1. 引言
抗生素又称为抗菌素，它可以对一些病原微生物，如细菌、真菌、病毒、立克次体、支原体和衣原体等有抑制作用。自青霉素发现以来，抗生素一直是人类治疗病原微生物感染疾病的有力武器，但随着抗生素的长期广泛应用，病原菌耐药性的形成也日趋严重，滥用抗生素的情况也越来越普遍 [1] 。30年前，中国开始成为抗生素使用的大国，而据国家食品药品监督管理总局的相关调查显示，我国不合理使用抗生素的比例超过46% [2] 。环境水体中的残留抗生素主要来自抗生素工业废水、人用及兽用抗生素的排放。此外，每年有大量的家用抗生素由于过期被丢弃，极有可能因浸泡而渗入到环境水中 [3] 。现有的污水处理技术很少有针对抗生素的专门处理环节，不能完全去除抗生素。目前，我国水环境质量和污染物排放相关的法规和标准中均未纳入抗生素残留的指标。以上因素造成了目前环境水体中抗生素监管的难题 [4] 。抗生素及其代谢物可能通过饮用水进入人体，对居民安全用水及整个生态环境系统构成了长期潜在威胁。亟需建立相关法规和检测标准，对抗生素及其代谢物进行快速、高灵敏度的监控、筛查及定量分析 [5] 。
目前水体中微量和痕量的抗生素检测手段主要是液相色谱法、酶免疫分析法、毛细管电泳法等基于高灵敏度的仪器技术，它们主要还存在着需要昂贵的仪器，样品预处理复杂，获得数据耗时等不足 [6] [7] 。荧光探针检测技术近些年由于其灵敏度高，检出限低，成本低，反应快等优点受到人们广泛关注 [8] 。荧光金属有机配合物作为一种新型的无机有机杂化材料被广大材料学家所注意。金属有机配合物的优点是结构多样可调、纯度高、热稳定性好和制备容易等。在吸附、催化、光、电、磁等多个领域有着的广泛应用潜力 [9] 。尤其是基于其荧光性质方面的应用近些年更是受到的人们的关注，金属有机配合物是一种潜在的荧光传感器材料，可通过客体分子或者离子与配合物主体框架的作用诱导其荧光变化进而实现对特定物质的特异性识别和传感 [10] 。截至目前为止，已有多篇相关的文献被发表，其中就包含了荧光配合物在重金属离子，无机阴离子，硝基爆炸物，挥发性有机物，pH，温度，抗生素传感方面的相关研究 [11] 。原位合成技术作为一种构筑功能性配合物的方法也被许多课题组所研究，但是由于配合物的水热合成过程受很多因素的影响，原位合成所产生的配合物所占的比例很小，但是这种方法省去的配体的合成过程，使反应变得更容易实现 [12] 。
在本文工作中，我们使用了一个咪唑-4,5-二甲酸衍生物配体和硝酸铅作为起始原料成功制备了一个具有三维框架结构的配合物晶[Pb(L)]n(1)，结构分析显示原始的羧酸组分原位脱掉了一个羧基形成了一种新的配体。相关的表征显示该配合物具有较好的晶相纯度以及良好的热稳定性和化学稳定性。荧光传感性能测定表明当该化合物遇到多种抗生素后荧光强度发生了显著的猝灭，荧光强度随着抗生素浓度的增加呈指数关系，在低浓度时呈线性关系，可实现对特定抗生素的痕量检测，是一种十分有价值的抗生素探针材料。
2. 实验部分
2.1. 试剂与仪器
本实验使用的咪唑-4,5-二甲酸二甲酯，对溴甲基苯甲酸甲酯，Pb(NO3)、吡嗪和各种抗生素等均为商业途径购买的分析纯试剂，使用时未经进一步提纯处理。1-(4-羧基苄基)-1h-咪唑-4,5-二羧酸配体的合成是参照Bijan Roy等人的文献报道的方法 [13] 。配合物晶体的C、H和N元素百分含量是在ELEMENTAR vario EL (III)型元素分析仪上进行的测定。配合物在4000~400 cm−1范围内红外光谱(FT-IR)数据是通过NICOLET 6700傅里叶变换分光光度计进行的收集，晶体样品采用了KBr混合压片处理。晶体样品的热失重分析(TGA)数据采用日本SII DSC6220分析仪进行的收集，测试了30℃~800℃这一范围区间的样品重量损失情况，加热速率为10℃·min−1，保护气体为N2。配合物晶体的粉末X-射线衍射(PXRD)图谱是通过Bruker D2 Phaser衍射仪进行的测定，采用Cu Kα (λ = 1.5418 Å)作为辐射源，2θ角测试范围为5˚~50˚，扫描速度为0.1˚ × 2θ min−1。配合物的固态荧光光谱和悬浊液荧光光谱均是使用日立F-7000荧光分光光度计进行的测定。
