CN109181683B - 一种基于钙-金属有机骨架材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于钙‑金属有机骨架材料及其制备方法与应用，它是利用Ca(NO₃)₂·4H₂O作为无机离子节点，刚性对称的(1,1':4',1"‑三联苯‑3,3",5,5"‑四羧酸)作为有机桥联配体采用简便的“一锅法”溶剂热技术手段制备合成，化学通式为{[Ca_1.5(HL₁)(DMF)₂]·DMF}。本发明中提供的金属有机骨架材料是一种新颖的毒性低、化学稳定性高、水溶性好的多孔配位聚合物荧光材料，可作为化学传感器实现对客体分子和离子的特异性识别。本发明同时还进一步公开了基于金属有机骨架材料作为一种荧光探针应用于L‑半胱氨酸的高选择性、高灵敏性检测的方法和金属有机骨架材料的制备合成过程。

Description

一种基于钙-金属有机骨架材料及其制备方法与应用

本申请得到国家自然科学基金面上项目21301128、21375095和20975054的资助。

技术领域

本发明属于金属有机骨架材料的合成制备和荧光传感领域，具体涉及一种低毒性的金属有机骨架材料的制备合成方法和荧光选择性检测L-半胱氨酸的应用。

背景技术

金属有机骨架材料(MOFs)是以金属离子(或金属团簇)和有机桥联配体为基本单元结构通过自组装形成具有周期性网络结构的晶体材料。MOFs因具有多样化的拓扑结构和特殊的可调控性能深受科学研究者的广泛关注，而且与传统材料如量子点、上转换材料、金属纳米粒子相比，MOFs具有巨大的比表面积、复杂的孔道结构、可特异性修饰的表面结构、良好的化学稳定性和优异的吸附性能，因此被应用于气体的吸附与分离、多相催化、药物传输、能源储存、生物成像和化学传感等多方面领域。金属有机骨架材料作为一种新型的有机-无机杂化多孔配合物材料，由于无机金属离子和有机桥联配体均能为MOFs材料提供荧光位点，所以MOFs材料能够展现出特异的荧光性能。在金属有机骨架材料的间隙孔道中和二维骨架外表面结构上会带有一些含氧的羧基、含氮的氨基和含硫的巯基等官能团，MOFs材料中这些活性位点易受到外界条件因素的影响，因此可利用MOFs材料结构功能特异性来实现对温度、pH、客体分子、无机离子和硝基芳香化合物等一些客体目标物的传感。目前金属有机骨架材料被广泛应用于荧光传感领域，但是利用金属有机骨架材料去应用于生物体液中氨基酸的检测的报道还鲜为少见，本发明通过简便的“一锅法”溶剂热技术手段合成制备的金属有机骨架材料检测生物体液中L-半胱氨酸的应用显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种新颖的毒性低、水溶性好、化学稳定性高的金属有机骨架材料的制备合成方法并应用于L-半胱氨酸的检测。采用简便的“一锅法”溶剂热技术手段以Ca(NO₃)₂·4H₂O和H₄L₁(1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸)为原料合成荧光性能好的多孔配位聚合物材料，此金属有机骨架材料在水溶液中具有很好的荧光性能并且具有较高的化学稳定性。在金属有机骨架材料溶液中添加氯化铅会产生荧光猝灭效果，再在混合体系溶液中添加L-半胱氨酸后可实现荧光恢复效果，因此可利用金属有机骨架材料应用于生物体液中L-半胱氨酸的定量检测。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：

一种基于钙-金属有机骨架材料，其特征在于它是基于(1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸)-Ca(NO₃)₂的低毒性金属有机骨架材料，其化学通式为：{[Ca_1.5(HL₁)(DMF)₂]·DMF}，HL为(1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸)做为有机配体，其配体结构为：

本发明进一步公开了金属有机骨架材料的制备方法，其特征在于按照如下的步骤进行：

（1）将Ca(NO₃)₂·4H₂O和H₄L₁(1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸)按照摩尔比为6:1的比例加入至去离子水和DMF的混合溶液中搅拌0.5-1 h，然后加入3-6 μL (0.33 M)的HNO₃溶液混合均匀；

（2）将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢高压反应釜中，设置烘箱加热温度为120-140 ℃，加热96-100 h后停止加热反应；

（3）最后经过48-50 h冷却至室温，将得到的产物用水和***洗涤数次后可以得到无色块状晶体。

本发明更进一步公开了基于钙-金属有机骨架材料的晶体，其特征在于该材料晶体结构属于单斜晶系，C_2/c空间群。采用石墨单色器的Mo-Ka辐射

作为衍射光源，用 W-j 扫描方式收集衍射点，晶体结构运用SHELXS-97和SHELXL-97程序用直接法解出，并使用全矩阵最小二乘法修正。其特征在于，详细的晶体学数据及结构描述如下表所示：

