鄭英蝶, 劉 剴, 齊何山, 劉維屏

(1. 浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058；2. 西湖大學(xué) 工學(xué)院，杭州 310024)

隨著人們對水質(zhì)問題的日益關(guān)注以及水體中殘留農(nóng)藥中毒事件的頻發(fā)，對水體中殘留農(nóng)藥的檢測方法提出了迫切的需求。目前，常用的檢測技術(shù)如色譜法[1-2]、超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[3]等雖然具有較高的檢測靈敏度，但前處理過程較為復(fù)雜，測試儀器及人力成本較高，且不易實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。因此，建立一種方便、快捷的農(nóng)藥檢測技術(shù)一直是人們探索的目標。

近年來，鑭系金屬有機框架材料 (Ln-MOFs)因其新穎的多孔結(jié)構(gòu)和獨特的發(fā)光性能[4]而被應(yīng)用于檢測溫度[5]、金屬陽離子[6]、陰離子[7]、pH 值[8]、有機小分子[9]以及有毒氣體[10]等，但對水體中殘留農(nóng)藥的檢測較為缺乏。Xu 等[11]研制了一種可穿戴式無創(chuàng)檢測手套傳感器，實現(xiàn)了不同農(nóng)產(chǎn)品表面有機磷農(nóng)藥的快速定性和半定量檢測，但是該研究所用材料為單發(fā)射Eu-MOFs。單發(fā)射鑭系金屬有機框架材料的發(fā)光強度和熒光壽命易受檢測環(huán)境的影響，靈敏度和選擇性有限[12-13]。因此，開發(fā)新型具有自校準功能的雙/多發(fā)射熒光傳感器，實現(xiàn)農(nóng)藥的高靈敏度檢測是非常必要的。

與傳統(tǒng)單發(fā)射傳感器“ turn-on ”或“ turn-off ”檢測模式相比，雙/多發(fā)射熒光傳感器檢測具有更高靈敏度和準確性。目前，雙發(fā)射熒光傳感器主要以有特征發(fā)射峰的有機配體結(jié)合鑭系元素或鑭系金屬元素共摻雜來實現(xiàn)。Su 等[13]以六 (4-羧基苯氧基) 環(huán)三磷腈 (hexa-(4-carboxyl-phenoxy)-cyclotriphosphazene，CTP-COOH) 為配體，制備了雙發(fā)射EuxTb1-x-CTP-COOH 材料，利用熒光強度比值I547/I491與I616/I592實現(xiàn)了特異性檢測相同濃度下的不同金屬離子和揮發(fā)性有機物。Ye 等[14]以具有特征發(fā)射峰的4,4′-聯(lián)苯二甲酸為配體，構(gòu)建了具有良好水穩(wěn)定性的雙發(fā)射傳感器。汪海英等[15]以均苯三甲酸為有機配體，采用鋱離子 (Tb3+)和銪離子 (Eu3+) 共摻雜制備得到雙發(fā)光材料，利用熒光強度比值I(Tb3+)/I(Eu3+)實現(xiàn)了水體中酰胺類農(nóng)藥的可視化檢測。為了進一步提高檢測的準確性，研究者制備了三發(fā)射熒光傳感器。Gao 等[16]以1,3,5-三 (4-羧基苯氧基) 苯 (1,3,5-tris(1-(2-carboxyphenyl)-1H-pyrazol-3-yl) benzene, H3TCPB)為有機配體，用Eu3+和Tb3+共摻雜制備得到了一種三發(fā)射的有機框架材料Eu0.67Tb0.33-TCPB，利用I386/I545與I386/I616二維圖譜檢測方案可檢測硝基芳香化合物和CrO42?/Cr2O72?。此外，利用I386/I545、I386/I616與 CrO42?/Cr2O72?濃度的獨特組合可實現(xiàn)三維比率傳感。采用二維圖譜結(jié)合三維比率傳感使檢測結(jié)果具有更高的可靠性和準確性，但Tb3+和Eu3+共摻雜存在 Eu、Tb 元素分布不均勻，導(dǎo)致檢測結(jié)果重復(fù)性低，以及由于體系內(nèi)Tb3+→ Eu3+的能量轉(zhuǎn)移，使得Eu3+特征峰的熒光強度遠高于Tb3+，導(dǎo)致檢測時Tb3+特征峰的靈敏度不高等[17-18]。