2.2. 配合物[Pb(L)]n(1)的合成
将Pb(NO3)2(0.062 g, 0.2 mmol)，1-(4-羧基苄基)-1h-咪唑-4,5-二羧酸(0.0580 g, 0.2 mmol)，吡嗪(0.032 g, 0.4 mmol)，去离子H2O (15 mL)的混合物在室温下通过超声波震荡30 min使其形成均匀的混合物。然后将上述混合物转移到容积为23 mL带有Teflon内衬的钢制反应釜中，密封后置于电鼓风烘箱中在180℃条件下加热72小时，然后以10℃·h−1的速度缓慢冷却到室温。显微镜观察到有无色针状晶体产生，过滤干燥后称重计算产率约为65% (基于配体)。元素分析(C12H8N2O4Pb)理论值：C，31.92%；H，1.78%；N，6.20%；测试值：C，31.74%；H，1.71%；N，6.03%。红外光谱(KBr, cm−1)：3121 (s)，3074 (s)，2933 (m)，2386 (w)，1589 (s)，1559 (s)，1499 (s)，1398 (s)，1342 (m)，1279 (s)，1235 (s)，1197 (m)，1176 (m)，1119 (m)，1091 (m)，1047 (m)，972 (m)，922 (m)，892 (s)，857 (s)，821 (s)，793 (s)，756 (s)，651 (m)，632 (w)，617 (m)，519 (w)，476 (m)。
2.3. 荧光传感实验
在室温下分别将用玛瑙研钵充分研磨的多份5.0 mg粉末状的晶体样品分别置于含有不同的抗生素(甲硝唑，MNZ；替硝唑，TNZ；奥硝唑，ONZ；呋喃唑酮，FZD；呋喃妥因，NFT；磺胺嘧啶，SDZ；磺胺甲嘧啶，SMZ；氯霉素，CAP；土霉素，TMC；诺氟沙星，NFC；左氧氟沙星，LOC；青霉素钠，PCN-GNa)的2 mL浓度为10−3mol·L−1的DMF溶液中，然后将混合物超声处理30 min，使其形成均匀的悬浮液，在350 nm激发波长下采集发光数据。荧光滴定实验是将代表性抗生素(呋喃妥因，NFT)的DMF溶液逐步添加到配合物1粉末样品的DMF悬浊液中，并监测相应稳定悬浊液的荧光强度。
2.4. X-射线晶体学
配合物1的单晶X-射线衍射数据在Bruker D8 Quest ECO衍射仪上在室温下进行的收集，采用石墨单色钼靶辐射源(λ = 0.71069 Å)。衍射数据的吸收校正采用了多重扫描技术进行处理。配合物的晶体结构采用了直接法进行解析，并使用SHELXS-2014和SHELXL-2014程序通过基于F2的全矩阵最小二乘法进行精修处理 [14] 。所有的非氢原子都是从微分傅里叶图中定位出来的，并进行了各向异性热因子处理。有机配体分子上的氢原子均是通过理论加氢的方式定位，并进行了各向同性精修。表1列出了配合物1的晶体学数据和结构精修参数，表格后半部分数据中等效点平均偏差R (int)值为0.0459 (配合物晶体一般低于0.05)，拟合优度指标为1.008 (越接近1越好)，残差因子(结构模型与真实模型的差异)R1值为0.0402和0.0447 (配合物晶体一般低于0.05)和wR2(加权重的残差因子)值为0.0814和0.0826 (配合物晶体一般低于0.1)，这些数值都表明晶体结构正确，衍射数据质量较高。表2中列出了一些有代表性的配位键长和键角数值。
Table 1. Crystallographic data and refinement parameters for complex 1
表1. 配合物1的晶体学数据和结构精修参数
a
,b
。
Table 2. Selected bond distances (Å) and angles (˚) for compound 1