表1 金属有机骨架材料的晶体学数据表

本发明中配合物的晶体属于单斜晶系，C_2/c空间群，配合物的基本结构单元包含了1.5

中心离子(Ca2和0.5 Ca1)，一个去质子化的HL₁ ^3-，两个配位DMF分子和一个自由晶格DMF分子。Ca1与HL₁ ^3-的6个O原子(O1、O1A、O5A、O5B、O8A、O8B)进行配位，Ca2与HL₁ ^3-的5个羧基氧原子(O2、O5A、O6A、O7A和O8A)和末端配位的两个DMF分子的氧原子(O9和O10)相配位。其中Ca1、Ca2和Ca2A通过羧酸原子相连接形成三核的Ca₃O₄簇作为二级构件(SBUS)。每个HL₁ ^3-配体以多齿桥接模式使三个羧酸基团连接三个邻近三核Ca^II二级构件，最终构建成具有二维结构的多孔配位框架1。金属有机骨架材料1的部分键长和键角数据，如下表所示：

表2 金属有机骨架材料部分键长和键角数据表

本发明同时也公开了基于钙-金属有机骨架材料在作为荧光探针检测生物体液中L-半胱氨酸方面的应用。基于钙-金属有机骨架材料和氯化铅的混合体系溶液中在只有添加L-半胱氨酸后才会导致猝灭体系的荧光强度发生明显增强，而其他生物小分子几乎没有明显的响应，表明此分析方法具有良好的选择性，该荧光探针检测体系对L-半胱氨酸能够进行特异性识别。

其对于生物体液中L-半胱氨酸的检测方法，按如下的步骤进行：

（1）将称取的金属有机骨架材料固体粉末均匀的分散在水溶中，然后加入一定量的标准氯化铅溶液，确保与金属有机骨架材料完全反应，致使MOFs材料的荧光被猝灭至稳定状态，利用荧光分光光度计在282 nm的激发波长下记录372 nm处的荧光猝灭发射图谱。

（2）向（1）步骤中的混合体系溶液中加入待测目标物L-半胱氨酸静置反应，待L-半胱氨酸与混合体系溶液充分作用，致使混合体系溶液被猝灭的荧光强度得到恢复，利用荧光分光光度计记录在在282 nm的激发波长下记录372 nm处的荧光恢复发射图谱。

（3）通过比较溶液体系的荧光猝灭发射图谱和荧光恢复发射图谱得到荧光强度变化差值，将得到的荧光强度变化差值代入到拟合的线性方程中会计算出待测溶液中L-半胱氨酸的浓度。

（4）基于金属有机骨架材料对L-半胱氨酸的检测应用，其特征在于，反应体系中L-半胱氨酸的浓度与荧光发射强度的变化值呈现良好的线性关系，线性方程为△I=14.199C+29.32，线性范围0.25-40 µM，最低检出限91 nM，R²值为0.98043。

本发明公开的基于钙-金属有机骨架材料及其制备方法与应用所具有的积极效果在于：

（1）本发明利用简便“一锅法”溶剂热技术手段合成的金属有机骨架材料能够均匀分散在水溶液中并且在长时间内能够保持较高的稳定性，具有较好的生物相容性。

（2）本发明利用简便“一锅法”溶剂热技术手段合成的金属有机骨架材料是一种荧光性能好、化学稳定性高、水溶性好的低毒性多孔配位聚合物材料。在金属有机骨架材料的表面结构上含有自由的羧基，可以对一些客体分子或离子特异性识别。

（3）本发明利用简便“一锅法”溶剂热技术手段合成的金属有机骨架材料作为荧光探针对检测L-半胱氨酸的应用，具有高选择性、较低检出限和较强的抗干扰能力等优点，并且能够达到高效灵敏，快捷简便的检测目的。

附图说明

图1是本发明中使用金属有机骨架材料的粉末衍射XRD谱图；

图2是本发明中使用金属有机骨架材料的化学式结构示意图；

图3是本发明中使用金属有机骨架材料的紫外吸收光谱图和荧光发射光谱图；

图4是不同浓度的氯化铅溶液对金属有机骨架材料的荧光猝灭效果图；

图5是不同生物小分子对金属有机骨架材料与氯化铅混合体系溶液的荧光响应图谱；

图6是本发明中使用金属有机骨架材料和氯化铅混合溶液体系检测L-半胱氨酸的荧光光谱图；

图7是本发明中使用金属有机骨架材料和氯化铅混合溶液体系检测L-半胱氨酸的线性拟合图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案和附图说明来详细描述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。

下述实施例中所使用的试剂Ca(NO₃)₂·4H₂O、DMF、硝酸、***、乙醇、氯化铅均为分析纯，购自百灵威试剂公司。(1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸)有机配体购自于北京华盛锐科化工有限公司。所需的氨基酸均购于天津市光复精细化工研究所，均为BR生化试剂，纯度为99%。

