基于金属有机框架材料的多色多组分比率荧光传感分析

This project is aiming at preparing multicolor, multicomponent and ratio fluorescent probes based on nanoscale metal–organic frameworks (NMOFs) to load fluorescent materials for developing fluorescent sensors with high-performance. This project includes the following contents: investigating the loading of fluorescent materials in NMOFs by using fluorescence spectra and self-assembling technique together with spectroscopy and microscopy; looking for methods to prepare multicolor multicomponent ratio fluorescent probe based on NMOFs; preparing multicolor multicomponent ratio fluorescent probe based on NMOFs with various structures, function and kinds; investigating the fluorescent properties of various multicolor multicomponent ratio fluorescent probe based on NMOFs; constructing fluorescent sensors with fast response time, high sensitivity and good selectivity to some important specific molecules. NMOFs represent a class of highly porous hybrid materials obtained by the assembly of metallic ions and organic ligands with highly tunable structure so that various multicolor multicomponent ratio fluorescent probe based on NMOFs can be constructed via NMOFs. The even dispersion of fluorescent materials in the porosity of NMOFs will enhance both the stability and fluorescence efficiency of fluorescent materials, and improve the detection sensitivity. The porous NMOFs can also improve the selectivity of fluorescent sensors. The multicolor multicomponent ratio fluorescent sensors based on NMOFs can be used to detect several chemicals in a sample, which is especially suitable for complex samples. It will provide new idea to guide the preparation of novel sensors.

本项目旨在基于装载在纳米大小的金属有机框架材料（NMOFs）中的荧光材料，发展高灵敏、高选择性的多色多组分比率荧光传感分析体系。以自组装和荧光技术为主线，结合光谱和显微镜等技术研究荧光材料在NMOFs孔洞中的装载规律，探讨基于NMOFs的多色多组分比率荧光探针的制备方法，制备各种结构、功能及种类的基于NMOFs的多色多组分比率荧光探针；研究基于NMOFs的多色多组分比率荧光探针的性能；发展能对重要目标分子进行灵敏、选择性地检测的传感分析体系。NMOFs 的结构及种类繁多，因此基于NMOFs 可以构建出各种多色多组分比率荧光探针；荧光材料均匀地分散在NMOFs的孔洞中，不仅增强了荧光材料的稳定性，还将提高荧光材料的荧光量子产率。NMOFs的多孔结构也能提高传感分析的选择性。基于NMOFs的多色多组分比率荧光传感分析可以同时测定多种组分，特别适用于复杂样品分析，为发展新型传感体系提供了新思路。

荧光传感分析目前已成为化学、生物学和医学等众多领域的研究热点。设计制备基于金属有机框架材料的多色多组分比率荧光传感器，并着力提高它们的选择度和灵敏度是进一步研发新型纳米荧光传感器的热点，也是本项目“基于金属有机框架材料的多色多组分比率荧光传感分析”的研究目标。金属有机框架作为一种多孔配位聚合物材料，由金属离子/金属团簇和有机桥联配体以配位方式自组装而成。在本项目的资助下，我们成功地制备了多种金属有机框架材料及其衍生的纳米复合材料，包括功能化的金属有机框架、负载或修饰碳量子点/染料/纳米粒子/镧系金属离子的金属有机框架材料、生物矿化法制备金属有机框架材料、类金属有机框架材料等一系列材料。它们之间发生的荧光共振能量转移、螯合位点之间强的配位作用、层间堆积与剥离和分子内旋转与固定等等都可以引起荧光增强或荧光淬灭。通过对实验条件进行优化，我们获得了一系列具有分析速度快、操作简单、灵敏度高、选择性好、稳定性和重复性好的新型荧光传感器，并成功地用于测定葡萄糖、吡啶二羧酸（DPA）、多氯代苯、实际水样中的微量Fe3+、S2-、Hg2+、Cu2+，樱桃和血清样品中的EA等等，在环境、生物和工业方面都有广泛的应用，较好地完成了本项目的研究目标。我们分别采用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线粉末衍射、N2吸附/脱附等温线和荧光发射光谱等技术表征研究了工作中合成的纳米材料的结构特征，同时系统地研究了基于这些金属有机框架材料及其衍生的纳米复合材料的荧光传感器的灵敏度、线性范围和检测限等性能参数指标。本项目的实施为比率型荧光传感器的研制提供了新思路，本项目构建的一系列强荧光发射的比率荧光传感器有望广泛应用于日常生活和工业检测。此外，我们还深度挖掘了金属有机框架材料及其衍生的纳米复合材料的发展潜力，并探讨了不同结构的金属有机框架材料的形成机理，为后续研究打下了坚实的理论基础。