本网讯 近日，江西理工大学化学化工学院（功能晶态材料化学江西省重点实验室）刘遂军教授和温和瑞教授课题组的研究论文“A Stable Zn(II) Metal-Organic Framework as Turn-On and Blue-Shift Fluorescence Sensor for Amino Acids and Dipicolinic Acid in Living Cells or Using Aerosol Jet Printing”在无机化学领域权威期刊《Inorganic Chemistry》（SCI二区Top期刊，影响因子4.3）公开发表，论文第一作者为2023级博士研究生黄静和2021级硕士研究生王津津，通讯作者为江西理工大学郑腾飞博士和刘遂军教授。
氨基酸作为蛋白质与酶的基础构成要素，在维系人体健康方面扮演着至关重要的角色。无论是评估蛋白质的营养价值，还是助力疾病的早期诊断，特定氨基酸的精准分析与检测都不可或缺。其中，L-组氨酸（L-histidine）和L-苏氨酸（L-threonine）作为人体无法自行合成且必须从外界摄取的必需氨基酸，其在体内含量一旦偏离正常水平，往往预示着各类潜在疾病的滋生。与此同时，吡啶二羧酸（dipicolinic acid）作为炭疽杆菌芽孢所特有的关键生物标识物，不仅对众多动植物的生存构成严重威胁，更是在生物恐怖袭击场景下，具有极高致死风险的“隐形杀手”。鉴于此，实现对L-Thr、L-His以及DPA的快速、精准且高灵敏度检测，对于实时监测人体健康、保障药品质量安全具有重要意义。
发光金属有机框架（Luminescent metal-organic frameworks，简称LMOFs），作为金属有机框架（MOFs）的分支，具有可精细调控的比表面积，可修饰的孔隙结构等特征，这为其功能拓展提供了可能。作为一类前沿的荧光探针，LMOFs具有高灵敏度、高选择性以及广泛应用等优势，为检测各类生物标志物提供了一种理想的工具。尽管基于氨基酸检测的荧光传感器已有研究，但到目前为止，能够检测苏氨酸的基于LMOF的荧光传感器尚未见报道。因此，设计合成能够识别苏氨酸的基于LMOF的荧光传感器已然成为一项极具开拓价值与迫切需求的重要任务。
我院刘遂军教授和温和瑞教授课题组设计合成了一种新型三维Zn-MOF（JXUST-53），展现出（4,10）连接的deh1拓扑结构（图1），其在不同的pH（1-12）水溶液和有机溶剂中浸泡至少24小时后仍保持稳定，显示出良好的化学稳定性。作为一种潜在的荧光传感器，JXUST-53能够通过荧光增强和蓝移效应在乙醇溶液中特异性识别L-Thr、L-His和DPA。值得注意的是，JXUST-53是首例基于LMOF的L-Thr荧光传感器。此外，结合气溶胶喷射打印技术，我们打印了含JXUST-53的江西理工大学校徽，为DPA的监测开辟了新途径。更重要的是，JXUST-53具有良好的生物相容性和低细胞毒性，可用于检测活细胞中的L-Thr、L-His和DPA。
图1.（a）JXUST-53中Zn(II)的配位环境和有机配体的连接模式；（b）JXUST-53的三维结构；（c）JXUST-53的拓扑结构。
考虑到JXUST-53乙醇悬浮液具有良好的稳定性，对各种氨基酸进行了荧光传感研究。如图2所示，JXUST-53可以作为荧光传感器选择性检测L-His和L-Thr，并具有较低的检出限。值得注意的是，JXUST-53在pH（2-12）水溶液中浸泡24小时后，对L-Thr和L-His仍能保持良好的选择性和灵敏度，这进一步证明其具有良好的稳定性。通过PXRD、XPS排除了JXUST-53框架坍塌，以及与L-Thr/L-His之间存在相互作用而导致的荧光增强和蓝移效应。而UV和DFT计算证明了JXUST-53传感L-Thr/L-His的机制归因于PET和能量转移过程。
