内蒙古大学胡明团队Sci China Chem：基于葫芦[6]脲的超分子组装体的合成、结构、重金属离子捕获及传感性能

大环化合物葫芦[n]脲 (CB[n]， n = 5 - 8,10,14)由亚甲基连接的糖脲单元组成，其南瓜形分子位于羰基带负静电电位的入口和中性疏水腔中。近年来，一些基于CB[n]外表面与其他物质的非共价相互作用已被应用于建立新的超分子有机框架。本文以氨基甲酸(H₂PA)为结构导向剂，制备了两种新型的具有CB[6]的三维(3D)超分子有机骨架CB[6]-PA和CB[6]-PA-Cd。CB[6]-PA对Cd²⁺和Hg²⁺有较高的吸附选择性。并且CB[6]-PA-Cd表现出强烈的荧光特性，可以通过荧光猝灭检测EA（丙烯酸乙酯）。

CB[6]-PA和CB[6]-PA-Cd的结构

单晶x射线分析表明，CB[6]-PA属于单斜晶系P2₁/n。粉末x射线衍射(PXRD)峰显示合成的CB[6]-PA的晶相纯度较高。CB[6]-PA的非对称单元包含一个H₂PA和半个CB[6]，如图1a所示。最后，通过H₂PA的萘核与CB[6]s的羰基之间的π…π相互作用以及H₂PA的萘核与CB[6]外凸表面的亚甲基之间的C-H…π相互作用，生成CB[6]-PA的三维超分子结构(图1b)。H₂PA的萘核与CB[6]的外表面相互作用形成了沿a轴和b轴方向的三维层(图1c, d)。

图1 (a) CB[6]-PA的不对称单元。(b) H₂PA与CB[6]之间的超分子相互作用。(c) a轴方向上CB[6]-PA的三维超分子结构。(d) b轴方向上CB[6]-PA的三维超分子结构。

单晶x射线衍射分析表明，CB[6]-PA-Cd属于正交体系Pmn2₁，Cd²⁺采用了扭曲的八面体构型，从而构成了一个四边形基元(图2a)。这些构建基元进一步通过HPA⁻与Cd²⁺配位连接，形成1D链结构，其中一个CB[6]分子位于四边形单元中。随后，CB[6]分子通过HPA ^-的萘核与CB[6]的羰基之间的π··π相互作用，以及HPA ^-的萘核与CB[6]凸起外表面的亚甲基之间的C-H··π相互作用，将这些一维链连接起来，形成三维超分子网络(图2b-d)。

图2 (a) CB[6]-PA-Cd的四边形构造。(b) c轴方向上CB[6]-PA-Cd的三维超分子结构。(c) HPA⁻与CB[6]之间的超分子相互作用。(d) b轴方向上CB[6]-PA-Cd的三维超分子结构。

CB[6]-PA对金属离子的选择性捕获和释放

考虑到超分子CB[6]-PA单元的结构特点，作者研究了CB[6]-PA对不同金属离子的捕获选择性。EDS实验结果表明，CB[6]-PA可以捕获一定量的Cd²⁺或Hg²⁺，更倾向于捕获Cd²⁺ (图3a)。显然，CB[6]-PA对金属离子捕获的选择性与金属离子的大小和超分子CB[6]-PA的特性有关。

采用0.1 M HCl水溶液去除CB[6]-PA中的Cd²⁺或Hg²⁺。结果表明，超分子有机骨架CB[6]-PA在HCl溶液的作用下坍塌，将上述溶液进行UV-vis测试，发现有明显的Cd²⁺或Hg²⁺对应的吸收峰，说明这些离子在酸性条件下被成功释放。因此，CB[6]和H₂PA可以在捕获金属离子后回收（方案1）。