鑒于此，本研究提出以4,4′-聯(lián)苯二甲酸為有機配體，通過優(yōu)化微波合成條件，合成兩種雙發(fā)射鑭系金屬有機框架材料Tb-MOF 和Eu-MOF2(合成示意圖見圖1) ，利用熒光強度比值I545/I616實現(xiàn)兩種材料聯(lián)用，并通過測定熒光強度比值I545/I616和I545/I340實現(xiàn)對6 種不同類型農(nóng)藥的定性和半定量檢測。

圖1 Ln-MOFs 合成示意圖Fig. 1 Synthetic schematic diagram of Ln-MOFs

1 材料與方法

1.1 主要試劑、藥劑與儀器

硝酸鋱 (III) 六水合物 (Tb(NO3)3? 6H2O，99%) 、硝酸銪 (III) 六水合物 (Eu(NO3)3? 6H2O、99.9%) 、4,4′-聯(lián)苯二甲酸 (4,4′-biphenyldicarboxylic acid，H2BPDC，97%) 、N,N-二甲基甲酰胺 (DMF，分析純，99.5%) 和無水甲醇 (色譜級，99%)， 均購自阿拉丁試劑 (上海) 有限公司；實驗用水均為Milli-Q 超純水。酰胺類除草劑97.0%敵草胺原藥和氯苯甲酸類除草劑95%毒莠定原藥 (武漢遠成科技發(fā)展有限公司) ；咪唑啉酮類除草劑99.5%咪草煙標準品、三唑類殺菌劑99.3% 戊唑醇標準品、含氟三唑醇殺菌劑99.5%氟替莫非標準品和酰胺類殺菌劑99.5% 苯霜靈標準品，德國Dr.Ehrenstorfer 公司。供試6 種農(nóng)藥信息見表1。

表1 農(nóng)藥基本信息Table 1 Basic information of pesticides

CEM Discover 微波合成儀 (美國CEM) ；V-750 紫外/可見光分光光度計 (日本JASCO 公司) ；FP-8500 熒光光譜儀 (日本JASCO 公司) ；VO200真空干燥箱 (德國Memmert) ；D8 Advance 多晶X 射線衍射儀 (德國Bruker) ； Gemini300 場發(fā)射掃描電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope，SEM，英國Zeiss) ；能譜儀 (Energy Dispersive Spectrometer，EDS) ；X 射線能譜儀 (德國Bruker) 。

1.2 Ln-MOFs 雙發(fā)射熒光傳感器的制備

1.2.1 Tb-MOF 的制備 將硝酸鋱六水合物(0.3 mmol, 135.9 mg) 、4,4′-聯(lián)苯二甲酸 (0.75 mmol,181.7 mg) 和混合溶劑 (18 mL,VDMF/V水= 4:1) 置于35 mL 微波管中攪拌均勻，利用微波合成儀在微波功率150 W 及溫度為140 ℃ 條件下加熱反應(yīng)30 min。待溫度冷卻至50 ℃后立即取出，轉(zhuǎn)移至15 mL 離心管中，9500 r/min 下離心去除溶劑。在離心得到的產(chǎn)物中加入一定體積的DMF，轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中，于120 ℃下反應(yīng)1 h；將反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至50 mL 離心管中離心去除有機溶劑，用DMF 洗滌水熱反應(yīng)釜3 次，再用甲醇洗滌水熱反應(yīng)釜3 次。抽濾，置于80 ℃恒溫干燥箱中干燥4 h，最終得到鋱基金屬有機框架材料Tb-MOF 白色粉末。