实施例1

金属有机骨架材料的制备合成与结构表征

（1）称取141.6 mg Ca(NO₃)₂·4H₂O和42.1 mg(1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸)有机配体试剂均匀地分散在2 mL水和6 mL DMF中搅拌0.5-1 h，然后加入3-6 μL(0.33 M)的HNO₃溶液。然后将混合溶液转移至具有聚四氟乙烯内胆的不锈钢高压反应釜中，在120-140 ℃摄氏度的条件下加热96-100 h，然后经过48-50 h冷却到室温。得到的无色的块状晶体被水和***洗涤数次。

（2）制备合成的金属有机骨架材料晶体，基于H₄L₁.的产率37%。C₃₁H₃₂Ca_1.5N₃O₁₁的元素分析理论值 (%)：C 54.54, H 4.73, N 6.15；元素分析实验值(%)：C 54.79, H 4.96, N6.15；表明配合物材料中元素组成基本与理论值一致。

（3）金属有机骨架材料的结构表征

晶体结构测定使用BRUKER SMART 1000 CCD型X-射线单晶衍射仪，采用石墨单色器的Mo-Ka辐射

作为衍射光源，用W-j扫描方式收集衍射点，晶体结构运用SHELXS-97和SHELXL-97程序用直接法解出，并使用全矩阵最小二乘法修正。金属有机骨架材料的XRD模拟数据和实验数据如图1所示。详细的晶体学数据如下表所示。

表1 金属有机骨架材料的晶体学数据表

（4）金属有机骨架材料1的晶体结构描述

本发明中配合物的晶体属于单斜晶系，C_2/c空间群，配合物的基本结构单元包含了1.5

中心离子(Ca2和0.5 Ca1)，一个去质子化的HL₁ ^3-，两个配位DMF分子和一个自由晶格DMF分子。Ca1与HL₁ ^3-的6个O原子(O1、O1A、O5A、O5B、O8A、O8B)进行配位，Ca2与HL₁ ^3-的5个羧基氧原子(O2、O5A、O6A、O7A和O8A)和末端配位的两个DMF分子的氧原子(O9和O10)相配位。其中Ca1、Ca2和Ca2A通过羧酸原子相连接形成三核的Ca₃O₄簇作为二级构件(SBUS)。每个HL₁ ^3-配体以多齿桥接模式使三个羧酸基团连接三个邻近三核

二级构件，最终构建了二维结构的纳米多孔配位框架1，如图2所示。金属有机骨架材料1的部分键长和键角数据，如下表所示：

表2 金属有机骨架材料的部分键长和键角数据表

实施例2

本发明中使用的金属有机骨架材料的紫外吸收光谱和荧光发射光谱的测定

依次分别加入400 μL金属有机骨架材料的悬浮溶液(100 mg L^-1) ，400 μL的Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.2, 0.1 M)用去离子水定容至4 mL混合均匀静置，最终体系溶液中金属有机骨架材料的浓度为10 mg L^-1，利用紫外-可见分光光度计检测体系溶液的吸光度；利用荧光分光光度计在激发波长为282 nm，激发狭缝5 nm，发射狭缝5 nm，光电倍增管电压560 V的条件下测定体系溶液的荧光发射谱图。如图3所示，1为紫外光吸收光谱图，2为荧光发射光谱图。从图3中可看出金属有机骨架材料在282 nm处有较强的紫外吸收，故使用282 nm作为激发波长。当利用282 nm的激发波长作用于体系溶液时，在372 nm处有很强的荧光发射峰。

实施例3

体系溶液中铅离子浓度对金属有机骨架材料的荧光强度影响

依次分别加入400 µL金属有机骨架材料的悬浮液(100 mg L^-1) ，400 µL的Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.2, 0.1 M)和一系列不同浓度(15~80 µM)的氯化铅溶液用去离子水定容至4 mL混合均匀静置，待混合体系溶液充分反应达到稳定状态后，利用荧光分光光度计测定在金属有机骨架材料溶液中存在不同浓度的氯化铅下混合体系溶液发射光谱的荧光强度。如图4所示，当体系溶液中金属有机骨架材料的浓度一定时，随着溶液体系中铅离子浓度不断增加，混合体系溶液的荧光强度逐渐被猝灭，并且当铅离子浓度达到一定的浓度时，混合体系溶液的荧光强度被猝灭至较低值。根据铅离子对金属有机骨架材料溶液体系的荧光强度猝灭效果来看，可选择35-45 µM作为铅离子的最佳猝灭浓度，此时混合体系溶液具有较好的荧光猝灭背景和较高的灵敏度从而更好地应用于L-半胱氨酸的检测应用。

