一种锌金属有机骨架(Zn-MOF)材料的荧光光谱法在食品Fe3+检测中的应用

刘 钊,马德运,孙志会

(肇庆学院食品与制药工程学院,广东 肇庆 526061)

摘 要:以2,5-呋喃二甲酸和六水硝酸锌为原料,N,N-二甲基甲酰胺为溶剂合成一种锌金属有机骨架材料[(Me2NH2)2Zn3(fdc)4]n·DMA(Zn-MOF)。用荧光光谱法对该材料的荧光特性进行研究,发现该材料在波长379 nm和398 nm处有很强的荧光发射峰。考察食品中可能存在的16 种不同金属离子对该材料荧光强度的影响,研究表明,Fe3+能选择性地令该材料产生荧光淬灭现象。此外,考察Fe3+浓度、浸泡时间和2 种混合金属离子(Fe3+-M+/2+/3+)对荧光淬灭敏感度的影响。结果表明,锌金属有机骨架材料对Fe3+具有高度选择性传感功能,可作为荧光探针应用到食品Fe3+的检测中,并可以高效地检测出Fe3+

关键词:锌金属有机骨架(Zn-MOF)材料;荧光光谱法;Fe3+;选择性传感

铁元素是构成人体不可缺少的元素之一,它是构成血红蛋白以及肌红蛋白的主要成分[1],可以帮助氧的运输,还能促进脂肪的氧化[2]。当人体过多摄入或缺乏铁时,会对人体的健康造成威胁,只有适量摄入铁才会利于人体的健康。铁都是以化合物的形式存在于各种食品中,人体需要的铁主要来源于食物。食品中是否含铁、铁的含量高低是人们常关注的问题。铁不仅对人体重要,对动植物同样至关重要,铁摄入不足将影响其生长发育,摄入过量将会引起中毒甚至死亡。因此,研究检测食品中的铁,辨别食品中是否含铁将具有一定的重要意义。

目前,有关铁的测定方法主要有乙二胺四乙酸滴定法、火焰原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、分光光度法等[3]。研究新材料用于食品中Fe3+检测的报道并不多,苏圆[4]研究的金属纳米材料可以检测Fe3+的含量,此方法具有快速检测的功能,但纳米材料的获得相对比较复杂且成本高。本实验研究的锌金属有机骨架(zinc-based metalorgaic framework,Zn-MOF)材料是一种新型材料的应用,也具有快速方便检测的功能,可以高效地检测出Fe3+,对Fe3+的定性起到促进作用。该材料合成方法及途径[5-9]较为简单,材料成本低。MOF材料是近十年出现的新型多孔物质[10-11],是一个全新的物质领域,由一种金属离子和有机配体通过分子自组装而形成的一种具有周期性网络构造的晶体材料[12]。该材料具有荧光性质、吸附性、磁性、导电性等[13-16],拥有多方面的优点和用途,因而可以被应用于很多行业与领域[17-18]。MOF材料在能源、荧光传感[19-20]、多相催化[21-23]、生物医药[24-25]、食品检测等领域都展现出了广阔的应用前景。本实验采用荧光光谱法对新合成的材料进行探讨,探讨不同金属离子对Zn-MOF材料的选择敏感性,研究Fe3+对Zn-MOF材料的选择性传感功能。利用这一特点把材料作为Fe3+的荧光探针,可以快速、便捷、成本低地完成食品中Fe3+的定性检测,为进一步研究精确检测食品中Fe3+含量提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

安满智孕宝奶粉 新西兰恒天然集团;黑木耳、猪肝、紫菜 市购。

N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethyl-formamide,DMF)(分析纯) 天津市广成化学试剂有限公司;2,5-呋喃二甲酸(分析纯) 济南恒化科技有限公司;六水硝酸锌(分析纯)、硫酸铁铵(纯度99.99%)上海阿拉丁生化科技股份有限公司;硝酸(优级纯)广州化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

F-7000荧光分光光度计 日立高新技术公司;D8 Advance X射线衍射仪 德国布鲁克AXS有限公司;AA-7000原子吸收分光光度计 日本津岛公司;D-GG9030BD型电热恒温鼓风干燥 上海森信实验仪器有限公司;TM-505电子显微镜 汉江万仪电子仪器有限公司;SXZ-5-12马弗炉 上海贺德实验设备厂。

1.3 方法

1.3.1 Zn-MOF材料的合成

参考Wang Jun等[26]MOF材料合成的方法。以2,5-呋喃二甲酸和六水硝酸锌为原料,DMF为溶剂合成一种Zn-MOF材料([(Me2NH2)2Zn3(fdc)4]n·DMA)。

