吳舜華，孫羽乘，郭小峰，王 紅*

(武漢大學化學與分子科學學院，湖北武漢 430072)

pH值是工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)學診斷等領域的重要參數(shù)。例如，許多疾病如2型糖尿病[1]、中風[2]、癌癥[3]等都會引起生物體內(nèi)pH的輕微波動。因此，研發(fā)能夠快速、準確檢測pH值并監(jiān)測其變化的化學傳感器很有必要。與傳統(tǒng)的pH檢測方法如pH試紙法、NMR法和電化學方法相比[4-6]，熒光檢測法因其具有操作簡便、靈敏度高、響應迅速、可連續(xù)動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點[7-9]，近年來得到了研究人員的關注。但目前報道的pH熒光傳感器，尤其是pH-MOF傳感器存在著穩(wěn)定性差、pH響應范圍小、線性關系弱及不能重復使用等缺點，在實際應用中，可能需要多種檢測方法協(xié)同進行才能實現(xiàn)對目標樣品pH值的有效檢測。因此，開發(fā)具備更優(yōu)性能的pH熒光傳感器有很強的實際意義。

金屬有機骨架材料(MOFs)是由金屬離子與可調控的有機配體，如胺類、磺酸鹽、磷酸鹽類等配位而成的有機-無機雜化多孔材料[10]，因其具有孔隙率高、孔徑可調、比表面積大、吸附能力強的特性，MOFs作為理想的光化學材料被廣泛研究[11-15]。本工作中，我們選擇了一種穩(wěn)定的UiO型骨架UiO-67-bpydc(bpydc=2,2′-聯(lián)吡啶-5,5′-二羧酸)，采用合成后修飾法(PSM)將Tb3+包封到UiO-67-bpydc中，制備了新型pH傳感器Tb3+@UiO-67-bpydc，如圖1所示。該MOFs中聯(lián)吡啶配體的質子化-去質子化可以改變Ln3+的天線效應，因此pH的變化應當可以引起Tb3+@UiO-67-bpydc上Ln3+的熒光強度變化[16]。正如所預期的那樣，Tb3+@UiO-67-bpydc具有出色的化學穩(wěn)定性和可重復使用性，且在2～9的寬pH范圍內(nèi)其熒光強度與pH值存在良好的線性關系，能夠用于實際樣品的pH值檢測。

圖1 Tb3+ @UiO-67-bpydc的合成及其pH響應原理Fig.1 Synthesis of Tb3+ @UiO-67-bpydc and protonation/deprotonation of nitrogen involved in Tb3+ @UiO-67-bpydc framework in experimental acidic and alkaline media.The topology is shown in a simplified form as an octahedral cage

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

Rigaku Miniflex 600 X射線衍射儀(日本，Rigaku)；STA 449C熱分析儀(法國,SETARAM)；SIGMA FE-SEM顯微鏡(英國,Zeiss Merlin Compact)；RF-6000熒光分光光度計(日本,Shimadzu)；NOVA 4200e比表面和孔隙度分析儀(美國,Quantachrome)；X射線光電子能譜儀(美國,Thermo Fisher Scientific)；Delta-320 pH計(梅特勒-托利多(上海))。

2,2-聯(lián)吡啶-5,5′-二羧酸(H2bpydc，98%)購于Chemsoon試劑有限公司(中國上海)，ZrCl4(98%)購于阿拉丁試劑公司(中國上海)，六水合物Tb(NO3)3·6H2O(99.99%)購于安耐吉化學(中國上海)，苯甲酸、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲醇、丙酮、NaOH、HCl、HAc、NaAc·3H2O、檸檬酸一水合物、檸檬酸三鈉二水合物、H3BO3、B4Na2O7·10H2O、NaCl和葡萄糖等均為分析純，購于國藥化學試劑有限公司(中國上海)。實驗中所用的水為超純水(>18 MΩ·cm)。

1.2 Tb3+ @UiO-67-bpydc的制備

UiO-67-bpydc按照文獻報道的方法[17]合成。具體步驟為：將ZrCl4(49 mg，0.21 mmol)，H2bpydc(52 mg，0.21 mmol)和苯甲酸(1.5 g，12.3 mmol)分散在8 mL DMF中，轉移至25 mL耐高溫玻璃瓶，于120 ℃的條件下反應2 d。離心分離后，分別用DMF和甲醇洗滌數(shù)次，得到產(chǎn)物。最后，在真空干燥箱中65 ℃活化12 h，除去甲醇。