方案1 CB[6]-PA选择性捕获和释放Hg²⁺和Cd²⁺的示意图。

如图3a、b所示，Cd@CB[6]-PA和Hg@CB[6]-PA在捕获Cd²⁺或Hg²⁺后，在5°2θ处出现了新的峰，在Cd²⁺或Hg²⁺存在的情况下，使用其他金属盐作为干扰物质进行PXRD测试，发现CB[6]-PA仍然具有出色的选择性捕获Cd²⁺或Hg²⁺的性能。此外，还分析了CB[6]-PA、Cd@CB[6]-PA和Hg@CB[6]PA的zeta电位。结果表明，这些配合物均带负电荷（图3c， d）。

图3（a, b） CB[6]-PA捕获金属离子前后的PXRD图谱。(c, d) CB[6]-PA捕获金属离子前后的Zeta电位。

作者探究了CB[6]-PA对Cd²⁺和Hg²⁺的捕获机制。傅里叶变换红外(FT-IR)光谱表明，在Cd²⁺或Hg2+存在下出现了吸收峰的变化(图4a)，并采用PXRD对Cd@CB[6]-PA或Hg@CB[6]-PA样品进行测试，表明形成了新的化合物(图3a, b)，对这两种样品进行x射线光电子能谱(XPS)分析，结果(图4b)表明出现了新的峰 (图4c)。与Cd@CB[6]-PA和Hg@CB[6]-PA相比，CB[6]-PA中O原子的2p峰从532.02 eV移动到532.16 eV(图4d)。从图3c、d可以看出，与CB[6]-PA的zeta电位值(- 18.60 mV)相比，Cd@ CB[6]-PA和Hg@CB[6]-PA的zeta电位值的负值较小，Cd@CB[6]-PA和Hg@CB[6]-PA的zeta电位值与CB[6]-PA- Cd的zeta电位值接近。这些结果表明CB[6]-PA成功捕获了Cd²⁺和Hg²⁺。

图4 (a) CB[6]-PA捕获Cd²⁺和Hg²⁺前后的FT-IR光谱。(b) CB[6]-PA、Cd@CB[6]-PA和Hg@CB[6]-PA的XPS光谱。(c) Hg@CB[6]-PA的放大XPS谱显示Hg 4f峰。(d) CB[6]-PA和Hg@CB[6]-PA的放大XPS谱显示O 2p峰。

CB[6]-PA和CB[6]-PA- Cd的发光行为和结构稳定性

H₂PA配体在479 nm处有一个发射峰(λex = 345 nm)，主要对应于H₂PA配体的π*→π和π*→n跃迁。在330 nm激发时，CB[6]-PA在520 nm处出现一个发射峰，这也对应了H₂PA配体的特征跃迁。CB[6]-PA-Cd在350 nm处激发后，在536 nm处出现一个强烈的发射峰，这与H₂PA配体的跃迁相似(图5a)。因此，CB[6]-PA-Cd的发射可归因于发光的H₂PA配体。此外，CIE色谱图表明颜色从青色过渡到黄色(图5b)。

测试了CB[6]-PA和CB[6]-PA- Cd在不同pH溶液中的稳定性。结果表明，CB[6]-PA和CB[6]-PA-Cd在pH范围为3-14和2-14的水溶液中，荧光强度保持不变（图5c）。测定了CB[6]-PA和CB[6]-PA-Cd在相应pH范围内的PXRD谱图，发现几乎没有变化(图5d)，表明其超分子结构保持不变。也就是说，CB[6]-PA和CB[6]-PA-Cd框架在水溶液中具有较强的稳定性，并且在较宽的pH范围内保持稳定的发光性能。加热至100℃以上后，测定了CB[6]-PA和CB[6]-PA-Cd的PXRD谱图。以上结果表明，CB[6]-PA框架和CB[6]-PA-Cd框架分别在150°C和340°C前是稳定的。

图5 (a) CB[6]-PA-Cd的固态激发和发射光谱。(b) CB[6]-PA-Cd的CIE色度图。(c) CB[6]-PA-Cd在不同pH值下的荧光强度。(d)不同pH值下CB[6]-PA-Cd的PXRD谱图。