1.3.2 Zn-MOF材料的荧光性能测试

取新合成好的Zn-MOF材料,研磨成粉末,称取10 mg,装入5 mL离心管中。量取2 mL DMF溶液,缓缓注入装有Zn-MOF材料的5 mL离心管中,摇匀,静置10 min,用荧光分光光度计进行荧光光谱测试[27-29]

1.3.3 Fe3+对Zn-MOF材料选择稳定性测定

利用粉末X-射线衍射仪进行检测[30]。取食品中可能存在的16 种金属离子(Cd2+、Cu2+、Cu+、Ag+、Bi3+、Pb2+、Sn2+、Ni2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Cr3+)分别与Zn-MOF材料进行等浓度(0.012 3 mol/L)混合,加入2 mL DMF溶液,摇匀,在DMF中浸泡24 h后抽滤、烘干,进行扫描。扫描条件为CuKα射线,管电压40 kV,管电流40 mA,2θ以0.02°的步长从5°扫描到50°。

1.3.4 Fe3+对Zn-MOF材料选择性传感性测定

Zn-MOF材料对16 种金属离子的荧光辨别能力,在与其相对应的溶剂中进行荧光测试。称取等浓度(0.012 3 mol/L)Zn-MOF材料分别与16 种金属离子(Cd2+、Cu2+、Cu+、Ag+、Bi3+、Pb2+、Sn2+、Ni2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Cr3+)混合,加入2 mL DMF于5 mL离心管中,摇匀,静置10 min,进行荧光光谱扫描。

1.3.5 Fe3+浓度对Zn-MOF材料荧光强度的影响

进一步研究Zn-MOF材料对于Fe3+的淬灭能力,对其在不同Fe3+浓度[31]DMF溶液条件下的荧光光谱进行检测。称取该材料4 份,每份10 mg,分别装于离心管中,用DMF配制浓度分别为10-2、10-3、10-4mol/L的Fe3+混悬液,将不同浓度的Fe3+混悬液分别加入到离心管中,其中一组不加Fe3+,为空白组。混合均匀,取配制好的混悬液2 mL加入离心管中,摇匀,静置10 min,进行荧光光谱检测。

1.3.6 Fe3+与Zn-MOF材料浸泡时间对材料荧光强度的影响

Fe3+与Zn-MOF材料在溶剂中浸泡时间不同,检测荧光光谱,其强度会发生变化[32]。取一支装有10 mg Zn-MOF材料的离心管,分别加入等浓度的Fe3+,再加入2 mL与其相对应的DMF,摇匀,静置10 min,根据不同时间进行荧光光谱检测。

1.3.7 混合金属离子对Zn-MOF材料荧光强度的影响

验证Fe3+在其他离子存在时,Zn-MOF材料对Fe3+是否具有识别作用,测定相同条件下共存离子的竞争性实验[33]。称取Zn-MOF材料16 份,每份10 mg,加入等浓度的Fe3+。再分别称取等浓度(0.0123 mol/L)的金属离子M+/2+/3+(Cd2+、Cu2+、Cu+、Ag+、Bi3+、Pb2+、Sn2+、Ni2+、Fe2+、Mn2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Cr3+),加入2 mL有机溶剂,摇匀,静置10 min,进行荧光检测。

1.3.8 含Fe3+的食品对Zn-MOF材料的荧光光谱检测

验证黑木耳、安满智孕宝奶粉、猪肝、紫菜4 种含Fe3+食品对荧光强度的影响。先根据GB 5009.90—2016《食品中铁的测定》中的火焰原子吸收光谱法测定各食品Fe3+的含量。分别称取5 g样品置于坩埚中,先加热炭化至无烟,再置于550 ℃的马弗炉中灰化5 h,用适量硝酸溶液溶解洗涤转移至10 mL容量瓶定容后为样品液,待用。分别取一支装有10 mg Zn-MOF材料的离心管,加入1 mL样品液,再加入2 mL的DMF,摇匀,静置10 min,同时做空白,进行荧光光谱检测。

1.4 数据处理

Zn-MOF材料的三维结构图根据X-射线单晶衍射结果采用Daimond 3.0软件进行绘制;荧光相关测试图根据荧光光谱仪测试数据导出txt文档后采用Origin 9.1软件进行绘制;X-射线粉末衍射谱图基于数据采用Origin 9.1软件进行绘制。

2 结果与分析

2.1 Zn-MOF材料的合成结果

新材料为呈淡黄色不规则石头状透明晶体,X射线衍射表征谱图可知,沿a轴和b轴具有6.17×7.85 Å2和10.07×7.76 Å2的孔径大小。其三维结构图如图1所示。

图1 合成Zn-MOF材料的三维结构图
Fig. 1 Three-dimensional structure of the new synthetic metal organic framework

