美國芝加哥大學林文斌J. Am. Chem. Soc.：用于比例型pH和氧氣傳感的多功能納米金屬有機單層

【引言】

開發用于監測生理過程和病理生物學因素的生物傳感器對疾病早期診斷非常重要。在諸多生物傳感器中，熒光探針是最常用的細胞成像探針，因為它們可以直接，實時和無標記地檢測許多生物和化學分析物。尤其是基于納米粒子的光學生物傳感器擁有強大的性能，可以對活細胞中的分析物進行微監控。它們為開發多功能比例生物傳感器提供了基礎，以精確監控各種病理學基礎的生物和化學因素。

在過去的十年中，納米金屬有機框架（nMOF）在生物傳感和相關應用中顯示出巨大潛力。通過同時組裝分子傳感器和參比探針，并利用框架結構確保其空間隔離以避免自我猝滅，nMOFs提供了一種新穎的晶體分子納米材料平臺，用于設計具有高靈敏度和分辨率的比例型傳感器。但是，由于橋接配體對對稱性的嚴格要求和大多數nMOF的相對較小的孔/通道，因此只能將簡單的分子傳感器整合到nMOF中，從而嚴重限制了nMOF在生物傳感中的普遍性。nMOF的單層版本，納米金屬有機單層（nMOL）可以克服nMOF的這些局限性，成為下一代的二維納米晶體分子生物傳感器。nMOLs不僅保留nMOF的分子性質，結構規則性和組成多樣性，而且還具有高密度的開放位點，以允許共價安裝復雜的分子傳感器并易于使用大型分析物。在本文中，作者報道了基于nMOL的生物傳感器的設計，用于線粒體中的pH和氧氣比例測定。

【成果簡介】

美國芝加哥大學的林文斌教授報道了第一個基于nMOL的生物傳感器的設計，用于線粒體中pH和氧氣的比例傳感。陽離子Hf₁₂-Ru nMOL是通過將Hf₁₂二級結構單元（SBU）與對氧敏感的Ru(bpy)₃²⁺衍生的DBB-Ru配體（bpy=2,2'-聯吡啶）橫向連接溶劑熱合成的。然后將Hf₁₂-Ru nMOL與pH敏感的熒光素異硫氰酸酯和不依賴pH/氧的若丹明B異硫氰酸酯通過硫脲鍵共價官能化，作為Hf₁₂-Ru-F/R的線粒體靶向比率傳感器，用于檢測活體內的pH和O₂。用Hf₁₂-Ru-F/R進行的高分辨率共聚焦顯微鏡成像顯示，線粒體中的pH與局部O₂濃度呈正相關。這個工作顯示了基于nMOL的比例生物傳感器在活細胞中重要生物學分析物的傳感和成像中的潛力。該成果以題為“Multifunctional Nanoscale Metal?Organic Layers for Ratiometric pH and Oxygen Sensing”發表在國際著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文導讀】

圖1.多功能Hf₁₂-Ru-F/R的合成

（a）通過交換Hf₁₂ SBU上的TFA封端基與對氨基苯甲酸酯基進行表面修飾，并通過形成硫脲鍵將FITC和RITC與Hf₁₂ SBU共價偶聯

（b）FITC，RITC和H₂DBB-Ru的化學結構和激發/發射光譜

（c）帶正電的Hf₁₂-Ru-F/R靶向線粒體，并通過pH敏感的FITC與不依賴pH的RITC和O₂敏感的DBB-Ru與O₂無關的RITC的發光比，對線粒體內的pH和氧氣進行比例檢測

圖2.探針Hf₁₂-Ru-F/R的表征

（a-d）Hf₁₂-Ru的TEM，HRTEM,和AFM表征結果。

（e-f）Hf₁₂-Ru-F/R的TEM和PXRD表征結果。

（g）消解后的Hf₁₂-Ru-F/R的高分辨質譜表征結果，證明了FITC和RITC與Hf₁₂SBU的共價連接。

圖3.探針的光譜表征

（a）Hf₁₂-Ru和Hf₁₂-Ru-F/R在31.5 mol％FITC和10.1 mol％RITC負載下的紫外可見光譜

（b-f）Hf₁₂-Ru-F/R的發光光譜分別顯示對應于FITC，RITC和DBB-Ru的發射。 通過熒光法獲得的Hf₁₂-Ru-F/R在常氧下不同pH或在pH 7.04下不同O₂壓力下的發光強度。通過IVIS成像獲得的Hf₁₂-Ru-F/R的pH和O₂的校準曲線。對于（b-f），基于DBB-Ru的Hf₁₂-Ru-F/R濃度為10.0μM，Hf₁₂-Ru-F/R的FITC含量為1.1 mol％，RITC含量為5.6 mol％

圖4.Hf₁₂-Ru在CT26細胞中的時間依賴性定位

圖5.細胞成像

（a）在常氧，低氧和缺氧條件下與Hf₁₂-Ru-F/R孵育后，CT26細胞的比例發光成像

（b）散點圖顯示Hf₁₂-Ru-F/R檢測到的線粒體中pH和p_O2之間呈正相關

【總結】

作為納米金屬有機框架（nMOFs）的單層版本，納米金屬有機單層（nMOLs）代表了新興的一類高度可調的二維材料，用于分層功能化以及對分析物的檢測。在這里，作者報道了第一個基于nMOLs的生物傳感器的設計，用于線粒體中pH和氧氣的比例傳感。將Hf₁₂-Ru nMOL與pH敏感的熒光素異硫氰酸酯和不依賴pH/氧的若丹明B異硫氰酸酯通過硫脲鍵共價官能化，作為Hf₁₂-Ru-F/R的線粒體靶向比率傳感器，用于檢測活體內的pH和O₂細胞。用Hf₁₂-Ru-F/R進行的高分辨率共聚焦顯微鏡成像顯示，線粒體中的pH與局部O₂濃度呈正相關。這個工作顯示了基于nMOL的比例生物傳感器在活細胞中重要生物學分析物的傳感和成像中的潛力。

導師介紹

林文斌，美國芝加哥大學化學系和輻射與細胞腫瘤系的James Franck講座教授。林文斌教授在化學與生物化學及納米醫學方面有重要貢獻，在包括Nat. Biomed. Eng.，Nat. Chem.，Nat. Catal.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed. 等世界頂級雜志上發表文章近350篇，文章被廣泛引用（h-index >104）。1999-2009 年度文章引用世界前十位化學家。湯森路透集團2000-2010年全球頂尖一百化學家名人堂榜單第54名。林文斌團隊研發的三個抗癌藥物已在進行臨床試驗并取得良好的臨床結果。

課題組網站? http://linlab.uchicago.edu/

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文獻鏈接：Multifunctional Nanoscale Metal?Organic Layers for Ratiometric pH and Oxygen Sensing. J. Am. Chem. Soc., ?2019, DOI: 10.1021/jacs.9b11024.

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

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