两种双发光镧系金属有机框架材料联用检测水中农药残留

郑英蝶, 刘 剀, 齐何山, 刘维屏

(1. 浙江大学 环境与资源学院，杭州 310058；2. 西湖大学 工学院，杭州 310024)

随着人们对水质问题的日益关注以及水体中残留农药中毒事件的频发，对水体中残留农药的检测方法提出了迫切的需求。目前，常用的检测技术如色谱法[1-2]、超高效液相色谱-串联质谱法[3]等虽然具有较高的检测灵敏度，但前处理过程较为复杂，测试仪器及人力成本较高，且不易实现现场快速检测。因此，建立一种方便、快捷的农药检测技术一直是人们探索的目标。

近年来，镧系金属有机框架材料 (Ln-MOFs)因其新颖的多孔结构和独特的发光性能[4]而被应用于检测温度[5]、金属阳离子[6]、阴离子[7]、pH 值[8]、有机小分子[9]以及有毒气体[10]等，但对水体中残留农药的检测较为缺乏。Xu 等[11]研制了一种可穿戴式无创检测手套传感器，实现了不同农产品表面有机磷农药的快速定性和半定量检测，但是该研究所用材料为单发射Eu-MOFs。单发射镧系金属有机框架材料的发光强度和荧光寿命易受检测环境的影响，灵敏度和选择性有限[12-13]。因此，开发新型具有自校准功能的双/多发射荧光传感器，实现农药的高灵敏度检测是非常必要的。

与传统单发射传感器“ turn-on ”或“ turn-off ”检测模式相比，双/多发射荧光传感器检测具有更高灵敏度和准确性。目前，双发射荧光传感器主要以有特征发射峰的有机配体结合镧系元素或镧系金属元素共掺杂来实现。Su 等[13]以六 (4-羧基苯氧基) 环三磷腈 (hexa-(4-carboxyl-phenoxy)-cyclotriphosphazene，CTP-COOH) 为配体，制备了双发射EuxTb1-x-CTP-COOH 材料，利用荧光强度比值I547/I491与I616/I592实现了特异性检测相同浓度下的不同金属离子和挥发性有机物。Ye 等[14]以具有特征发射峰的4,4′-联苯二甲酸为配体，构建了具有良好水稳定性的双发射传感器。汪海英等[15]以均苯三甲酸为有机配体，采用铽离子 (Tb3+)和铕离子 (Eu3+) 共掺杂制备得到双发光材料，利用荧光强度比值I(Tb3+)/I(Eu3+)实现了水体中酰胺类农药的可视化检测。为了进一步提高检测的准确性，研究者制备了三发射荧光传感器。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)为有机配体，用Eu3+和Tb3+共掺杂制备得到了一种三发射的有机框架材料Eu0.67Tb0.33-TCPB，利用I386/I545与I386/I616二维图谱检测方案可检测硝基芳香化合物和CrO42−/Cr2O72−。此外，利用I386/I545、I386/I616与 CrO42−/Cr2O72−浓度的独特组合可实现三维比率传感。采用二维图谱结合三维比率传感使检测结果具有更高的可靠性和准确性，但Tb3+和Eu3+共掺杂存在 Eu、Tb 元素分布不均匀，导致检测结果重复性低，以及由于体系内Tb3+→ Eu3+的能量转移，使得Eu3+特征峰的荧光强度远高于Tb3+，导致检测时Tb3+特征峰的灵敏度不高等[17-18]。

鉴于此，本研究提出以4,4′-联苯二甲酸为有机配体，通过优化微波合成条件，合成两种双发射镧系金属有机框架材料Tb-MOF 和Eu-MOF2(合成示意图见图1) ，利用荧光强度比值I545/I616实现两种材料联用，并通过测定荧光强度比值I545/I616和I545/I340实现对6 种不同类型农药的定性和半定量检测。

