通过一种新型的双配体策略增强Zr-MOF荧光：朝着基于FRET的、对谷胱甘肽具有高灵敏度的开关传感器的目标迈进

《Microchemical Journal》：Boosting Zr-MOF fluorescence via a novel dual-ligand strategy: toward a robust FRET-based turn-on sensor for glutathione

本研究开发了一种基于FRET机制的双配体Zr-MOF与MnO?纳米粒子复合的“on-off-on”荧光传感器，实现对谷胱甘肽（GSH）的高灵敏检测。该传感器通过GSH还原MnO?至Mn2?终止淬灭实现荧光恢复，线性范围5-110 μM，检测限1.85 μM，在人类血清中验证显示回收率94.82-102.35%，为临床诊断提供新工具。

　　

Hamed Mohtasham|Abdollah Salimi

库尔德斯坦大学化学系，伊朗萨南达杰，邮编66177-15175

摘要

本研究开发了一种新型的“开-关-开”荧光传感器，用于灵敏且选择性地检测谷胱甘肽（GSH），其原理基于双配体锆基金属有机框架（Zr-MOF）与二氧化锰（MnO₂）纳米颗粒之间的福斯特共振能量转移（FRET）机制。由H₃TATAB和NH₂-BDC合成的Zr-MOF作为良好的荧光团，而MnO₂纳米颗粒则作为有效的淬灭剂。GSH的存在会导致MnO₂还原为Mn²⁺，从而抑制FRET过程，进而触发被淬灭的荧光恢复。该传感器表现出优异的性能：线性范围广（5–110?μM），检测限低（1.85?μM），对潜在干扰化合物具有满意的选择性。通过测定人血清样本中的GSH含量（回收率分别为94.82–102.35%和96.55–101.49%），有效验证了该传感器在实际样品中的应用价值，表明其作为临床诊断工具具有巨大潜力。这些结果共同表明，Zr-MOF₅/MnO₂纳米复合材料是一种优秀的GSH检测传感器，有望在生物分析和生物医学诊断领域取得重大突破。

引言

谷胱甘肽（GSH）是一种内源性肽，具有抗氧化防御系统和其他代谢功能，由前体氨基酸L-半胱氨酸、甘氨酸和L-谷氨酸组成[1], [2], [3]。GSH参与多种生理和维持生命的过程，包括解毒、抵御自由基、维持氧化还原平衡、细胞内信号传导、基因表达调控以及免疫系统功能[3], [4], [5], [6], [7]。GSH浓度的变化与多种人类疾病（如癌症、HIV、艾滋病、衰老和糖尿病）密切相关[8], [9]。此外，大脑中GSH的减少与帕金森病和阿尔茨海默病等神经退行性疾病患者的病情有关[10]。因此，在活体生物系统中定性和定量地有效识别GSH对于人类健康具有重要意义。由于GSH的生物学重要性，选择性和灵敏地检测GSH至关重要。目前已有多种分析方法用于检测样品中的GSH，包括表面增强拉曼散射[11]、高效液相色谱[12]、电生成化学发光[13]、电化学[14]、质谱[15]、酶联免疫吸附测定[16]和荧光光谱[17]。最近，基于纳米酶的催化平台也成为GSH检测的强大工具[18], [19], [20]。与其他分析方法相比，荧光光谱因其高灵敏度、技术简单性、低成本、分析速度快以及在生物系统中的检测潜力而受到广泛关注[21], [22], [23], [24]。福斯特共振能量转移（FRET）策略现在被广泛用于提高传感器的灵敏度和精度[22], [25], [26]。荧光探针被认为是监测活细胞或组织样品中最有效的材料[23]。目前，多种材料（包括有机荧光团[27]、金属纳米簇[28]、量子点[24]和碳纳米材料[29]）被用作荧光发光体。

金属有机框架（MOFs）是一类新型的无机-有机杂化材料及晶体材料，由无机金属离子和有机连接剂构建，可用于多种领域，如质子传导、异相催化、药物输送、发光、传感器和生物医学应用[30], [31]。由于组装模块化和与多种连接剂的兼容性，功能分子可以作为连接剂整合到晶体结构中[32]。MOFs因其特定的化学和物理性质以及多样化和灵活的特殊结构，展现出广泛的发光行为[33]。在多种设计的MOFs中，基于聚苯胺、联吡啶、菲咯啉等π-共轭有机配体的发光MOFs在传感方面展现出巨大潜力，从而开发出基于荧光的检测方法[34]。含有多种连接剂的混合配体MOFs被认为是实现精确反应性的极具前景的方法[35]。含有多种类型连接剂的MOFs增强了合成效率和结构多样性，有利于荧光团的有序排列，从而有效激发内部荧光体。刚性MOF基体的荧光由于分子内运动的限制而得到增强[36]。要将基于MOF的晶体材料用作多功能化学传感器，合理设计和合成具有荧光特性的有机连接剂至关重要。

具有传感能力的发光MOFs的设计和合成也可能涉及使用选定的连接剂。虽然单组分MOFs构成了基本平台，但双组分MOFs或混合配体MOFs被发现是赋予额外功能的优秀方法。结合多种有机连接剂的能力可以协同多种光物理、化学和结构特性，这些特性在单组分材料中难以实现。例如，在一种有机连接剂中，可以通过π-共轭骨架实现高效的光捕获能力；而在另一种具有不同功能的有机连接剂中，如-NH₂基团可以控制分子内电荷转移（ICT），以优化发射状态。除了这些优势外，硬质MOF结构本身还能抑制宿主有机配体的非辐射松弛速率，从而增强聚集诱导发射（AIE）。所有这些优化特性使得双配体MOFs成为设计灵敏光学传感器的理想材料。