將UiO-67-bpydc(50 mg)，Tb(NO3)3·6H2O(226 mg，0.5 mmol)和10 mL甲醇混合均勻，轉移到高壓反應釜中，于60 ℃密封反應24 h。冷卻至室溫，經(jīng)高速離心分離后收集固體，并分別用甲醇和丙酮超聲洗滌數(shù)次，收集白色固體產(chǎn)物。最后，在65 ℃下真空活化，得到活化的Tb3+@UiO-67-bpydc材料。

1.3 穩(wěn)定性實驗

將Tb3+@UiO-67-bpydc(20 mg)樣品，分別浸泡在pH值為1.0～10.0的水溶液和pH值為6.0的0.1 mol/L HAc-NaAc緩沖溶液中1 h后，收集樣品并干燥，通過粉末X射線衍射(PXRD)檢測Tb3+@UiO-67-bpydc對酸堿的穩(wěn)定性。

1.4 pH響應實驗

將Tb3+@UiO-67-bpydc按0.5 mg/mL的濃度超聲分散在超純水中，調節(jié)pH值為1～10。室溫反應10 min后，測試反應液的熒光光譜。換用不同的緩沖體系，在上述相同的條件下測試Tb3+@UiO-67-bpydc懸浮液的熒光光譜。

1.5 實際樣品處理

按照Qi等[18]報道的人工模擬胃液(AGJ)的制備方法，利用1 mmol/L NaCl，2 mmol/L葡萄糖，0.1 mmol/L 胃蛋白酶和不同濃度的HCl配制一系列不同pH值的人工胃液。蘇打水(恒大集團)購自本地超市，未進一步純化直接用于pH檢測。

2 結果與討論

2.1 Tb3+ @UiO-67-bpydc的表征

通過掃描電鏡(SEM)對材料的形貌進行了考察，結果如圖2a和圖2b所示。由圖中可以清楚地看到，Tb3+@UiO-67-bpydc為規(guī)則的八面體結構，直徑約6～10 μm。在合成后修飾過程中，母體UiO-67-bpydc晶體的初始尺寸和形態(tài)幾乎沒有發(fā)生變化。圖2c和圖2d表明Tb3+@UiO-67-bpydc在pH為1和9的水溶液中浸泡前后，形貌幾乎不變，可見該材料在酸性和堿性環(huán)境中均具有良好的穩(wěn)定性，具有作為pH傳感器的潛力。

圖2 UiO-67-bpydc和Tb3+ @UiO-67-bpydc的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 SEM images of (a) UiO-67-bpydc,(b) Tb3+ @UiO-67-bpydc,(c) Tb3+ @UiO-67-bpydc soaked in pH=1 solution,(d) Tb3+ @UiO-67-bpydc soaked in pH=9 solution

利用粉末X射線衍射(PXRD)對材料的晶體構型進行表征，發(fā)現(xiàn)合成的Tb3+@ UiO-67-bpydc的PXRD譜圖(圖3)與UiO-67-bpydc模擬的標準圖譜很好地匹配，表明產(chǎn)品具有很高的相純度。且Tb3+經(jīng)UiO-67-bpydc包封后，Tb3+@UiO-67-bpydc的衍射峰位置沒有發(fā)生變化，表明Tb3+@UiO-67-bpydc保留了封裝前的晶體構型。同時，通過對比在pH為1～10的范圍內(nèi)的水溶液及HAc-NaAc緩沖體系中浸泡后，Tb3+@UiO-67-bpydc的XRD譜圖，可以發(fā)現(xiàn)該材料經(jīng)在pH為1～9范圍內(nèi)的溶液浸泡之后結構均未發(fā)生改變。

圖3 UiO-67-bpydc及不同pH溶液中浸泡前后Tb3+ @ UiO-67-bpydc的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of simulated UiO-67-bpydc,as-synthesized Tb3+ @ UiO-67-bpydc,Tb3+ @UiO-67-bpydc soaked in aqueous solutions with pH value of 1-10,and Tb3+ @UiO-67-bpydc soaked in HAc-NaAc buffer with pH value of 6