表2. 化合物1的选择性键长(Å)和键角(˚)
3. 结果与讨论
3.1. 化合物[Pb(L)]n(1)的晶体结构
单晶X-射线衍射分析表明配合物1结晶在了正交晶体，空间群为Pna21，它展示出了一个由H3L-1原位脱羧形成的L2−阴离子μ3-连接Pb(II)离子组装成的3-连接三维框架结构。配合物1的晶体学不对称单元由一个Pb(II)离子和一个L2–阴离子配体组成。如图1(a)所示，每个Pb(II)离子位于扭曲的五角锥结构中，同来自三个独立L2−配体的一个N原子和五个O原子配位。Pb-O键的长度为2.407 (7)~2.813 (10) Å，Pb-N的键长为2.427 (10) Å，配位的O(N)-Pb-O(N)键角则处于51.2 (2)~146.0 (3)˚这一区间，这些数值与其它已报道的Pb(II)配合物的值相当 [15] [16] 。
Figure 1. (a) Coordination environment of Pb(II) center in complex 1. Symmetry code: #1 (−x + 2, −y + 1, z + 1/2); #2 (x + 1/2, −y + 3/2, z + 1); (b) The 1D chain formed by imidazole-4-carboxylate groups of L2–ligands bridging Pb(II) ions in complex 1; (c) The 3D framework of complex 1 view alongcaxis; (d) Topological view of (3,3)-connected net of complex 1 with a Schläfli symbol of {103}
图1. (a) 配合物1中Pb(II)中心的配位环境。对称代码：#1 (−x + 2, −y + 1, z + 1/2); #2 (x + 1/2, −y + 3/2, z + 1)；(b) 在1中由L2–配体的咪唑-4-羧酸基团桥接Pb(II)离子形成的1D链；(c) 配合物1沿c轴方向观测的三维框架；(d) 配合物1施莱夫利符号为{103}的(3,3)-连接网络
在配合物1的框架中，每个L2–配体都采用了μ3-kN,O:kO,O':kO',O''配位模式通过两个以μ1-η1:η1和μ2-η1:η1的方式配位的羧基以及一个单齿配位的N咪唑原子桥连三个Pb(II)离子。其中L2–阴离子的两个芳香环与它们上面所连接的羧酸基团几乎共面，咪唑环和苯环围绕亚甲基产生了一定的旋转，形成约82.29˚的二面角。对称性相关的Pb(II)离子通过L2–阴离子的咪唑-4-羧酸基团桥接形成一维(1D)链(图1(b))，这些一维链又通过L2–配体另一端的羧苯基连接，从而进一步扩展成三维结构(图1(c))。使用TOPOS [17] 软件对框架结构进行分析，结果表明Pb(II)和L2–阴离子均可被看作是3-节点，配合物1的骨架可以定义为一个单节点(3,3)-连接网络，其Schläfli符号为{103} (图1(d))。
3.2. 化合物1的红外光谱，晶相纯度，热稳定性和化学稳定性研究
我们测定了配合物红外光谱数据，如图2所示，在3074 cm−1的吸收峰代表苯环的C-H键伸缩振动，而在2933 cm−1的吸收峰则归属于亚甲基的C-H伸缩振动，而2386 cm−1的吸收峰则属于苯环的是C-H面外和C=C面内变形振动的泛频吸收，在1589 cm‒1的吸收峰代表C=N键的伸缩振动，1176 cm−1吸收峰则是咪唑环的伸缩振动，476~1047 cm−1范围内的各吸收峰主要是由C-H面内弯曲振动引起的，1559 cm−1的吸收则属于C=O伸缩振动，1279~1091 cm−1范围内的各吸收峰主要对应于C-O的伸缩振动。为了确定我们所制备的配合物1的晶相纯度，在室温下进行了粉末X-射线衍射(PXRD)测定。如图3所示，配合物1的多晶样品的衍射峰与晶体学数据模拟的衍射峰一致，表明晶体样品具有较高的纯度和均匀性。为了
