美国芝加哥大学林文斌J. Am. Chem. Soc.：用于比例型pH和氧气传感的多功能纳米金属有机单层

【引言】

开发用于监测生理过程和病理生物学因素的生物传感器对疾病早期诊断非常重要。在诸多生物传感器中，荧光探针是最常用的细胞成像探针，因为它们可以直接，实时和无标记地检测许多生物和化学分析物。尤其是基于纳米粒子的光学生物传感器拥有强大的性能，可以对活细胞中的分析物进行微监控。它们为开发多功能比例生物传感器提供了基础，以精确监控各种病理学基础的生物和化学因素。

在过去的十年中，纳米金属有机框架（nMOF）在生物传感和相关应用中显示出巨大潜力。通过同时组装分子传感器和参比探针，并利用框架结构确保其空间隔离以避免自我猝灭，nMOFs提供了一种新颖的晶体分子纳米材料平台，用于设计具有高灵敏度和分辨率的比例型传感器。但是，由于桥接配体对对称性的严格要求和大多数nMOF的相对较小的孔/通道，因此只能将简单的分子传感器整合到nMOF中，从而严重限制了nMOF在生物传感中的普遍性。nMOF的单层版本，纳米金属有机单层（nMOL）可以克服nMOF的这些局限性，成为下一代的二维纳米晶体分子生物传感器。nMOLs不仅保留nMOF的分子性质，结构规则性和组成多样性，而且还具有高密度的开放位点，以允许共价安装复杂的分子传感器并易于使用大型分析物。在本文中，作者报道了基于nMOL的生物传感器的设计，用于线粒体中的pH和氧气比例测定。

【成果简介】

美国芝加哥大学的林文斌教授报道了第一个基于nMOL的生物传感器的设计，用于线粒体中pH和氧气的比例传感。阳离子Hf₁₂-Ru nMOL是通过将Hf₁₂二级结构单元（SBU）与对氧敏感的Ru(bpy)₃²⁺衍生的DBB-Ru配体（bpy=2,2'-联吡啶）横向连接溶剂热合成的。然后将Hf₁₂-Ru nMOL与pH敏感的荧光素异硫氰酸酯和不依赖pH/氧的若丹明B异硫氰酸酯通过硫脲键共价官能化，作为Hf₁₂-Ru-F/R的线粒体靶向比率传感器，用于检测活体内的pH和O₂。用Hf₁₂-Ru-F/R进行的高分辨率共聚焦显微镜成像显示，线粒体中的pH与局部O₂浓度呈正相关。这个工作显示了基于nMOL的比例生物传感器在活细胞中重要生物学分析物的传感和成像中的潜力。该成果以题为“Multifunctional Nanoscale Metal−Organic Layers for Ratiometric pH and Oxygen Sensing”发表在国际著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

【图文导读】

图1.多功能Hf₁₂-Ru-F/R的合成

（a）通过交换Hf₁₂SBU上的TFA封端基与对氨基苯甲酸酯基进行表面修饰，并通过形成硫脲键将FITC和RITC与Hf₁₂SBU共价偶联

（b）FITC，RITC和H₂DBB-Ru的化学结构和激发/发射光谱

（c）带正电的Hf₁₂-Ru-F/R靶向线粒体，并通过pH敏感的FITC与不依赖pH的RITC和O₂敏感的DBB-Ru与O₂无关的RITC的发光比，对线粒体内的pH和氧气进行比例检测

图2.探针Hf₁₂-Ru-F/R的表征

（a-d）Hf₁₂-Ru的TEM，HRTEM,和AFM表征结果。

（e-f）Hf₁₂-Ru-F/R的TEM和PXRD表征结果。

（g）消解后的Hf₁₂-Ru-F/R的高分辨质谱表征结果，证明了FITC和RITC与Hf₁₂SBU的共价连接。

图3.探针的光谱表征

（a）Hf₁₂-Ru和Hf₁₂-Ru-F/R在31.5 mol％FITC和10.1 mol％RITC负载下的紫外可见光谱

（b-f）Hf₁₂-Ru-F/R的发光光谱分别显示对应于FITC，RITC和DBB-Ru的发射。 通过荧光法获得的Hf₁₂-Ru-F/R在常氧下不同pH或在pH 7.04下不同O₂压力下的发光强度。通过IVIS成像获得的Hf₁₂-Ru-F/R的pH和O₂的校准曲线。对于（b-f），基于DBB-Ru的Hf₁₂-Ru-F/R浓度为10.0μM，Hf₁₂-Ru-F/R的FITC含量为1.1 mol％，RITC含量为5.6 mol％

图4.Hf₁₂-Ru在CT26细胞中的时间依赖性定位

图5.细胞成像

（a）在常氧，低氧和缺氧条件下与Hf₁₂-Ru-F/R孵育后，CT26细胞的比例发光成像

（b）散点图显示Hf₁₂-Ru-F/R检测到的线粒体中pH和p_O2之间呈正相关

【总结】

作为纳米金属有机框架（nMOFs）的单层版本，纳米金属有机单层（nMOLs）代表了新兴的一类高度可调的二维材料，用于分层功能化以及对分析物的检测。在这里，作者报道了第一个基于nMOLs的生物传感器的设计，用于线粒体中pH和氧气的比例传感。将Hf₁₂-Ru nMOL与pH敏感的荧光素异硫氰酸酯和不依赖pH/氧的若丹明B异硫氰酸酯通过硫脲键共价官能化，作为Hf₁₂-Ru-F/R的线粒体靶向比率传感器，用于检测活体内的pH和O₂细胞。用Hf₁₂-Ru-F/R进行的高分辨率共聚焦显微镜成像显示，线粒体中的pH与局部O₂浓度呈正相关。这个工作显示了基于nMOL的比例生物传感器在活细胞中重要生物学分析物的传感和成像中的潜力。

导师介绍

林文斌，美国芝加哥大学化学系和辐射与细胞肿瘤系的James Franck讲座教授。林文斌教授在化学与生物化学及纳米医学方面有重要贡献，在包括Nat. Biomed. Eng.，Nat. Chem.，Nat. Catal.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等世界顶级杂志上发表文章近350篇，文章被广泛引用（h-index >104）。1999-2009 年度文章引用世界前十位化学家。汤森路透集团2000-2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单第54名。林文斌团队研发的三个抗癌药物已在进行临床试验并取得良好的临床结果。

课题组网站http://linlab.uchicago.edu/

文献链接：Multifunctional Nanoscale Metal−Organic Layers for Ratiometric pH and Oxygen Sensing.J. Am. Chem. Soc.,2019, DOI: 10.1021/jacs.9b11024.

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