EA（丙烯酸乙酯）的荧光检测

为了模拟人体环境，作者选择了人体尿液中存在的一系列氨基酸、无机离子和生物分子作为传感系统，其中EA对CB[6]-PA-Cd的荧光猝灭作用最强（图6a）。为了证明荧光探针的选择性，作者进行了抗干扰实验(图6b)，结果表明CB[6]-PA-Cd仍然表现出出色的抗干扰能力，可以选择性地识别和检测EA。为了更好地了解CB[6]-PA-Cd对EA检测的敏感性，将EA溶液逐渐加入到均匀分散的CB[6]-PA-Cd悬浮液中。随着EA溶液浓度的增加，CB[6]-PA-Cd在536 nm处的发射峰强度逐渐降低(图6c)。利用Stern-Volmer方程，线性拟合曲线显示R²为0.98,Ksv（猝灭常数）为3.23 × 10⁴ M⁻¹(图6d)。

图6  (a) CB[6]-PA-Cd对不同尿液成分的荧光响应。(b)不同尿液成分存在时，CB[6]-PA-Cd对EA的荧光响应。(c)加入不同浓度EA后，CB[6]-PA-Cd的荧光滴定光谱。(d) CB[6]-PA-Cd对EA响应的Stern-Volmer图。

研究了CB[6]-PA-Cd对EA荧光响应的潜在机制。作者设想嵌入在CB[6]-PA-Cd框架中的CB[6]基团的空腔可能可以解释传感过程。首先，将CB[6]-PA-Cd粉末浸泡在EA水溶液中，进行FT-IR和PXRD测试(图7a、b)，结果表明CB[6]-PA-Cd的猝灭作用不是由于CB[6]-PA-Cd骨架崩塌引起的。其次，测定了EA的紫外可见吸收峰（图7c），说明两者之间存在对激发辐射的竞争能量吸收，从而使CB[6]-PA-Cd的发光被猝灭。第三，利用密度泛函数理论(DFT)进行计算，结果表明不存在导致荧光猝灭的光致电子转移(PET)过程。第四，通过¹H NMR分析考察了EA与CB[6]的相互作用以及超分子组装体（EA@CB[6]）的结构。如图7e所示，与CB[6]和EA相比，EA@CB[6]的带隙最低，超分子组装中的负结合能显示出EA@CB[6]的稳定性，表明CB[6]可能与EA相互作用形成主客体复合物，在识别过程中对EA有富集作用(图7f)。第五，CB[6]-PA-Cd与EA的zeta电位相反，说明它们在静电作用下容易相互吸引（图7g），从而有利于对EA的识别响应。最后，CB[6]-PA-Cd在EA水溶液中浸泡后的荧光寿命从5.77 ns降低到3.88 ns（图7h），说明EA的荧光猝灭是动态过程所致。总之，CB[6]-PA-Cd响应EA的猝灭是动态过程、静电相互作用、能量吸收竞争和主客体相互作用的协同效应。随后，作者评估了CB[6]-PA-Cd在真实血清样品中检测EA的能力，结果表明，CB[6]-PA-Cd在实际血清样品中检测EA具有显著的潜力。

图7 (a) CB[6]-PA-Cd识别EA后的FT-IR光谱。(b) CB[6]-PA-Cd识别EA后的PXRD谱图。(c) CB[6]-PA-Cd的激发光谱和尿液成分的紫外可见光谱。(d) H₂PA和EA的LUMO和HOMO能量。(e) EA@CB[6]的LUMO和HOMO能量。(f) EA与CB的相互作用模式。(g) CB[6]-PA-Cd、EA和EA@CB[6]-PA-Cd的Zeta电位。(h) EA浸泡后CB[6]-PA-Cd的荧光寿命。