图1 Ln-MOFs 合成示意图Fig. 1 Synthetic schematic diagram of Ln-MOFs

1 材料与方法

1.1 主要试剂、药剂与仪器

硝酸铽 (III) 六水合物 (Tb(NO3)3• 6H2O，99%) 、硝酸铕 (III) 六水合物 (Eu(NO3)3• 6H2O、99.9%) 、4,4′-联苯二甲酸 (4,4′-biphenyldicarboxylic acid，H2BPDC，97%) 、N,N-二甲基甲酰胺 (DMF，分析纯，99.5%) 和无水甲醇 (色谱级，99%)， 均购自阿拉丁试剂 (上海) 有限公司；实验用水均为Milli-Q 超纯水。酰胺类除草剂97.0%敌草胺原药和氯苯甲酸类除草剂95%毒莠定原药 (武汉远成科技发展有限公司) ；咪唑啉酮类除草剂99.5%咪草烟标准品、三唑类杀菌剂99.3% 戊唑醇标准品、含氟三唑醇杀菌剂99.5%氟替莫非标准品和酰胺类杀菌剂99.5% 苯霜灵标准品，德国Dr.Ehrenstorfer 公司。供试6 种农药信息见表1。

表1 农药基本信息Table 1 Basic information of pesticides

CEM Discover 微波合成仪 (美国CEM) ；V-750 紫外/可见光分光光度计 (日本JASCO 公司) ；FP-8500 荧光光谱仪 (日本JASCO 公司) ；VO200真空干燥箱 (德国Memmert) ；D8 Advance 多晶X 射线衍射仪 (德国Bruker) ； Gemini300 场发射扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope，SEM，英国Zeiss) ；能谱仪 (Energy Dispersive Spectrometer，EDS) ；X 射线能谱仪 (德国Bruker) 。

1.2 Ln-MOFs 双发射荧光传感器的制备

1.2.1 Tb-MOF 的制备 将硝酸铽六水合物(0.3 mmol, 135.9 mg) 、4,4′-联苯二甲酸 (0.75 mmol,181.7 mg) 和混合溶剂 (18 mL,VDMF/V水= 4:1) 置于35 mL 微波管中搅拌均匀，利用微波合成仪在微波功率150 W 及温度为140 ℃ 条件下加热反应30 min。待温度冷却至50 ℃后立即取出，转移至15 mL 离心管中，9500 r/min 下离心去除溶剂。在离心得到的产物中加入一定体积的DMF，转移至水热反应釜中，于120 ℃下反应1 h；将反应产物转移至50 mL 离心管中离心去除有机溶剂，用DMF 洗涤水热反应釜3 次，再用甲醇洗涤水热反应釜3 次。抽滤，置于80 ℃恒温干燥箱中干燥4 h，最终得到铽基金属有机框架材料Tb-MOF 白色粉末。

1.2.2 Eu-MOF1～3 的制备 将硝酸铕六水合物(0.5 mmol, 223.1 mg) 、4,4′-联苯二甲酸 (0.78 mmol,188.9 mg) 和混合溶剂 (14.4 mL,VDMF/V水= 5 : 1)置于35 mL 微波管中搅拌至均匀，利用微波合成仪在微波功率150 W、温度分别为80、100 和120 ℃条件下反应30 min，待温度冷却至50 ℃后立即取出，并转移至15 mL 离心管中，以9500 r/min 离心去除溶剂。提纯方式同1.2.1 节。最终得到铕基金属有机框架材料Eu-MOF 1 ～ 3。

1.3 材料结构及荧光特性表征

采用扫描电子显微镜 (SEM) 以及能谱仪(EDS) 对Ln-MOFs 的表面形貌以及微区成分进行表征；利用多晶X 射线衍射仪 (XRD) 采用压片法获得材料的X 射线衍射图谱，以Cu Kα 为射线源[λ= 1.5406 Å (0.15406 nm)]，扫描范围为5° ～45°；水中Tb-MOF 的荧光测试条件：激发波长λex为278 nm，激发和发射狭缝均为2.5 nm；水中Eu-MOF2 的荧光测试条件：激发波长λex为283 nm，激发狭缝5 nm，发射狭缝2.5 nm。扫描范围均为300 ～ 750 nm。