1.2.2 Eu-MOF1～3 的制備 將硝酸銪六水合物(0.5 mmol, 223.1 mg) 、4,4′-聯(lián)苯二甲酸 (0.78 mmol,188.9 mg) 和混合溶劑 (14.4 mL,VDMF/V水= 5 : 1)置于35 mL 微波管中攪拌至均勻，利用微波合成儀在微波功率150 W、溫度分別為80、100 和120 ℃條件下反應(yīng)30 min，待溫度冷卻至50 ℃后立即取出，并轉(zhuǎn)移至15 mL 離心管中，以9500 r/min 離心去除溶劑。提純方式同1.2.1 節(jié)。最終得到銪基金屬有機框架材料Eu-MOF 1 ～ 3。

1.3 材料結(jié)構(gòu)及熒光特性表征

采用掃描電子顯微鏡 (SEM) 以及能譜儀(EDS) 對Ln-MOFs 的表面形貌以及微區(qū)成分進行表征；利用多晶X 射線衍射儀 (XRD) 采用壓片法獲得材料的X 射線衍射圖譜，以Cu Kα 為射線源[λ= 1.5406 ? (0.15406 nm)]，掃描范圍為5° ～45°；水中Tb-MOF 的熒光測試條件：激發(fā)波長λex為278 nm，激發(fā)和發(fā)射狹縫均為2.5 nm；水中Eu-MOF2 的熒光測試條件：激發(fā)波長λex為283 nm，激發(fā)狹縫5 nm，發(fā)射狹縫2.5 nm。掃描范圍均為300 ～ 750 nm。

1.4 熒光檢測

20 mg/L 農(nóng)藥溶液的配制：分別稱取20 mg 待測農(nóng)藥，用超純水溶解并定容至1000 mL。用錫箔紙包裹以防光降解。檢測時稀釋至所需溶液濃度，現(xiàn)配現(xiàn)用。

0.05 mg/mL 檢測材料分散液的配制：在兩個裝有100 mL 超純水的藍蓋玻璃試劑瓶中，分別加入5 mg Tb-MOF 和Eu-MOF2 粉末，超聲15 min后得到分別含有Tb-MOF 和Eu-MOF2 的分散液。

1.4.1 定性檢測 將玻璃試劑瓶渦旋后取1.8 mL Tb-MOF 材料分散液，分別加入0.2 mL、8 mg/L的敵草胺、毒莠定、咪草煙、戊唑醇、氟替莫非和苯霜靈溶液，充分攪拌3 h 后測定各溶液的熒光強度。同法檢測Eu-MOF2 分散液的熒光強度。

農(nóng)藥的紫外-可見吸收光譜分析：用超純水進行空白基線掃描后，分別在石英皿中加入一定濃度的待測農(nóng)藥藥液，測定紫外-可見吸收光譜，測定范圍200 ～ 400 nm。

1.4.2 定量檢測 因各農(nóng)藥在水中溶解度不同，故在定量檢測中將農(nóng)藥藥液的質(zhì)量濃度梯度設(shè)置如下：敵草胺0.1、0.5、1、2、4、6、8、10 mg/L；毒莠定0.5、1、2、4、8、10、20、50 mg/L；咪草煙0.1、0.5、1、2、4、8、10、20 mg/L；戊唑醇0.5、1、2、5、8、10、15、20 mg/L；氟替莫非0.5、1、2、5、8、10、15、20 mg/L；苯霜靈0.1、0.5、1、2、4、8、10、20 mg/L。按1.4.1 節(jié)方法測定各藥液的熒光強度。取1.8 mL 檢測材料分散液，分別加入0.2 mL 上述質(zhì)量濃度的農(nóng)藥藥液，充分攪拌3 h 后測定各溶液的熒光強度。

1.5 實際樣品檢測

自來水采自浙江大學(xué)紫金港校區(qū) (杭州) ，經(jīng)定性濾紙過濾后，用0.45 μm 濾膜進一步去除不可溶物質(zhì)，于4 ℃冰箱中保存。以該自來水為溶劑配制檢測材料分散液，現(xiàn)配現(xiàn)用，配制方式同1.4 節(jié)。由于自來水中農(nóng)藥含量較低，故采用標準加入法進行測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Mercury 標注模擬XRD 圖譜中晶面。所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel (2016) 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并采用Origin 2019b 作圖以及誤差分析。分別按公式 (1) 和 (2) 計算檢出限LOD[lg(I545/I340)/lg(I545/I616)] (S/N=3，n=11) 與定量限LOQ[lg(I545/I340)/lg(I545/I616)] (S/N=10，n=11) 。