2.2 Zn-MOF材料的荧光性能测试结果

图2 荧光性能测试
Fig. 2 Emission and excitation fluorescence spectra

如图2所示,激发波长为340 nm,Zn-MOF材料在379 nm和398 nm波长处有2 个发射峰。在379 nm波长处的荧光发射可以理解为金属到配体的电荷跃迁引起,在398 nm波长处的荧光发射峰较宽,可以理解为配体内部的电荷跃迁引起。通过荧光光谱测试说明Zn-MOF材料具有荧光性质。

2.3 Fe3+对Zn-MOF材料选择稳定性测定结果

图3 Zn-MOF材料与M+/2+/3+在DMF中浸泡后的X-射线衍射谱图
Fig. 3 XRD patterns of Zn-MOF material and M+/2+/3+in DMF

如图3所示,衍射图谱中空白组的峰位置和峰形均与通过单晶衍射数据模拟得到的结果恰好吻合,表明该Zn-MOF材料为纯净的单相。当该Zn-MOF材料加入Fe3+及其他金属离子时,经有机溶剂处理后材料的特征峰位置与空白组的特征峰位置基本吻合,并且特征峰仍基本保持完整,说明经过Fe3+及其他金属离子、有机溶剂处理后的材料仍具有稳定的结构。

2.4 Fe3+对Zn-MOF材料选择传感性测定结果

图4 选择性荧光图谱
Fig. 4 Selective fluorescence profiles

由图4可以看出,峰的形状没有变化,金属离子的加入只会影响Zn-MOF材料荧光谱图中峰的高度。结果表明,在同种溶剂对不同金属离子显现出差异性的荧光影响,与空白图谱相比,有3 组图谱峰的强度增强,部分金属离子出现了与空白谱图特征峰几乎一样的高度,大部分会出现抑制现象。该材料与Fe3+接触后,荧光强度有明显减弱,并且Fe3+的作用尤其明显,荧光强度几乎接近于零,即Fe3+引起了Zn-MOF材料荧光强度的淬灭现象。引起淬灭的机理为Zn-MOF材料与Fe3+接触之前,荧光体激发态能量足以氧化受体,发生由受体到荧光体的电子转移,当Fe3+与Zn-MOF结合,此时体系的荧光淬灭。从而可以看出Fe3+的加入影响了峰的高度,但是没有影响峰的形状,说明Zn-MOF材料的结构没有被破坏,且稳定,受Fe3+的影响较明显,Zn-MOF材料对Fe3+具有选择性传感。

2.5 Fe3+浓度对Zn-MOF材料荧光强度的影响

图5 不同浓度Fe3+与Zn-MOF材料接触的荧光图谱
Fig. 5 Fluorescence spectra of Zn-MOF exposed to different Fe3+concentrations

由图5可知,随着Fe3+浓度的增加,对Zn-MOF材料荧光强度的抑制作用越来越强,在Fe3+浓度达到10-2mol/L时,荧光强度接近于零,Zn-MOF材料的荧光基本完全被淬灭,在Fe3+浓度达到10-4mol/L时,荧光强度几乎和空白组的荧光强度一致,被淬灭的不明显。通过实验验证了Zn-MOF材料对不同Fe3+浓度的响应能力,Zn-MOF材料的荧光强度与DMF中Fe3+含量具有明显的依赖关系。随着Fe3+浓度的增加,Zn-MOF材料的发光强度呈下降趋势,为了明显看出Zn-MOF材料的荧光淬灭效果,可将Fe3+浓度配制为10-2mol/L为宜。

2.6 Fe3+与Zn-MOF材料浸泡时间对材料荧光强度的影响

图6 浸泡时间对材料荧光强度的影响
Fig. 6 Effect of soaking time of fluorescence properties of Zn-MOF

如图6所示,Fe3+在5 min时与Zn-MOF材料的反应时间不够充分检测的荧光强度较强,在10 min至4 h内检测的荧光强度变化不明显淬灭效果比较稳定,在4 h处荧光强度最弱,淬灭效果最好,随着时间的延长,4 h后荧光淬灭开始减弱,荧光强度开始增强。在第72小时,Fe3+荧光强度很强,淬灭程度很低,由于该材料与Fe3+浸泡时间过长,发光集团失效,导致出现淬灭程度不明显的现象。

2.7 混合金属离子对Zn-MOF材料荧光强度的影响

图7 Zn-MOF材料对Fe3+的选择性
Fig. 7 Selectivity of Zn-MOF for Fe3+

如图7所示,尽管有其他干扰离子的存在,Fe3+的加入依旧可以有效淬灭其荧光,其荧光强度的变化反映出Zn-MOF材料对Fe3+显示特有的识别选择性,加入的金属离子不会影响到Fe3+的检测。使用荧光探针法检测Fe3+时,Zn-MOF材料检验是不受其他干扰离子的影响,显示出Zn-MOF材料对Fe3+特有的荧光淬灭作用。