1.4 荧光检测

20 mg/L 农药溶液的配制：分别称取20 mg 待测农药，用超纯水溶解并定容至1000 mL。用锡箔纸包裹以防光降解。检测时稀释至所需溶液浓度，现配现用。

0.05 mg/mL 检测材料分散液的配制：在两个装有100 mL 超纯水的蓝盖玻璃试剂瓶中，分别加入5 mg Tb-MOF 和Eu-MOF2 粉末，超声15 min后得到分别含有Tb-MOF 和Eu-MOF2 的分散液。

1.4.1 定性检测 将玻璃试剂瓶涡旋后取1.8 mL Tb-MOF 材料分散液，分别加入0.2 mL、8 mg/L的敌草胺、毒莠定、咪草烟、戊唑醇、氟替莫非和苯霜灵溶液，充分搅拌3 h 后测定各溶液的荧光强度。同法检测Eu-MOF2 分散液的荧光强度。

农药的紫外-可见吸收光谱分析：用超纯水进行空白基线扫描后，分别在石英皿中加入一定浓度的待测农药药液，测定紫外-可见吸收光谱，测定范围200 ～ 400 nm。

1.4.2 定量检测 因各农药在水中溶解度不同，故在定量检测中将农药药液的质量浓度梯度设置如下：敌草胺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；咪草烟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；苯霜灵0.1、0.5、1、2、4、8、10、20 mg/L。按1.4.1 节方法测定各药液的荧光强度。取1.8 mL 检测材料分散液，分别加入0.2 mL 上述质量浓度的农药药液，充分搅拌3 h 后测定各溶液的荧光强度。

1.5 实际样品检测

自来水采自浙江大学紫金港校区 (杭州) ，经定性滤纸过滤后，用0.45 μm 滤膜进一步去除不可溶物质，于4 ℃冰箱中保存。以该自来水为溶剂配制检测材料分散液，现配现用，配制方式同1.4 节。由于自来水中农药含量较低，故采用标准加入法进行测定。

1.6 数据处理

利用Mercury 标注模拟XRD 图谱中晶面。所得数据采用Microsoft Office Excel (2016) 进行数据统计，并采用Origin 2019b 作图以及误差分析。分别按公式 (1) 和 (2) 计算检出限LOD[lg(I545/I340)/lg(I545/I616)] (S/N=3，n=11) 与定量限LOQ[lg(I545/I340)/lg(I545/I616)] (S/N=10，n=11) 。

其中，SD 表示空白样品标准偏差，k为拟合线性斜率。

2 结果与分析

2.1 材料结构表征与分析

XRD 谱图 (图2 (A) ) 显示：对比单晶模拟衍射图谱 (CCDC 晶体数据库中的数据) ，本研究所合成的Tb-MOF 的主要衍射峰与模拟衍射峰基本一致，表明产物的纯度较好。Tb-MOF 衍射峰强度与模拟图谱不同，推测为合成条件不同导致晶面生长不同[19]。不同温度下合成的Eu-MOF1～3的XRD 图谱显示：100 ℃下合成的Eu-MOF2 在8°左右的晶面不存在，且12.5°附近的晶面发生位移；80 ℃下合成的Eu-MOF1 未形成MOFs 框架结构；而120 ℃下合成的Eu-MOF3，其图谱与Eu-MOF1 和Eu-MOF2 图谱存在明显差异，表明合成温度会影响Eu-MOF 晶体晶面的生长[20]。对比Eu-MOF2 和Eu-MOF3 的发射光谱图，如图2(B) 所示，当合成温度为100 ℃时，特征峰616 nm处荧光更强，因此选定Eu-MOF2 进行后续试验。

图2 (A) Ln-MOFs 的XRD 谱图； (B) Eu-MOF2 和Eu-MOF3 的发射光谱图Fig. 2 (A) The XRD patterns of Ln-MOFs；(B) the emission spectra of Eu-MOF2 and Eu-MOF3

