基于柔性多羧酸配体的MOFs晶态材料的合成、结构及荧光传感性能研究

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金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是由金属离子和有机构筑单元通过自组装过程形成的一类配位聚合物,具有高比表面积和永久孔隙率、结构和性能可调控等特点。其中,LMOFs(Luminescent metal-organic frameworks),即发光金属有机框架材料可以作为荧光探针或荧光传感材料用于离子、有机物、生物大分子等物质的检测,具有简单、快捷、高灵敏度高选择性的特点,在荧光化学和生物传感领域中有广阔的应用前景。本论文利用含醚氧基多羧酸配体与d10电子构型的金属离子Zn2+、Cd2+以及不同含氮配体反应,得到了8个结构新颖的配合物,荧光传感性能研究表明,对金属离子、抗生素等物质具有多重荧光响应。本论文的主要工作包括以下三个部分:1.基于柔性四羧酸1,3-二(3,5-二羧基苯甲氧基)苯(H4L1)得到三个Zn-MOFs:{[Zn(L1)0.5(bpea)]?0.5DMF}n(1)、{[Zn(L1)0.5(ipt)]?H2O·DMF}n(2)、[Zn2(L1)(5,5’-dmbpy)2(H2O)(DMF)]n(3),深入研究了对有机溶剂、离子以及抗生素的荧光传感性质。配合物1和2具有相似的二重穿插的三维层柱状结构,分别由含氮配体1,2-二吡啶基乙烷(bpea)和3-(4’-咪唑苯)-5-(吡啶-4’’-基)-1,2,4-三唑(ipt)作为柱子连接羧酸与Zn2+形成的二维层得到;配合物3由羧酸连接Zn2+形成一维链状结构。由于醚氧原子的存在,且配体具有三种不同的配位模式,羧酸配体中芳环形成范围在34.65°到78.14°的不同的二面角。三个配合物在水溶液中具有较高的稳定性,荧光分析发现:(1)配合物1和2在Fe3+、Cr O42-、Cr2O72-、呋喃西林(NFZ)的水溶液中产生荧光猝灭,检测限在0.35-3.78μM范围,且配合物具有良好的抗干扰性和可循环性,有望作为水中Fe3+、Cr O42-、Cr2O72-、NFZ的传感器;(2)配合物3在Co2+、Ni2+、C2O42-的水溶液中荧光猝灭,检测限在0.10-4.36μM范围。荧光猝灭机理分析表明,配合物在Fe3+、Cr O42-、Cr2O72-溶液中的荧光猝灭主要来源于骨架结构与目标分析物之间弱相互作用和激发光内滤效应的共同影响,在Co2+、Ni2+溶液中的荧光猝灭主要来源于框架结构的变化2.基于柔性四羧酸1,3-二(3,5-二羧基苯甲氧基)苯(H4L1)得到三个Cd-MOFs:{[Cd2(L1)(bpp)(H2O)2]?H2O?DMF}n(4)、[Cd2(L1)(5,5’-dmbpy)2(H2O)(DMF)]n(5)、{[Cd2(L1)]?H2O·2DMF}n(6)。配合物4中L14-配体与Cd2+连接形成二维层状结构,层间通过1,3-二吡啶基丙烷(bpp)配体倾斜连接形成三维网状结构。配合物5与配合物3同构,由羧酸连接Cd2+形成一维链状结构。配合物6中六配位的Cd12+与Cd22+通过L14-配体连接形成三维网状结构。三个配合物中,L14-配体两端芳环的二面角分别为65.68°、80.23°和79.62°。荧光分析结果表明:(1)配合物4在有机溶剂四氢呋喃THF中有显著的荧光增强,在NFZ水溶液中荧光猝灭(检测限为0.85μM);(2)配合物5除了在Co2+、Ni2+水溶液中荧光猝灭,在Zn2+的水溶液中荧光增强(检测限为0.21-0.27μM),在硝基咪唑类抗生素:甲硝唑(MDZ)、奥硝唑(ODZ)、洛硝哒唑(RDZ)水溶液中荧光均猝灭,检测限在1.18-1.46μM范围;(3)配合物6在Cr3+、Pb2+水溶液中猝灭(检测限分别为1.36μM、0.71μM)。荧光猝灭机理分析表明,配合物5在Co2+、Ni2+溶液中的猝灭可能来源于配合物结构的改变,在抗生素溶液中的猝灭可能来源于激发光内滤效应的影响;配合物6的猝灭来源于框架中的O与Cr3+、Pb2+间存在弱的相互作用。3.基于柔性三羧酸3,5-二[(二羧基苯基)氧基]苯甲酸(H3L2)得到两个Cd-MOFs:{[Cd3(L2)2(bpea)3(H2O)4]?2H2O·4DMF}n(7)、[Cd3(L2)2(4,4’-bpy)]n(8)。两个化合物可通过荧光猝灭在水溶液中检测Fe3+、Cr O42-、Cr2O72-,检测限范围:配合物7在0.21-0.44μM,配合物8在0.90-1.31μM。特别的是,配合物8在Pb2+的水溶液中也发生荧光猝灭(检测限为1.43μM)。在体系中加入还原性物质维生素C,可有效区分Fe3+和Cr2O72-。抗干扰实验、循环性测试、交叉实验、紫外光谱、还原实验以及时间响应性测试结果表明,两个配合物都具有良好的选择性、可循环性和较高灵敏度。我们还探究了两个配合物的实际应用性能,采用标准加入法验证了它们在自来水中的检测能力,获得了范围在96.3-103.4%的较高回收率,表明配合物7和8有望用于实际样品中Fe3+、Cr O42-、Cr2O72-、Pb2+的检测。Fe3+、Cr O42-、Cr2O72-的猝灭可能来源于激发光内滤效应和弱相互作用的共同影响,而Pb2+的猝灭可能来源于Pb2+与O之间弱的相互作用。通过对以上8个具有新颖结构的LMOFs的结构分析和荧光性质测试,我们发现构筑单元、结构、传感介质对配合物的传感行为都有影响。作为路易斯酸活性位点引入的氧原子与发光内滤效应共同影响传感过程。因此,配体的官能团和柔性结构对调控配合物的结构、发光性能以及检测能力至关重要。
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