其中，SD 表示空白樣品標準偏差，k為擬合線性斜率。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料結(jié)構(gòu)表征與分析

XRD 譜圖 (圖2 (A) ) 顯示：對比單晶模擬衍射圖譜 (CCDC 晶體數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)) ，本研究所合成的Tb-MOF 的主要衍射峰與模擬衍射峰基本一致，表明產(chǎn)物的純度較好。Tb-MOF 衍射峰強度與模擬圖譜不同，推測為合成條件不同導(dǎo)致晶面生長不同[19]。不同溫度下合成的Eu-MOF1～3的XRD 圖譜顯示：100 ℃下合成的Eu-MOF2 在8°左右的晶面不存在，且12.5°附近的晶面發(fā)生位移；80 ℃下合成的Eu-MOF1 未形成MOFs 框架結(jié)構(gòu)；而120 ℃下合成的Eu-MOF3，其圖譜與Eu-MOF1 和Eu-MOF2 圖譜存在明顯差異，表明合成溫度會影響Eu-MOF 晶體晶面的生長[20]。對比Eu-MOF2 和Eu-MOF3 的發(fā)射光譜圖，如圖2(B) 所示，當合成溫度為100 ℃時，特征峰616 nm處熒光更強，因此選定Eu-MOF2 進行后續(xù)試驗。

圖2 (A) Ln-MOFs 的XRD 譜圖； (B) Eu-MOF2 和Eu-MOF3 的發(fā)射光譜圖Fig. 2 (A) The XRD patterns of Ln-MOFs；(B) the emission spectra of Eu-MOF2 and Eu-MOF3

分別對Tb-MOF 和Eu-MOF2 材料進行掃描電子顯微鏡觀察和元素分析，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 (A) 可知，Tb-MOF 呈現(xiàn)片層狀，寬度約為20 ～ 30 μm。觀察圖3 (B) 可以發(fā)現(xiàn)，在相應(yīng)的Tb-MOF 材料中，除了能夠觀察到C、O 元素的信號峰外，還可以觀測到所引入的對應(yīng)Tb3+元素信號峰，證明Tb3+通過與羧基反應(yīng)成功地被引入到MOFs 體系內(nèi)。其中，材料歸一化后各元素的質(zhì)量分數(shù)分別為：C 51.30%、O 19.62%和Tb 29.08%。圖3 (C) 和 (D) 分別為Eu-MOF2 的掃描電鏡圖及元素分析圖，可以看出Eu-MOF2 呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)獨特的納米花狀，尺寸約為30 μm。對其進行能譜分析，可以觀察到納米花狀結(jié)構(gòu)中材料元素分布均勻，Eu3+元素信號峰的存在證明Eu 3+通過與羧基的反應(yīng)成功地被引入到MOFs 體系內(nèi)。其中，材料歸一化后各元素的質(zhì)量分數(shù)分別為：C 47.53%、O 18.64%和Eu 33.83%。

圖3 Tb-MOF 的 SEM(A) EDS (B) 分析圖以及Eu-MOF2 的SEM (C) 和EDS (D) 分析圖Fig. 3 The SEM (A), EDS (B) patterns for Tb-MOF and the SEM (C), EDS (D) patterns for Eu-MOF2

