氢键有机框架的核壳纳米结构用于近红外光抑菌

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

氢键有机框架（HOFs）是一种由有机单体通过氢键等超分子作用力自组装而成的晶态多孔材料，其在吸附分离、催化、传感、生物医药等领域有着很大的应用前景。然而，如何在HOFs中引入更多的功能基团或组分并实现其协同作用一直是该领域的瓶颈问题。

近日，中科院福建物构所刘天赋研究员（点击查看介绍）所带领的研究团队采用了构筑核壳结构的策略，成功制备了HOFs与上转换纳米颗粒（UCNPs）的核壳纳米结构。该复合材料可以通过“核层”与“壳层”间的能量共振转移有效利用近红外（980 nm）光源，从而呈现出优异的光热与光动力效应，实现了对大肠杆菌的近红外光响应抑制效果。

图1. PFC-55的晶体结构及其PXRD谱图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

基于苝二酰亚胺单体所形成的HOFs被首先合成（命名为PFC-55）并通过单晶XRD表征了其晶体结构。该结晶态的HOFs具有独特的稳定自由基结构，并且在可见光下呈现出光热与光致活性氧的潜力。

图2. 核壳结构UCNPs@PFC-55的制备与表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

为了利用具有较深组织穿透性的近红外光，作者采用配体接枝分步法，将PFC-55成功生长在了UCNPs的表面，形成了核壳纳米结构。UCNPs的“核层”可以有效上转换近红外光至可见波段，再通过能量共振转移，激发PFC-55“壳层”，实现光热与光动力效应。上转换荧光的猝灭与近红外响应的自由基信号作为实验证据证明了这一核壳间的能量转移机理。

图3. 核层与壳层间共振能量转移过程的表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最终，这种UCNPs与HOF形成的核壳纳米结构，呈现出显著的近红外响应大肠杆菌抑制效应。该工作为HOF材料的功能化拓展及HOF基复合材料的制备提供了一种新策略。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中科院福建物构所的博士研究生刘百桐；通讯作者为中科院福建物构所的刘天赋研究员。

此前，刘天赋课题组在HOF材料的设计合成以功能化方面也取得了一些重要进展。如：Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 22392; Adv. Mater., 2020, 32, 2005912; J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 7218; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7691; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 29854 等。

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）：

Construction of Function-Orientated Core-Shell Nanostructure in Hydrogen-Bonded Organic Framework for Near-Infrared Responsive Bacterial Inhibition

Bai-Tong Liu, Xiao-Hong Pan, Ding-Yang Zhang, Rui Wang, Jun-Yu Chen, Han-Ru Fang, Tian-Fu Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202110028

导师介绍

刘天赋，中国科学院福建物质结构研究所研究员，博士生导师。2011年毕业于中国科学院福建物质结构研究所，获博士学位。后在美国德州农工大学(Texas A&M University)和西北大学(Northwestern University)进行博士后研究。2016年入职中科院福建物质结构研究所工作。

2016年获得国家级人才计划支持；2016年入选“中科院百人计划”；2017年入选福建省“百人计划”创新人才项目；2020年入选福建省“百人计划”创业项目支持。先后主持过多项国家级科研项目，包括自然基金委面上项目、重点研发计划课题、中科院国际合作项目等。长期从事金属有机框架化合物（MOFs）和超分子有机框架化合物（SOFs、HOFs）的制备及其在气体分离、生物、催化等交叉领域应用的研究。研究成果以第一/通讯作者发表在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、CCS Chemistry 等杂志期刊上。论文他引5500余次，H因子41。

课题组网站：

https://www.x-mol.com/groups/liu_tianfu 

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣集中在新型晶态框架材料的设计合成上。苝二酰亚胺是一种被广泛应用在有机半导体领域的功能基元，我们起初想探索合成基于该功能基元的氢键有机框架材料，并研究其性能。另一方面，我们想探索有机HOF材料与无机材料的复合，尝试给无机纳米颗粒穿上一层HOF的外衣，来制备核壳纳米结构。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：我们最初使用一锅法尝试制备复合结构，发现经常会出现混相，HOFs会均相成核，而不会生长在无机纳米颗粒表面。后来，我们采用了分步合成的方法，先在无机颗粒表面进行配体交换，利用配位作用修饰一层HOF的有机单体，再进行HOF晶体生长，才得以制备出该核壳结构的纳米材料。