2.8 含Fe3+的食品对Zn-MOF材料的荧光光谱检测结果

表1 国标法检测样品中的Fe3+含量
Table 1 Determination of Fe3+in food samples by the national standard method

样品 5 g样品中Fe3+质量/mg 10 mL样品中Fe3+浓度/(mol/L)黑木耳 4.84 8.64×10-3猪肝 1.09 1.95×10-3紫菜 2.71 4.84×10-3安满智孕宝奶粉 1.03 1.84×10-3

图8 荧光光谱检测图
Fig. 8 Fluorescence spectra for food samples

由表1可知,4 种样品采用国标法检测,Fe3+的含量依次为黑木耳>紫菜>猪肝>安满智孕宝奶粉,且样品配制的浓度在10-3mol/L的微量浓度内。如图8所示,荧光光谱检测表明,经Zn-MOF材料处理后的样品发生淬灭,而且淬灭明显,食品中Fe3+的含量越大淬灭效果越明显,黑木耳淬灭的程度最大,紫菜其次,二者几乎重叠且荧光强度向零接近。猪肝和安满奶粉相对较弱但与空白相比仍有较好的淬灭效果。因此,经Zn-MOF材料处理的食品用荧光光谱法可以便捷、灵敏地检测出食品中的Fe3+

3 结 论

锌离子属于具有荧光特性的d10电子组态,通过与有机羧酸配体形成配合物后的材料由于存在配体至金属电荷转移现象而具有荧光特性,可应用于光致发光材料、荧光探针材料等领域。本实验以已报道的基于2,5-呋喃二甲酸和锌离子在DMF溶剂中合成的Zn-MOF材料,材料具有很好的热稳定性(稳定到400 ℃)和水溶液稳定性。荧光光谱结果显示,在波长340 nm激发条件下,该材料在379 nm和398 nm波长处有2 个很强的发射峰,实验结果显示,材料对Fe3+具有选择性传感,即Fe3+能令材料的荧光强度淬灭,相比之下,其他金属离子对该材料的荧光强度影响不明显。分别考察Fe3+浓度、Fe3+与Zn-MOF材料浸泡时间以及混合金属离子对材料荧光强度的影响,结果显示,材料对Fe3+具有较高的灵敏度和选择性。考察该材料用于食品Fe3+的检测,结果表明,用Zn-MOF材料处理过的食品通过荧光光谱法可以便捷、灵敏地检测出食品中的Fe3+。因此,该Zn-MOF材料可以作为荧光探针为进一步研究精确测定Fe3+的含量提供参考。

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Determination of Fe3+in Foods by Fluorescence Spectroscopy Using a Zinc-Based Metal-Organic Framework Material

LIU Zhao, MA Deyun, SUN Zhihui
(School of Food and Pharmaceutical Engineering, Zhaoqing University, Zhaoqing 526061, China)

Abstract:In this paper, a zinc-based metal organic framework, [(Me2NH2)2Zn3(fdc)4]n·DMA (Zn-MOF), was prepared from 2,5-furandicarboxylic acid and Zn(NO3)2·6H2O in N,N-dimethylformamide (DMF) under solvothermal condition. Fluorescence spectroscopic analysis revealed that the material showed emission maxima at 379 and 398 nm. The effects of 16 metal ions often coexisting in foods on the fluorescence intensity of the material were explored. The results indicated that Fe3+could selectively quench the fluorescence of the material. In addition, the effects of Fe3+concentration, soaking time and metal ion mixtures(Fe3+-M+/2+/3+) on the sensitivity of fluorescence quenching were also investigated. Our results showed that Zn-MOF exhibited high selectivity for Fe3+. Thus, this Zinc-based metal-organic framework material could be used as a fluorescent probe for the determination of Fe3+in foods.

Keywords:zinc-based metal-organic framework (Zn-MOF); fluorescence spectroscopy; Fe3+; selective sensing

LIU Zhao, MA Deyun, SUN Zhihui. Determination of Fe3+in foods by fluorescence spectroscopy using a zinc-based metalorganic framework material[J]. Food Science, 2018, 39(24): 327-331. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201824049. http://www.spkx.net.cn

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引文格式:

文章编号:1002-6630(2018)24-0327-05

文献标志码:A

中图分类号:TQ57;TS207.3

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201824049

第一作者简介:刘钊(1984—),男,实验师,硕士,主要从事食品工程研究。E-mail:670917499@qq.com

收稿日期:2017-10-16