美国芝加哥大学林文斌JACS：多功能金属有机单层纳米片用做pH和氧气比率型生物传感器

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。在过去的十年中，金属有机纳米框架（nMOF）在生物传感器的构建中显示出巨大潜力。作为晶纳米化分子材料，nMOF不仅可以同时组装检测探针和参比探针，并且利用其框架结构确保探针的空间隔离，从而避免自我猝灭。因此，nMOF被应用于设计具有高灵敏度和分辨率的比率型生物传感器。然而，由于桥接配体对对称性的严格要求且大多数nMOF的的孔/通道相对较小，因此只有结构简单的分子检测探针可以被整合到nMOF中，从而严重限制了nMOF在生物传感中的普遍应用。而nMOF的单层版本，金属有机单层纳米片（nMOL），因其独特的二维特性，在保留nMOF结构规则性及组成多样性的同时，具有大量可共价修饰的开放位点，因此可以克服nMOF的这些局限性，有望成为下一代二维纳米晶体分子生物传感器，实现复杂的分子传感器的安装以及体积大的分析物的检测。

近日，美国芝加哥大学的林文斌教授（点击查看介绍）报道了第一个基于nMOL的比率型生物传感器，用于同时检测线粒体中pH和氧气，从而首次定量地构筑了二者之间的关系。该成果发表在国际著名期刊J. Am. Chem. Soc.上，文章的共同第一作者是芝加哥大学博士蓝光旭和倪开元。

正电性的Hf₁₂-Ru nMOL是通过将Hf₁₂二级结构单元（SBU）与对氧气响应的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。首先将Hf₁₂-Ru的表面进行氨基修饰，再将修饰后的Hf₁₂-Ru与pH响应的荧光素异硫氰酸酯（FTIC）和不响应pH/氧的若丹明B异硫氰酸酯（RITC）通过硫脲键共价官能化，得到Hf₁₂-Ru-F/R。带正电的Hf₁₂-Ru-F/R靶向线粒体，并通过不同物质对pH及氧气响应的发光比，对线粒体内的pH和氧气进行比例检测。

图1.多功能Hf₁₂-Ru-F/R的合成。（a）通过交换Hf₁₂ SBU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Hf₁₂ SBU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、O₂敏感的DBB-Ru与O₂无关的RITC这两组发光比，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细胞分布随时间变化。

图5. 线粒体的氧气与pH检测。（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。

综上，作者报道了第一个基于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。将Hf₁₂-Ru nMOL与pH敏感的FITC和不依赖pH/氧的RITC过硫脲键共价官能化，得到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的比率生物传感器应用于活细胞内重要生物学分析物检测传感及成像的潜力。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Multifunctional Nanoscale Metal-Organic Layers for Ratiometric pH and Oxygen Sensing

Guangxu Lan, Kaiyuan Ni, Eric You, Maolin Wang, August Culbert, Xiaomin Jiang, Wenbin Lin*

J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 18964-18969, DOI: 10.1021/jacs.9b11024

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320余篇，文章被广泛引用（h-index >105）。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。

林文斌

https://www.x-mol.com/university/faculty/1445

课题组网站

http://linlab.uchicago.edu/