图2.（a）JXUST-53在乙醇溶液中检测不同氨基酸的荧光发射光谱图；（b）经过五次循环后JXUST-53@L-Thr和JXUST-53@L-His的PXRD图；（c）JXUST-53识别L-Thr前后O 1s的XPS图；（d）JXUST-53识别L-His前后O 1s的XPS图；（e）JXUST-53识别L-Thr前后Zn 2p的XPS图；（f）JXUST-53识别L-His前后Zn 2p的XPS图；（g）H4BTDI、L-Thr和L-His的紫外-可见吸收光谱图；（h）H4BTDI、L-Thr和L-His之间的单线态能量传递过程图；(i)H4BTDI、L-Thr和L-His的HOMO和LUMO能级图。
在不同的生命物质存在下对DPA进行了选择性荧光检测。如图3所示，引入DPA后，JXUST-53的荧光发射强度明显增加，并伴有蓝移效应。更为重要的是，JXUST-53在pH（2-12）水溶液中浸泡24小时后，对DPA仍能保持良好的选择性和灵敏度，表明JXUST-53可以作为一种性能良好的用于检测DPA的荧光传感器。通过PXRD、XPS排除了JXUST-53框架坍塌，以及与DPA之间存在相互作用而导致的荧光增强和蓝移效应。而UV证明了JXUST-53传感DPA的机制归因于ACE。
图3.（a）JXUST-53在不同干扰物质存在下的荧光发射光谱图；（b）经过五次循环后JXUST-53@DPA的PXRD图；（c）JXUST-53识别DPA前后O 1s的XPS图；（d）JXUST-53识别DPA前后Zn 2p的XPS图；（e）JXUST-53在EtOH溶液中加入各种生命物质后的紫外-可见吸收光谱图；（f）JXUST-53在EtOH溶液中加入不同浓度DPA后的紫外-可见吸收光谱图。
鉴于JXUST-53对L-Thr/L-His和DPA具有良好的检测能力，进一步探讨了其在活细胞中的生物成像性能。如图4所示，采用MTT法评估了JXUST-53的体外细胞毒性。MCF-7细胞贴壁24小时后，细胞存活率仍保持在90%以上，这表明JXUST-53具有较高的生物相容性和低细胞毒性。基于此，选取MCF-7细胞进行活细胞传感实验。MCF-7细胞在培养基中培养24小时后，分别与JXUST-53共同孵育1小时、3小时和6小时，然后用磷酸盐缓冲液冲洗MCF-7细胞三次，以此确保黏附在细胞表面的JXUST-53被去除。通过共聚焦激光扫描显微镜分析，MCF-7细胞均匀分散且绿色荧光信号逐渐增强，表明JXUST-53成功进入了MCF-7细胞。随后将含有JXUST-53的MCF-7细胞与L-His/L-Thr和DPA共同孵育1小时后，MCF-7细胞的荧光信号增强，颜色从绿色变为蓝色。
图4.（a1、b1、c1、d1）分别为JXUST-53、JXUST-53@DPA、JXUST-53@L-Thr、JXUST-53@L-His的明场透射图像；（a2、b2、c2、d2）分别为JXUST-53、JXUST-53@DPA、JXUST-53@L-Thr、JXUST-53@L-His的荧光场图像；（a3、b3、c3、d3）分别为JXUST-53、JXUST-53@DPA、JXUST-53@L-Thr、JXUST-53@L-His的叠加场图像；（e）在365nm紫外灯的激发下，使用AJP技术将JXUST-53打印在玻璃板上的大学徽标照片；（f）在365nm紫外灯的激发下，使用AJP技术将JXUST-53打印在玻璃板上并浸入DPA溶液后的大学校徽的照片。
据悉，本工作获得了国家自然科学基金项目、江西省自然科学基金项目和功能晶态材料化学江西省重点实验室等资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.4c05034
文、图/黄静
一审/黄海平
二审/陈琰
三审/刘遂军