分别对Tb-MOF 和Eu-MOF2 材料进行扫描电子显微镜观察和元素分析，结果如图3 所示。由图3 (A) 可知，Tb-MOF 呈现片层状，宽度约为20 ～ 30 μm。观察图3 (B) 可以发现，在相应的Tb-MOF 材料中，除了能够观察到C、O 元素的信号峰外，还可以观测到所引入的对应Tb3+元素信号峰，证明Tb3+通过与羧基反应成功地被引入到MOFs 体系内。其中，材料归一化后各元素的质量分数分别为：C 51.30%、O 19.62%和Tb 29.08%。图3 (C) 和 (D) 分别为Eu-MOF2 的扫描电镜图及元素分析图，可以看出Eu-MOF2 呈现结构独特的纳米花状，尺寸约为30 μm。对其进行能谱分析，可以观察到纳米花状结构中材料元素分布均匀，Eu3+元素信号峰的存在证明Eu 3+通过与羧基的反应成功地被引入到MOFs 体系内。其中，材料归一化后各元素的质量分数分别为：C 47.53%、O 18.64%和Eu 33.83%。

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

2.2 材料光致发光性能

图4 (A) 和 (B) 中黑色虚线所示分别为Tb-MOF 和Eu-MOF2 在其特征发射波长下 (λem(Eu3+) =616 nm；λem(Tb3+) = 545 nm) 的激发光谱。Tb-MOF和Eu-MOF2 的激发光谱与4,4′-联苯二甲酸的激发光谱 (图4 (C) 黑色虚线所示) 相似，表明Ln-MOFs中Ln3+的特征发光是来自于配体的“天线”作用，即有机配体4,4′-联苯二甲酸与Ln3+之间存在共振能量转移，进而敏化Ln3+发出特征光[21]。当激发波长λex=278 nm 时，Tb-MOF 的特征发射峰分别为340、490、545 (即5D4→7F5跃迁) 、587 和620 nm；当λex=283 nm 时，Eu-MOF2 的特征发射峰分别出现在592、616 (即5D0→7F2跃迁) 、653和700 nm。本研究利用Tb-MOF 340 nm 和545 nm处的特征峰荧光强度、Eu-MOF2 616 nm 处的特征峰荧光强度进行研究。图4 (A) 和 (B) 中的内插图显示，本研究最终制备得到发射绿色荧光的Tb-MOF 和红色荧光的Eu-MOF2。

图4 Tb-MOF (A) 、Eu-MOF2 (B) 和4,4’-联苯二甲酸 (C)的固态激发和发射光谱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 农药荧光检测结果

2.3.1 定性分析 选用Tb-MOF 材料在340 nm与545 nm 处的特征峰荧光强度 (I340与I545) 和Eu-MOF2 材料在616 nm 处的特征峰荧光强度 (I616)进行分析。当材料Tb-MOF 和Eu-MOF2 分别与6 种不同农药混合后，材料中有机配体和镧系元素的特征峰荧光强度发生改变。荧光强度比值I545/I340的变化说明农药因结构或官能团的不同，致使Ln-MOFs 与农药之间存在不同的氢键结合及静电作用等，从而影响有机配体与Ln3+之间的能量传递[22]。以荧光强度比值I545/I616为x轴，I545/I340为y轴，构建针对不同农药的二维解码图，结果如图5 所示，每一种农药在这张解码图中会产生唯一的二维坐标 (I545/I616和I545/I340) 。由图5 可知，红色氟替莫非与黄色戊唑醇的位置较近。从结构上分析，氟替莫非和戊唑醇均属于三唑类，含有羟基和1,2,4-三唑基团，结构相似度高。研究表明，能量传递过程中Ln3+的发光强度会因为振动物质 (如O－H、N－H、C－H 等) 的高能振动而减小[23-24]，所以二者位置相近，但是由于二者包含的苯环数量以及卤素不同，使得其二维坐标有差异。