二氧化锰（MnO₂）因其优异的物理和电化学性质而被认为是一种潜在的生物传感活性材料[7]。特别是在基于荧光的传感应用中，MnO₂纳米结构作为荧光淬灭剂表现出巨大潜力，适用于制备“关闭-开启”型生物传感器，尤其是针对氧化还原活性目标（如谷胱甘肽）。与传统淬灭剂（如有机染料、氧化石墨烯或金纳米颗粒）相比，MnO₂具有多个显著优势。首先，MnO₂具有强的紫外-可见（UV–Vis）光吸收特性，可与多种荧光团的荧光发射重叠，从而实现基于FRET或内部过滤效应的有效淬灭。更重要的是，MnO₂具有独特的氧化还原行为，可被生物硫醇有效还原为可溶性的Mn²⁺离子，这提供了一种特征性的不可逆识别功能。淬灭剂的后续溶解会导致荧光稳定恢复（“开启”），这与基于可逆识别相互作用的传感器原理截然不同。此外，生成的Mn²⁺离子具有生物相容性和无毒性，使其适用于生物传感。因此，MnO₂同时具备高效淬灭剂和目标识别模块的双重功能。MnO₂纳米结构（包括纳米球[37]、纳米棒[38]、纳米管[39]、纳米片[40]、纳米花[41]）及其表面的活性位点，为传感性能做出了特殊贡献。控制形状和形态是促进纳米材料活性的关键技术。此外，反应条件（如底物浓度、pH值、温度等）在合成不同形态的纳米结构中起着重要作用[6], [9]。MnO₂纳米颗粒由于其高光吸收特性、高电荷转移率和活性表面积，适合作为宽谱荧光淬灭剂，用于设计“关闭-开启”型传感器[42]。

本研究成功开发了一种高灵敏度和选择性的“开-关-开”荧光传感器，用于检测GSH。该荧光传感系统通过使用新型双配体锆基金属有机框架材料Zr-MOF₅实现，其中H₃TATAB和NH₂-BDC连接剂被合理设计为优异的荧光团，MnO₂纳米颗粒作为高效的荧光淬灭剂。使用H₃TATAB和NH₂-BDC连接剂合成的Zr-MOF₅具有改进的荧光发射性能，成为高效的荧光共振能量转移耦合体。使用H₃TATAB和NH₂-BDC连接剂对Zr-MOF₅进行合理设计是本研究的另一个重要特点，使其荧光发射性能显著优于其他单配体Zr-MOF₅材料。传感原理涉及选择性的GSH介导的氧化还原反应，将MnO₂纳米颗粒还原为Mn²⁺离子，从而中断FRET过程，使MOF的荧光急剧恢复（图1）。此外，该传感器的实用性和重复性通过其在人血清样本中成功检测GSH得到严格验证，回收率分别为94.82–102.35%和96.55–101.49%，相对标准偏差低，证实了该方法在复杂生物基质中的出色准确性和稳健性。因此，这项工作不仅提供了一种强大的通用GSH检测装置，还展示了合理设计双配体MOF以创造高荧光材料在临床诊断和生物分析研究中的潜力。

试剂和化学品

H₃TATAB（C₂₄H₁₈N₆O₆, 4,4′,4″-((1,3,5-三嗪-2,4,6-三基)三(氮杂二基))三苯甲酸）、2-氨基对苯二甲酸（NH₂-BDC）、对苯二甲醛（BDC）、四氯化锆（ZrCl₄）、NaH₂PO₄、Na₂HPO₄购自Sigma-Aldrich。二甲基甲酰胺（DMF）、高锰酸钾（KMnO4）、蛋氨酸、NaOH、HCl、谷胱甘肽（GSH）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氢（NADH）、氯化铝、牛血清白蛋白（BSA）、氯化钙、硫酸钙、半胱氨酸、半胱氨酸等试剂均来自Sigma-Aldrich。

Zr-MOF₅（NH₂-BDC和H₃TATAB混合配体）探针的特性

图1A-D展示了Zr-MOF₅催化剂的形态。FE-SEM图像显示，所得到的Zr-MOF₅催化剂具有准球形形态，平均直径为400至600?nm，结构不规则，这进一步证实了该材料是由纳米颗粒和较大聚集体组成的混合物。这些特征可能是由于合成条件和表面性质所致。

结论

本研究成功设计了由H₃TATAB和NH₂-BDC制备的双配体MOF（Zr-MOF₅）。这一设计非常重要，因为对照实验表明，这种特定组合的Zr-MOF₅具有出色的荧光性能，优于其他结构。这些性能使Zr-MOF₅成为FRET耦合的理想能量供体，这也是我们传感器创新的核心部分。

CRediT作者贡献声明

Hamed Mohtasham：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，数据管理。Abdollah Salimi：撰写 – 审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了库尔德斯坦大学研究办公室的支持（授权号：11-02-1403）。同时感谢伊朗国家科学基金会（INSF）的财政支持。