长春理工大学孙晶、苏忠民教授组 | 双配体镧系金属-有机框架对江水和自来水中Al³⁺和F⁻的比率荧光传感

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研究背景

金属有机框架 (metaletaletaletal-organic frameworks, MOFs)是一类发展迅速的新兴多孔晶体材料，在吸附、储气/分离、质子传导、催化、药物输送和荧光传感等方面显示出巨大应用潜能。其中，镧系金属有机框架材料（lanthanide-metaletaletaletal-organic frameworks, Ln-MOFs）体现了 MOFs 的独特优势和镧系元素离子的固有特征，展现出独特结构特征和出色的光学性能，是很有前景的化学荧光传感材料之一。

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研究内容

近日，长春理工大学孙晶、苏忠民教授组通过双配体策略，选用TDA、BDC-NH₂和Eu³⁺合成了一种新颖的具有三斜晶系、P-1(2)空间群的双发射镧系金属-有机框架（Eu-BDC-NH₂/TDA，如图1）。该材料可以作为比率型荧光探针实现江水和自来水中Al³⁺和F^-的灵敏检测。值得一提的是，这是第一个可以同时检测Al³⁺和F^-的双配体双发射比率型Eu-MOF荧光传感器的例子，具有极大的开发潜力。

图1 Eu-BDC-NH₂/TDA的晶体结构

Eu-BDC-NH₂/TDA可以实现对Al³⁺和F^-的快速灵敏检测（如图2，3），随着Al³⁺或F-浓度的增加，621 nm处的荧光强度逐渐降低，430 nm处的荧光恢复，利用两个发射中心的比率变化I430/I621与Al³⁺和F^-之间的线性关系来定量的比率荧光传感检测Al³⁺和F^-。在紫外灯照射下，随着Al³⁺或F^-浓度的增加，可清晰的观察到其发光颜色由红色转为蓝色，通过Eu-BDC-NH₂/TDA的发光颜色变化情况可直观地检测Al³⁺或F^-。

图2 Eu-BDC-NH₂/TDA对Al³⁺的荧光检测

图3  Eu-BDC-NH₂/TDA对F^-的荧光检测

此外，该材料具有良好的稳定性（如图4）。研究表明Eu-BDC-NH₂/TDA在乙醇溶液中浸泡7天后，荧光强度未发生明显变化，仍具有较高的荧光稳定性。TGA曲线显示，Eu-BDC-NH₂/TDA在235 ℃之前保持稳定的结构，具有优异的热稳定性。这为其在实际工程中的应用提供了一定的基础。

图4 Eu-BDC-NH₂/TDA的荧光稳定性及热稳定性测定

随后，作者通过XRD、FT-IR、N₂吸附-解吸、XPS等表征研究了可能的检测机制（如图5，6，7）。最后，通过对MOF孔径大小的讨论解释了Eu-BDC-NH₂/TDA对Al³⁺和F^-具有特异性传感的原因。

图5 Eu-BDC-NH₂/TDA检测Al³⁺和F^-前后的XRD及FT-IR对比

图6 Eu-BDC-NH₂/TDA检测Al³⁺前后的N₂吸附-解吸等温线及孔径分布

图7 Eu-BDC-NH₂/TDA检测F-前后的XPS对比

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总结展望

该比率型荧光探针在乙醇介质中对Al³⁺和F^-具有灵敏度高、选择性高、检出限低、抗干扰性强、响应时间快速和裸眼视觉检测的优点。Eu-BDC-NH₂/TDA作为荧光探针，实现了在江水、自来水中的实际可应用性，为Al³⁺和F^-的在实际水样中的检测提供了新的方法，并可能在未来的工程应用中取得突破。

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论文信息

A ratiometric fluorescent probe based on a dual-ligand lanthanide metal–organic framework (MOF) for sensitive detection of aluminium and fluoride ions in river and tap water

Runnan Wang, Hao Zhang, Sibo Wang, Fanxu Meng, Jing Sun, Dawei Lou and Zhongmin Su

Inorg. Chem. Front., 2023,Advance Article

https://doi.org/10.1039/D2QI02554J

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

孙晶 教授

长春理工大学

孙晶，教授，博士生导师。研究方向为光功能材料与化学，主要从事新型发光材料合成及性能研究，主要包括白光发射、非接触测温及传感检测等。主持及参与完成课题20余项，在研课题2项。以第一作者出版专著1部，授权中国发明专利2项，发表论文50余篇。作为主持人先后完成教育部产学合作协同育人项目1项、省级教研课题1项，获得吉林省高校思政课“精彩教案 精彩课件”一等奖1项；现任长春理工大学化学与环境工程学院院长，吉林省化学专业教学指导委员会委员；吉林省专业学位研究生教育指导委员会委员；吉林省化学化工基础实验教学示范中心主任；吉林省光学材料与化学科技创新中心主任。吉林省化学会理事、副秘书长。吉林省兵工学会理事；中国稀土学会第七届稀土晶体专业委员会委员。曾到美国天普大学、特拉华州立大学和加拿大渥太华大学交流学习。

苏忠民 教授

长春理工大学

苏忠民，教授，博士生导师，吉林大学唐敖庆学者。教育部长江学者特聘教授，第六、七届国务院学位委员会化学学科评议组成员。教育部跨世纪优秀人才，教育部长江学者创新团队负责人，全国“五一劳动奖章”获得者。吉林大学唐敖庆学者，吉林省高级专家。现任吉林省光功能材料与化学国际联合研究中心主任。在量子化学和功能材料化学领域开展实验与理验研究工作，包括金属-氧簇(POM)和功能金属有机框架(MOF)材料的设计与合成、有机光电材料合成及其电子传输性质理论研究等。主持完成教育部长江学者创新团队项目、科技部“973计划”、“863计划”项目和国家自然科学基金重点项目等。近年，发表SCI论文220篇，包括Chem.Soc.Rev., Nat.Comm., J.Am.Chem.Soc., Angew.Chem.Int.Ed.等期刊论文，累计引用万余次。科睿唯安高被引学者，爱思唯尔高被引学者。授权中国发明专利30件。国家自然科学奖二等奖(第二)，吉林省自然科学奖一等奖(第一)。

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第一作者简介

王润楠 学生

长春理工大学

2021年9月至今，长春理工大学材料科学与工程学院在读博士，导师为孙晶教授，研究方向为镧系金属-有机框架发光材料的制备及其性能研究。

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