2.2 材料光致發(fā)光性能

圖4 (A) 和 (B) 中黑色虛線所示分別為Tb-MOF 和Eu-MOF2 在其特征發(fā)射波長下 (λem(Eu3+) =616 nm；λem(Tb3+) = 545 nm) 的激發(fā)光譜。Tb-MOF和Eu-MOF2 的激發(fā)光譜與4,4′-聯(lián)苯二甲酸的激發(fā)光譜 (圖4 (C) 黑色虛線所示) 相似，表明Ln-MOFs中Ln3+的特征發(fā)光是來自于配體的“天線”作用，即有機配體4,4′-聯(lián)苯二甲酸與Ln3+之間存在共振能量轉(zhuǎn)移，進而敏化Ln3+發(fā)出特征光[21]。當激發(fā)波長λex=278 nm 時，Tb-MOF 的特征發(fā)射峰分別為340、490、545 (即5D4→7F5躍遷) 、587 和620 nm；當λex=283 nm 時，Eu-MOF2 的特征發(fā)射峰分別出現(xiàn)在592、616 (即5D0→7F2躍遷) 、653和700 nm。本研究利用Tb-MOF 340 nm 和545 nm處的特征峰熒光強度、Eu-MOF2 616 nm 處的特征峰熒光強度進行研究。圖4 (A) 和 (B) 中的內(nèi)插圖顯示，本研究最終制備得到發(fā)射綠色熒光的Tb-MOF 和紅色熒光的Eu-MOF2。

圖4 Tb-MOF (A) 、Eu-MOF2 (B) 和4,4’-聯(lián)苯二甲酸 (C)的固態(tài)激發(fā)和發(fā)射光譜Fig. 4 The emission and excitation spectra of Tb-MOF (A), Eu-MOF2 (B) and 4,4’-biphenyldicarboxylic acid(C) in solid state

2.3 農(nóng)藥熒光檢測結(jié)果

2.3.1 定性分析 選用Tb-MOF 材料在340 nm與545 nm 處的特征峰熒光強度 (I340與I545) 和Eu-MOF2 材料在616 nm 處的特征峰熒光強度 (I616)進行分析。當材料Tb-MOF 和Eu-MOF2 分別與6 種不同農(nóng)藥混合后，材料中有機配體和鑭系元素的特征峰熒光強度發(fā)生改變。熒光強度比值I545/I340的變化說明農(nóng)藥因結(jié)構(gòu)或官能團的不同，致使Ln-MOFs 與農(nóng)藥之間存在不同的氫鍵結(jié)合及靜電作用等，從而影響有機配體與Ln3+之間的能量傳遞[22]。以熒光強度比值I545/I616為x軸，I545/I340為y軸，構(gòu)建針對不同農(nóng)藥的二維解碼圖，結(jié)果如圖5 所示，每一種農(nóng)藥在這張解碼圖中會產(chǎn)生唯一的二維坐標 (I545/I616和I545/I340) 。由圖5 可知，紅色氟替莫非與黃色戊唑醇的位置較近。從結(jié)構(gòu)上分析，氟替莫非和戊唑醇均屬于三唑類，含有羥基和1,2,4-三唑基團，結(jié)構(gòu)相似度高。研究表明，能量傳遞過程中Ln3+的發(fā)光強度會因為振動物質(zhì) (如O－H、N－H、C－H 等) 的高能振動而減小[23-24]，所以二者位置相近，但是由于二者包含的苯環(huán)數(shù)量以及鹵素不同，使得其二維坐標有差異。

本研究進一步測定了6 種農(nóng)藥溶液的紫外-可見吸收光譜，如圖6 所示。對比分析6 種農(nóng)藥的紫外-可見吸收光譜和Ln-MOFs 的激發(fā)光譜，可以看出敵草胺的紫外吸收帶 (即250 ～ 310 nm) 與Ln-MOFs 的激發(fā)光譜幾乎完全重疊，表明敵草胺能有效吸收激發(fā)能量。當被分析物與有機配體之間存在激發(fā)能量的競爭性吸收時，會降低Ln3+與有機配體之間的能量轉(zhuǎn)移效率[25-26]，使得Ln3+熒光強度衰減而有機配體熒光強度增強。圖5 中綠色點所代表的敵草胺，相較于其他5 種農(nóng)藥，其I545/I340最小，結(jié)合紫外可見吸收光譜說明敵草胺的比值變化比其他農(nóng)藥更為明顯。