实施例4

金属有机骨架材料与氯化铅的混合体系溶液对不同生物分子的响应

依次分别加入400 µL金属有机骨架材料的悬浮液(100 mg L^-1)，400 µL的Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.2, 0.1 M)和100 µL的氯化铅溶液(1.4 mM)用去离子水定容至4 mL混合均匀静置，待混合体系溶液完全反应至稳定状态后，依次分别向混合体系溶液中添加L-半胱氨酸、谷胱甘肽、甘氨酸、多巴胺、精氨酸、组氨酸、亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸、缬氨酸、蛋氨酸的一系列不同生物小分子的标准溶液将其混合均匀静置，待与混合体系溶液充分反应之后，利用荧光分光光度计记录其各个体系溶液的荧光发射图谱。如图5所示，在金属有机骨架材料和氯化铅混合的体系溶液中，只有添加L-半胱氨酸标准溶液之后才会有明显的荧光增强，而其他氨基酸和生物分子对混合体系的荧光强度几乎没有影响，说明此混合体系溶液能够特异性的识别L-半胱氨酸可应用于实际检测。

实施例5

利用金属有机骨架材料与氯化铅的混合体系检测L-半胱氨酸

（1）依次分别加入400 µL金属有机骨架材料的悬浮液(100 mg L^-1)，400 µL的Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.2, 0.1 M)和100 µL的氯化铅溶液(1.4 mM)用去离子水定容至4mL混合均匀静置反应，待混合体系溶液充分反应达到稳定状态，利用荧光分光光度计测定反应体系的荧光发射光谱，此发射光谱作为荧光猝灭的背景光谱图。

（2）依次分别加入400 µL金属有机骨架材料悬浮液(100 mg L^-1)，400 µL的Tris-HCl缓冲溶液(pH=7.2, 0.1 M)和100 µL的氯化铅溶液(1.4 mM)，将其混合均匀静置反应，待混合体系溶液充分反应达到稳定状态，加入一系列不同浓度(0.25~40 µM)的L-半胱氨酸标准溶液，将体系溶液用去离子水定容至4 mL。待混合体系溶液充分反应稳定后，利用荧光分光光度计测定反应体系的荧光发射光谱，此荧光发射光谱的荧光强度与猝灭背景光谱图的荧光强度之间差值作为荧光恢复强度。通过荧光恢复强度和加入L-半胱氨酸溶液的浓度进行线性拟合。随着混合体系溶液中L-半胱氨酸浓度的增加，反应体系的荧光强度恢复值逐渐增大，在L-半胱氨酸浓度为0.25-40 µM的范围内，反应体系中L-半胱氨酸的浓度与荧光发射光谱强度的变化值呈良好的线性关系，线性方程为△I=14.199C+29.32。上述方法的分析特征量如下表所示，突出了本方法有较宽的线性范围和较低的检出限。

表3 本方法的分析特征量

本发明提供的一种基于新型的钙-金属有机骨架材料是一种水溶性好、化学稳定性高、毒性低的多孔配位聚合物材料，能够很好的应用于化学传感领域的荧光分析检测，该材料作为荧光探针应用于生物分子的分析检测具有较好的选择性、高的灵敏度和较强的抗干扰能力等明显优势。

Claims (3)

1.一种基于钙-金属有机骨架材料，其特征在于它是基于(1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸)-Ca(NO₃)₂的低毒性金属有机骨架材料，其化学通式为：{[Ca_1.5(HL₁)(DMF)₂]·DMF}，HL₁为1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸做为有机配体，其配体结构为：

该材料晶体结构属于单斜晶系，C_2/c空间群，采用石墨单色器的Mo-Ka辐射l= 0.71073Å作为衍射光源，用w-j扫描方式收集衍射点，晶体结构运用SHELXS-97和SHELXL-97程序用直接法解出，并使用全矩阵最小二乘法修正，其特征在于，详细的晶体学数据及结构描述如下：

金属有机骨架材料的晶体学数据表

。

2.权利要求1所述的金属有机骨架材料的制备方法，其特征在于按照如下的步骤进行：

（1）将Ca(NO₃)₂·4H₂O和H₄L₁ 1,1':4',1"-三联苯-3,3",5,5"-四羧酸按照摩尔比为6:1的比例加入至去离子水和DMF的混合溶液中搅拌0.5-1 h，然后加入0.33 M HNO₃ 3-6 μL溶液混合均匀；

（2）将混合溶液转移至聚四氟乙烯内胆的不锈钢高压反应釜中，设置烘箱加热温度为120-140 ℃，加热96-100 h后停止加热反应；

（3）最后经过48-50 h冷却至室温，将得到的产物用水和***洗涤数次后可以得到无色块状晶体。

3.权利要求书1所述的基于钙-金属有机骨架材料在作为荧光探针检测生物体液中L-半胱氨酸方面的应用。

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