应，使AIA配体的荧光在Cu-AIA/BTC中被完全猝灭。在草甘膦存在时，Cu-AIA/BTC结构崩溃，释放自由荧光团AIA，使荧光强度明显恢复。该探针对草甘膦的检测限为33 nM，远低于美国环境保护署设定的最大污染物水平（4.1 μM）。此外，该纳米探针还被用于植物组织成像、草甘膦污染茶叶和土壤样本的快速筛查以及环境中草甘膦自然降解的监测。因此，Cu-AIA/BTC纳米探针在草甘膦残留的快速检测方面具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步优化该探针的性能，提高其检测灵敏度和稳定性，拓展其在其他环境污染物检测领域的应用。

环境意义

草甘膦是一种广泛使用的有机磷农药，对健康和环境构成重大风险。因此，监测环境样本中的草甘膦至关重要。本研究开发了一种基于Cu-AIA/BTC的低背景双配体铜基金属有机框架纳米探针，可用于植物组织中草甘膦的成像、草甘膦污染样本的快速筛查以及环境样本中草甘膦的灵敏检测。该纳米探针有望用于草甘膦残留的环境风险评估。

图1. (A)低背景Cu-AIA/BTC示意图及检测草甘膦的原理。 (B)添加草甘膦前后Cu-AIA/BTC的荧光光谱。

图2. (A) Cu-AIA 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像，(B) Cu-AIA/BTC 的 SEM 图像，(C) 合成的 Cu-AIA/BTC、Cu-BTC、CuAIA 的 PXRD 图谱，( D) Cu-AIA/BTC、AIA、H₃BTC 的 FT-IR 光谱。

图3. (A) 不同浓度草甘膦中 Cu-AIA/BTC 的荧光曲线（荧光强度已标准化）。(B) 草甘膦浓度（0.1− 80 μM）与 F/F₀ 之间的线性关系。插图显示在紫外光照射下，随着草甘膦浓度的增加，Cu-AIA/BTC 的荧光变化情况。(C) Cu-AIA/BTC 对不同干扰阳离子和阴离子的荧光响应。插图：紫外照射下不同阳离子和阴离子的 Cu-AIA/BTC 图像。(D) Cu-AIA/BTC 对不同农药的荧光响应。插图：紫外照射下不同农药的 Cu-AIA/BTC 图像。

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.136519