圖5 質(zhì)量濃度為0.8 mg/L 的不同農(nóng)藥溶液熒光強度比值二維解碼圖Fig. 5 Decoded map for different pesticides in aqueous solution with concentration of 0.8 mg/L

圖6 不同農(nóng)藥的紫外吸收光譜(實線)和Ln-MOFs 的激發(fā)光譜(虛線)Fig. 6 The absorption spectrum of different pesticides (Solid line) and excitation spectrum of Ln-MOFs (Dash line)

2.3.2 定量分析 在一定線性范圍內(nèi)，各農(nóng)藥的擬合方程、線性范圍、檢出限 (S/N=3，n=11) 及定量限LOQ(S/N=10，n=11) 信息如表2 所示。結(jié)果表明，該熒光體系對6 種農(nóng)藥的檢測均具有良好的線性關(guān)系，決定系數(shù)R2均在0.97 以上。對于檢測的6 種農(nóng)藥，目前只有《美國飲用水水質(zhì)標準》規(guī)定飲用水中毒莠定的最高允許濃度為0.5 mg/L。本方法對毒莠定的檢測限為0.036/0.318 mg/L，低于標準中最高允許濃度，可以滿足測試需求。

表2 不同農(nóng)藥的線性范圍、檢出限及定量限Table 2 The linear range, LOD and LOQ of different pesticides

lg(I545/I616)、lg(I545/I340)與農(nóng)藥溶液濃度之間存在的依賴性變化，可以構(gòu)建三維比率熒光傳感。以lg(I545/I616)為x軸、lg(I545/I340)為y軸、農(nóng)藥濃度為z軸繪制三維比率熒光傳感圖，如圖7所示。結(jié)果顯示：6 種農(nóng)藥在其線性范圍內(nèi)的斜率和所處區(qū)域均有所區(qū)別，不同的斜率表明不同農(nóng)藥對熒光強度影響不同，可進一步區(qū)分不同農(nóng)藥。

圖7 不同農(nóng)藥的三維比率熒光傳感Fig. 7 The derived 3D ratiometric fluorescent sensing of different pesticides

2.3.3 自來水添加農(nóng)藥測定結(jié)果 為評估該體系的實際應(yīng)用性能，采用自來水樣品標準加入法對水中的農(nóng)藥進行測定，結(jié)果如表3 所示。結(jié)果表明，該熒光體系測定自來水中殘留農(nóng)藥的回收率在94.5% ～ 105%之間，相對標準偏差為1.4% ～7.7%，這說明Tb-MOF 和Eu-MOF2 熒光強度比值聯(lián)用得到檢測準確度，由此表明了兩種材料聯(lián)用檢測水中殘留農(nóng)藥的可行性。

表3 實際水樣中添加農(nóng)藥的回收率和相對標準偏差 (n=5)Table 3 Spike and recovery and relative standard deviation of pesticides in real water samples (n=5)

續(xù)表3Table 3 (Continued)

3 結(jié)論

研究表明，基于兩種雙發(fā)光鑭系金屬有機框架材料聯(lián)用可實現(xiàn)定性定量分析水體中殘留農(nóng)藥。農(nóng)藥通過與Ln-MOFs 發(fā)生相互作用以及競爭性激發(fā)能量吸收，調(diào)節(jié)Ln-MOFs 中有機配體與Ln3+之間的能量轉(zhuǎn)移效率，而敵草胺、毒莠定、咪草煙、戊唑醇、氟替莫非和苯霜靈6 種農(nóng)藥對有機配體到Tb3+和有機配體到Eu3+的能量轉(zhuǎn)移效率影響不同。熒光強度比值的對數(shù)值lg(I545/I340)、lg(I545/I616)隨著農(nóng)藥濃度的變化而變化，且在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。其中，該體系對敵草胺的檢測更為靈敏，檢出限lg(I545/I340)/lg(I545/I616)為0.003/0.021 mg/L。此外，Ln-MOFs 對在自來水中添加農(nóng)藥后測定其殘留農(nóng)藥也具有良好的添加回收率，回收率為94.5% ～ 105%，RSD 為1.7% ～ 7.7%。