Figure 2. Infrared spectrum of complex 1
图2. 配合物1的红外光谱图
Figure 3. As-synthesized and simulated PXRD patterns for complex 1
图3. 配合物1的实验和模拟粉末X-射线衍射图谱
研究配合物的热稳定性，我们测定了它的热失重曲线(TGA)。如图4所示，配合物1的无水框架可以稳定存在到430℃左右，之后骨架才开始坍塌有机物开始解离。为了验证配合物1的化学稳定性，分别将多份重5 mg的样品浸在10 mL的H2O、DMF、DMA、CH2Cl2、CH3OH、C2H5OH、(CH2OH)2和CH3CN中室温浸泡24 h，然后进行离心和风干回收，再进行PXRD测量(图5)。实验结果与理论结果一致，表明配合物1对水和常见的有机溶剂具有良好的耐受性，具有较好的化学稳定性。
Figure 4. The TGA curves of complex 1
图4. 配合物1的热失重曲线
Figure 5. Simulated and measured PXRD patterns of complex 1 immersed in different solvents for 24 hours
图5. 配合物1在不同溶剂中浸泡24小时的PXRD图谱与模拟图谱对比图
3.3. 化合物1的荧光性质
含有Pb(II)阳离子和富电子有机发色团的配合物具有较好的发光特性，在光电材料领域具有潜在的应用前景。为此，我们研究了配合物1在室温下的固态发光特性，并与初始H3L-1配体的发射谱进行了比较。在346 nm处激发时，自由H3L-1配体的发生峰出现在了419 nm处的蓝光区(图6(a))，这主要归因于π*→n或π*→π电子跃迁。虽然初始的H3L-1配体在配合物的自组装过程中被脱羧成L2−形式，但H3L-1和H2L配体只相差一个羧基，它们的π-电子共轭体系基本相同，因此它们应该具有非常相似的荧光性质。在350 nm波长下进行激发时，配合物1显示出了一个以422 nm为中心的发射带(图6(b))。尽管Pb(II)离子具有s2的最外层电子结构，很多时候配体的电子容易跃迁到Pb(II)离子的空轨道上面，但是这种情况下通常会导致配合物的荧光发射峰与配体相比产生一定的蓝移，但是我们所制备的配合物的发射峰的位置和形状几乎都与配体相近，所以我们推断配合物1的荧光主要是由于配体自身电荷转移所致而不能归因于配体到金属或者金属到配体的电荷跃迁。
Figure 6. Excitation (black lines) and emission (red lines) spectra of free H3L-1 ligand (a) and complex 1 (b) in the solid state at room temperature
图6. H3L-1配体(a)和配合物1(b)在室温固态下的激发(黑线)和发射(红线)光谱
3.4. 化合物1的荧光传感性质研究
考虑到配合物1在常见溶剂中良好的稳定性和明显的发光性质，我们的研究兴趣主要集中在了配合物对不同常用抗生素的检测能力上。我们选择了甲硝唑(MNZ)、替硝唑(TNZ)、奥硝唑(ONZ)、呋喃唑酮(FZD)、呋喃妥英(NFT)、磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺甲嘧啶(SMZ)、氯霉素(CAP)、土霉素(TMC)、诺氟沙星(NFC)、左氧氟沙星(LOC)、青霉素钠(PCN-GNa) 12种抗生素作为分析对象。如图7(a)和图7(b)所示，除了青霉素钠对配合物1的荧光强度几乎没有影响之外，其它11种抗生素都能对配合物1的悬浊液荧光产生不同程度的猝灭作用，MNZ、TNZ、TMC、FZD和NFT对配合物1悬浮液荧光有明显的猝灭作用，其中NFT所导致的猝灭效率已经达到了93.21%。