CB[6]-PA和CB[6]-PA- Cd的生物相容性

通过细胞毒性试验评估探针的生物安全性。采用MTT法测定，长时间暴露于50 μg mL⁻¹的CB[6]-PA或CB[6]-PA-Cd 24小时后，Bend3细胞的存活率在95%以上（图8a-d）。结果表明，CB [6]-PA-Cd表现出优异的细胞相容性，使其有可能作为细胞内递送载体。如图8b-e所示，CB[6]-PA和CB[6]-PA- Cd的溶血率分别为3.2%±0.5%，具有良好的血液相容性。随后，通过共孵育2 h，共聚焦荧光显微镜成像，评估Bend3活细胞对50 μg mL⁻¹的CB[6]-PA和CB[6]-PA-Cd的摄取。用CB[6]-PA-Cd处理Bend3活细胞，在λex = 488 nm激发下观察到核绿染料荧光信号（图8c-f）。这些结果表明，CB[6]-PA-Cd作为一种有效的荧光探针具有可忽略不计的细胞毒性、良好的细胞相容性和良好的血液相容性。

图8（a, d） 0、10、30和50 μg mL⁻¹ CB[6]-PA或CB[6]-PA- Cd孵育24小时后Bend3细胞的细胞活力。（b, e） CB[6]-PA或CB[6]-PA-Cd的溶血率。（c, f）用50 μg mL⁻¹ CB[6]-PA或CB[6]-PA-Cd孵育2小时的活Bend3细胞共聚焦图像。

CB[6]-PA-Cd的实际应用

作者进一步开发了CB[6]-PA-Cd复合膜，方便了EA的检测。如图9a所示，将不同浓度的EA加入到CB[6]-PA-Cd浸泡的荧光膜中。在365 nm紫外灯下，随着EA溶液量的逐渐增加，条带的颜色由黄色变为白色。当向CB[6]-PA-Cd薄膜中加入不同浓度的EA时，荧光颜色随着EA浓度的增加而改变。智能手机设备可以捕捉到这些薄膜的荧光发射照片，相应的RGB值可以很容易地通过商业应用程序读取（图9c）。(R/(G+B))值与EA浓度在1 × 10⁻⁷ ~ 5 × 10⁻³ M的浓度范围内呈线性关系，可以确定未知样品的EA浓度(图9d-e)。另外，将CB[6]-PA-Cd粉末涂覆在蓝色发光二极管(LED)灯泡上(图9b)，得到的LED灯泡可以发出黄光。这些实验证明了CB[6]-PA-Cd可以作为一种智能发光材料用于各种应用。

图9 (a)在365 nm紫外光照射下，不同EA浓度的CB[6]-PA-Cd测试膜照片。(b)原始365 nm蓝色LED灯(左)和其CB[6]-PA - Cd涂层对应灯(右)在打开时的照片。（c, d）颜色变化（R/(G+B)）与EA浓度呈线性关系；(e)使用智能手机设备检测EA的示意图。

总之，作者展示了在H₂PA作为结构导向剂存在的情况下构建基于CB[6]的多维超分子材料的策略，创建基于CB[6]-PA的新型超分子组件。特别是CB[6]-PA对Cd²⁺和Hg²⁺的捕获具有高选择性，并能够进行可逆的捕获和释放，是一种具有潜在应用价值的吸附材料。EA能有效猝灭CB[6]-PA-Cd的荧光，CB[6]-PA-Cd具有良好的抗干扰能力，回收率为95% ~ 97%，对真实血清样品的EA具有识别能力。CB[6]-PA-Cd探针也可用于细胞成像，具有出色的成像能力和与细胞的生物相容性。本研究为制备高分辨率、可靠的基于葫芦脲的发光材料提供了新的思路。

Title：Cucurbit[6]uril-based supramolecular assembly: its syntheses, structures, capture of heavy metal ions, and sensing properties

Authors: Yefang Yang, Dechao Li, ShaoWen Qie, Shuai Su, Ruijie Xu, Wenting Li,

Wenping Hu & Ming Hu*

To be cited as: Sci China Chem, 2024, 67.

DOI: 10.1007/s11426-024-2235-6