用N2等溫吸附對UiO-67-bpydc和Tb3+@UiO-67-bpydc進行了比表面積的表征。結果表明，UiO-67-bpydc的比表面積為672.457 m2/g，但包封Tb3+之后的Tb3+@-UiO-67-bpydc比表面積下降到493.827 m2/g，這可能是由于Tb3+包封到UiO-67-bpydc中導致。Tb3+@UiO-67-bpydc的熱力學穩(wěn)定性通過熱重分析(TGA)進行考察。結果顯示Tb3+@UiO-67-bpydc在溫度480 ℃才開始發(fā)生熱坍塌，550 ℃時框架完全坍塌，表明其具有良好的熱穩(wěn)定性。對UiO-67-bpydc和Tb3+@UiO-67-bpydc進行了X射線光電子能譜(XPS)表征。如圖4a所示，有Tb 3d的峰出現(xiàn)在Tb3+@UiO-67-bpydc的圖譜中，表明Tb3+成功地與UiO-67-bpydc結合；此外，在圖4b中，N 1s的結合能從UiO-67-bpydc中的398.77 eV降低到Tb3+@UiO-67-bpydc中的398.60 eV，表明Tb與N之間存在配位作用[19]，使N的化學位移發(fā)生遷移。以上結果證明Tb3+成功與部分游離的聯(lián)吡啶基配位。

圖4 (a)UiO-67-bpydc和Tb3+ @UiO-67-bpydc的XPS圖譜；(b)UiO-67-bpydc和Tb3+ @UiO-67-bpydc的N 1s XPS圖譜Fig.4 (a) The XPS spectra of UiO-67-bpydc(black) and Tb3+ @UiO-67-bpydc(red);(b) N 1s XPS spectra of UiO-67-bpydc(black) and Tb3+ @UiO-67-bpydc(red)

UiO-67-bpydc和Tb3+@UiO-67-bpydc的熒光光譜圖(圖5)顯示UiO-67-bpydc在365 nm激發(fā)下，出現(xiàn)了基于配體的530 nm寬發(fā)射峰(圖5(a))。摻入Tb3+后，在335 nm激發(fā)下，配體的發(fā)射峰消失，Tb3+的特征性窄帶發(fā)射出現(xiàn)(圖5(b))。Tb3+@UiO-67-bpydc在489 nm、545 nm、585 nm和621 nm處的發(fā)射峰分別源自于Tb3+在5D4→7FJ(J=6,5,4和3)的躍遷。其中，在335 nm激發(fā)下J=5的綠色發(fā)射作為主要特征發(fā)射，說明Tb3+被成功包封在UiO-67-bpydc框架內(nèi)，且實現(xiàn)了從配體到Tb3+的有效能量傳遞。

圖5 H2bpydc，UiO-67-bpydc和Tb3+ @UiO-67-bpydc的熒光光譜Fig.5 (a) Fluminescent spectra of H2bpydc(black) and UiO-67-bpydc(red) excited at 365 nm；(b) Excitation and emission spectra(blue and red lines) of Tb3+ @UiO-67-bpydc

同時，我們也測試了Tb3+@UiO-67-bpydc的光穩(wěn)定性，在90 W的燈泡連續(xù)照射18 h內(nèi)，Tb3+@-UiO-67-bpydc的熒光強度沒有顯著變化。這表明Tb3+@UiO-67-bpydc的光穩(wěn)定性好。

2.2 Tb3+ @UiO-67-bpydc對pH的熒光響應

基于Tb3+@UiO-67-bpydc優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，實驗進一步探索其pH傳感性能。在加入1 mmol/L H+后，Tb3+@UiO-67-bpydc的熒光強度在1 min內(nèi)迅速降低，隨后逐漸趨于平衡，表明室溫下反應在1 min內(nèi)基本完成。圖6顯示在水溶液中pH=2～9的范圍內(nèi)，Tb3+@UiO-67-bpydc的熒光強度和pH值之間具有良好的線性關系(R2=0.9939)。此外，在以HAc-NaAc、檸檬酸鹽和硼酸鹽為基質的緩沖體系中，驗證了熒光強度與pH值之間依然具有良好的線性關系(圖6(c))。這表明Tb3+@UiO-67-bpydc具有一定普適性，能夠在不同種類的緩沖體系中檢測pH值。