上述结果清楚地表明配合物1可以作为一种潜在的抗生素多响应传感器。因此，在接下来的研究中，我们只选择了NFT作为抗生素分子的代表，探讨配合物1对痕量的NFT的传感能力。采用荧光滴定法考察了配合物1的荧光强度与目标分析物浓度的相关性。如图7(c)所示，随着NFT浓度的增加，配合物1的发光逐渐猝灭。荧光猝灭效率可以用Stern-Volmer (SV)方程来分析：I0/I − 1 = Ksv[M]，其中Ksv为猝灭效应常数，[M]为分析物的摩尔浓度，I0和I为加入分析物前后的发光强度 [18] 。如图7(d)所示，NFT的SV图在高浓度范围内呈指数关系向上弯曲，这种现象可能是由于自吸收或能量传递所致 [19] 。而在低浓度范围内表现出显著的线性关系，其中直线斜率Ksv值为9.87 ×104M−1(R2= 0.9416)。借助3δ/Ksv公式 [20] ，计算除了NFT的检出限(LOD)为1.01 × 10−7mol·L−1，其中δ为10循环空白试验的标准偏差。上述研究结果与文献中已经报道的一些数值接近甚至优于它们的结果。配合物1荧光受到抗生素分子的影响主要归因与有机体配体分子和抗生素分子之间的竞争吸收作用，这种传感机理已经被许多相关的研究所证实 [21] [22] ，所以我们推测配合物1对抗生素的传感作用也是这一原因。
Figure 7. (a) The fluorescence emission spectra of complex 1 dispersed in the DMF containing different antibiotics at the same concentration; (b) The fluorescence intensities of complex 1 in DMF solutions of different antibiotics; (c) Emissions spectra of complex 1 dispersed in DMF upon incremental addition of 10−3mol·L−1DMF solution of NFT; (d) The correlation between the luminescence of complex 1 and the concentration of DMF solution of NFT. Inset: the linear correlation for the plot of I0/I − 1 vs NFT concentration
图7. (a) 配合物1分散在含有相同浓度的不同抗生素的DMF中的荧光发射光谱；(b) 配合物1在不同抗生素DMF溶液中的荧光强度；(c) 配合物1分散在逐渐增加NFT DMF溶液浓度的发射光谱；(d) 配合物1的荧光与NFT的DMF溶液浓度之间的相互关系。插图：I0/I − 1与NFT浓度的线性相关性图
4. 总结
使用一个咪唑-4,5-二甲酸衍生物配体(H3L-1)和金属Pb(II)离子在180℃的水热条件下进行自组装反应成功制备一个具有稳定骨架结构的配合物晶体[Pb(L)]n(1)。单晶X-射线分析发现初始配体H3L-1发生了原位脱羧最终在晶体骨架中变成了另外一种配体形式(L2−)形式。粉末X-射线衍射(PXRD)和热失重(TGA)分析表明配合物1具有较高的相纯度，较好的化学和热稳定性。固态荧光光谱显示配合物1展示出了基于配体自身π电子跃迁而导致的蓝色荧光。此外，荧光传感实验还表明配合物1能够通过荧光猝灭的方式对某些抗生素分子产生特异性识别作用，可以作为一种检测特定抗生素分子的荧光传感材料。
致谢
本论文得到通化师范学院大学生创新创业训练计划项目(编号：202210202014)和吉林省教育厅科学研究项目(编号：JJKH20230590KJ)的资金资助。
NOTES
*通讯作者。