本研究进一步测定了6 种农药溶液的紫外-可见吸收光谱，如图6 所示。对比分析6 种农药的紫外-可见吸收光谱和Ln-MOFs 的激发光谱，可以看出敌草胺的紫外吸收带 (即250 ～ 310 nm) 与Ln-MOFs 的激发光谱几乎完全重叠，表明敌草胺能有效吸收激发能量。当被分析物与有机配体之间存在激发能量的竞争性吸收时，会降低Ln3+与有机配体之间的能量转移效率[25-26]，使得Ln3+荧光强度衰减而有机配体荧光强度增强。图5 中绿色点所代表的敌草胺，相较于其他5 种农药，其I545/I340最小，结合紫外可见吸收光谱说明敌草胺的比值变化比其他农药更为明显。

图5 质量浓度为0.8 mg/L 的不同农药溶液荧光强度比值二维解码图Fig. 5 Decoded map for different pesticides in aqueous solution with concentration of 0.8 mg/L

图6 不同农药的紫外吸收光谱(实线)和Ln-MOFs 的激发光谱(虚线)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 在一定线性范围内，各农药的拟合方程、线性范围、检出限 (S/N=3，n=11) 及定量限LOQ(S/N=10，n=11) 信息如表2 所示。结果表明，该荧光体系对6 种农药的检测均具有良好的线性关系，决定系数R2均在0.97 以上。对于检测的6 种农药，目前只有《美国饮用水水质标准》规定饮用水中毒莠定的最高允许浓度为0.5 mg/L。本方法对毒莠定的检测限为0.036/0.318 mg/L，低于标准中最高允许浓度，可以满足测试需求。

表2 不同农药的线性范围、检出限及定量限Table 2 The linear range, LOD and LOQ of different pesticides

lg(I545/I616)、lg(I545/I340)与农药溶液浓度之间存在的依赖性变化，可以构建三维比率荧光传感。以lg(I545/I616)为x轴、lg(I545/I340)为y轴、农药浓度为z轴绘制三维比率荧光传感图，如图7所示。结果显示：6 种农药在其线性范围内的斜率和所处区域均有所区别，不同的斜率表明不同农药对荧光强度影响不同，可进一步区分不同农药。

图7 不同农药的三维比率荧光传感Fig. 7 The derived 3D ratiometric fluorescent sensing of different pesticides

2.3.3 自来水添加农药测定结果 为评估该体系的实际应用性能，采用自来水样品标准加入法对水中的农药进行测定，结果如表3 所示。结果表明，该荧光体系测定自来水中残留农药的回收率在94.5% ～ 105%之间，相对标准偏差为1.4% ～7.7%，这说明Tb-MOF 和Eu-MOF2 荧光强度比值联用得到检测准确度，由此表明了两种材料联用检测水中残留农药的可行性。

表3 实际水样中添加农药的回收率和相对标准偏差 (n=5)Table 3 Spike and recovery and relative standard deviation of pesticides in real water samples (n=5)

续表3Table 3 (Continued)

3 结论

研究表明，基于两种双发光镧系金属有机框架材料联用可实现定性定量分析水体中残留农药。农药通过与Ln-MOFs 发生相互作用以及竞争性激发能量吸收，调节Ln-MOFs 中有机配体与Ln3+之间的能量转移效率，而敌草胺、毒莠定、咪草烟、戊唑醇、氟替莫非和苯霜灵6 种农药对有机配体到Tb3+和有机配体到Eu3+的能量转移效率影响不同。荧光强度比值的对数值lg(I545/I340)、lg(I545/I616)随着农药浓度的变化而变化，且在一定范围内呈现良好的线性关系。其中，该体系对敌草胺的检测更为灵敏，检出限lg(I545/I340)/lg(I545/I616)为0.003/0.021 mg/L。此外，Ln-MOFs 对在自来水中添加农药后测定其残留农药也具有良好的添加回收率，回收率为94.5% ～ 105%，RSD 为1.7% ～ 7.7%。