圖6 Tb3+ @UiO-67-bpydc對pH的響應及其在不同種類溶液中熒光強度對pH的線性關系Fig.6 pH dependent fluorescence spectra(a),linear variation results in HCl-NaOH solutions(b),and the linear variation in different buffer solutions measured under excitation of 335 nm (c)

實驗在pH=2～9的范圍內(nèi)進行了Tb3+@UiO-67-bpydc的熒光強度隨pH變化的4次循環(huán)測試。結果表明，在4個循環(huán)中，Tb3+@UiO-67-bpydc的熒光幾乎不發(fā)生猝滅。即當Tb3+@UiO-67-bpydc應用于水溶液中的pH檢測時，具有優(yōu)異的可重復使用性，可至少使用4次以上。

2.3 Tb3+ @UiO-67-bpydc的pH傳感機制

在Tb3+@UiO-67-bpydc中，Tb3+的發(fā)光強度取決于配體到Tb3+的能量轉移效率。有機配體聯(lián)吡啶基團的N原子在低pH環(huán)境中發(fā)生質子化，當pH升高時發(fā)生去質子化。當pH值變化時，配體的質子化和去質子化過程影響了從配體到Tb3+離子的能量轉移效率，從而改變了Tb3+@UiO-67-bpydc的熒光強度。

為了驗證這個猜想，我們進行了一系列理論計算。如圖7所示，密度泛函理論(DFT)計算結果表明有機配體H2bpydc發(fā)生質子化和去質子化時三重激發(fā)態(tài)(T1)能量分別為19 414.2 cm-1和23 147.1 cm-1。原則上，只有當配體的T1能量高于Tb3+的5D4級的能量(20 500 cm-1)時[20]，才能有效使Tb3+敏化發(fā)光。因此，當配體中N的質子化后，共軛體系被破壞，形成吸電子取代基[17]，T1能量降低且低于Tb3+的5D4能級的能量，配體到Tb3+的能量轉移效率降低，Tb3+熒光猝滅。

圖7 Tb3+ @UiO-67-bpydc的pH傳感機制Fig.7 Sensing mechanism of Tb3+ @UiO-67-bpydc to pH.Abbreviations:S0=ground state;T1=triplet excited state;Solid arrows represent radiative transitions and dotted arrows indicate nonradiative transitions

2.4 實際樣品分析

將Tb3+@UiO-67-bpydc與已報道的pH-MOF傳感器進行比較(表1)，可以看出大多數(shù)pH-MOF傳感器都有檢測范圍窄、線性關系差等缺點。而Tb3+@UiO-67-bpydc是目前已知pH響應范圍最寬的pH傳感器。為了驗證Tb3+@UiO-67-bpydc在寬范圍pH檢測實際樣品的可行性，我們用其檢測酸性樣品模擬人造胃液和堿性樣品蘇打水的pH值。如表2所示，利用Tb3+@UiO-67-bpydc測得的結果與pH計檢測結果一致，表明該方法在實際應用中依然有出色的準確度。

表1 Tb3+ @UiO-67-bpydc與現(xiàn)有pH響應MOF傳感器的對比Table 1 Comparison of stable conditions,reversibility,examination range and applicationin of pH sensors

表2 Tb3+ @UiO-67-bpydc檢測人造胃液和蘇打水pH的結果Table 2 Determination of the pH values using Tb3+ @UiO-67-bpydc in acidic and alkaline sample

3 結論

基于合成后修飾將Tb3+包封到UiO-67-bpydc中，合成Tb3+@UiO-67-bpydc作為pH熒光傳感器，檢測pH范圍可達2～9，是目前報道的pH-MOF傳感器中檢測pH范圍最寬的。同時，該傳感器還具有穩(wěn)定性高，線性關系好，抗干擾能力強和可重復使用等優(yōu)點。機理研究表明，利用聯(lián)吡啶質子化前后的前線軌道能量變化影響配體到稀土元素的天線效應是完全可行的，這為進一步開發(fā)性能更優(yōu)異的寬范圍pH檢測的pH-MOF傳感器提供了新思路。