基于Zn(II)的金属有机框架具有定制化的结构：优化其荧光性能以用于细胞成像和癌症治疗

《RSC Advances》：Zn(II)-based metal–organic frameworks with tailored architectures: optimizing fluorescence performance for cell imaging and cancer therapy

　　金属有机框架（MOFs）由于其可调的结构和独特的光物理性质，在生物成像和癌症治疗中显示出巨大的潜力。在这里，通过调节反应物负载和高压釜填充程度，合成了两种含有Zn(II)的MOFs，化学式分别为C22H18N4O6Zn (1)和C22H18N4O6Zn (2)，使用2,5-二羟基对苯二甲酸（DHTA）和1,4-双[(1H-咪唑-1-基)甲基]苯（bix）配体。从结构上看，1形成了一个由二维层之间的π–π堆叠构成的三维超分子网络，而2则表现出一个相互穿插的三维框架，其中Zn(II)中心呈现出更理想的四面体配位几何结构。在超纯水中，这两种化合物都显示出强烈的绿色荧光，这种荧光来源于配体中心的电荷转移跃迁，其中化合物2表现出更优越的光化学性质（Em1 = 530 nm和Em2 = 522 nm）。化合物2的荧光量子产率（Φ = 13.78%）明显高于化合物1（Φ = 6.02%），其平均寿命分别为0.83 μs和0.98 μs。此外，这两种MOFs对多种生物阳离子和阴离子都保持了稳定的荧光性能，化合物2在所有离子条件下都显示出相对较高的发射强度。在生物学上，1通过激活细胞凋亡、铁死亡、内质网应激和自噬对HeLa细胞表现出强烈的细胞毒性，而2与HeLa细胞具有高度的生物相容性，并且能够实现细胞类型的亚细胞定位，从而能够清晰地成像HeLa、SH-SY5Y和A549细胞。值得注意的是，这两种化合物在SH-SY5Y细胞中都表现出浓度依赖的双重功能：低浓度下可用于荧光成像，而高浓度下则可以抑制细胞增殖。本文还探讨了结构与功能之间的关系。

金属有机框架（MOFs）由于其可调的结构、高生物相容性和独特的光物理性质，在生物成像和癌症治疗中已成为多功能材料。其中，基于Zn(II)的MOFs特别适用于荧光生物应用，因为Zn(II)离子的d10电子构型最小化了非辐射电子松弛，从而实现了高效的配体中心荧光发射。此外，Zn通常形成四到六配位的复合物，具有很高的配位灵活性，允许同时结合羧酸基团和咪唑基团，以构建多维网络。值得注意的是，混合配体策略（结合羧酸基团和咪唑基团）有助于形成高维的MOF结构，这显著提高了它们在水和有机溶剂环境中的稳定性，这对于在潮湿或复杂的生物系统中的应用至关重要。尽管有这些优势，但通过合成条件对Zn(II) MOFs进行合理设计，以定制其发光性能和生物功能仍然具有很大的潜力，然而由合成条件引起的微妙结构变化往往会导致性质的显著差异，这些差异仍有待系统研究。用于癌细胞成像的荧光探针不仅需要强烈的稳定发射，还需要抵抗复杂生物环境（例如，多种离子）的干扰，并具有适当的生物相容性。此外，整合了诊断成像和治疗效果的治疗性MOFs越来越受到关注，因为它们可以在提供治疗效果的同时实现实时监测治疗反应。然而，在单一MOF系统中平衡发光亮度、环境稳定性、生物相容性和细胞类型适应性仍然是一个关键挑战。此外，Zn(II) MOFs的光物理和生物行为背后的结构-性质关系，例如配位几何结构和框架架构如何影响荧光量子产率、亚细胞定位和细胞毒性，尚未完全阐明，这限制了基于MOFs的功能性探针的合理设计。

为了应对这些挑战，选择Zn(II)作为金属中心，与2,5-二羟基对苯二甲酸（DHTA）和1,4-双[(1H-咪唑-1-基)甲基]苯（bix）混合配体进行配位。DHTA同时具有羧酸基团和羟基：羧酸基团中的氧原子表现出多种配位模式，这有助于在过渡金属离子和有机连接剂之间形成稳定的配位键。此外，羧酸基团的强结合能力可以有效抑制金属中心与水分子的配位，从而防止MOFs的发光淬灭。另外，含氧功能基团通常可以提高MOFs的亲水性，这有助于实现低毒性和良好的生物相容性。相比之下，基于咪唑的配体（例如bix）可以通过其强配位能力、刚性的共轭框架和可调的空间/电子效应显著提高MOFs的热稳定性和化学稳定性。具体来说，咪唑环上的两个氮原子具有孤对电子，可以作为强电子给体，与金属离子形成稳定的配位键；咪唑环的平面结构也有助于促进分子间的π–π堆叠相互作用。此外，咪唑环的共轭结构构建了一个稳定、刚性的框架，减少了分子内的振动和旋转，降低了非辐射跃迁的概率，最终提高了荧光发射的效率和强度。

在这里，我们合成了两种基于Zn(II)的MOFs（1和2），其结构通过反应物负载和高压釜填充程度进行了调节。系统地表征了这两种化合物的晶体结构、热稳定性、发光性能和抗离子干扰能力。在三种癌细胞系（HeLa、SH-SY5Y和A549）中评估了这两种化合物的生物功能，包括细胞毒性、亚细胞定位和成像能力。此外，我们探讨了结构-性质关系，以揭示化合物2更理想的四面体配位几何结构和相互穿插的三维框架如何贡献于其优越的荧光性能和多功能的生物表现。这项工作为基于MOFs的材料提供了有价值的见解，这些材料具有定制的功能，适用于生物成像和治疗性应用。

试剂和仪器

所有试剂和溶剂均为分析级，并按商业供应商提供的规格使用。HeLa、SH-SY5Y和A549细胞购自上海中桥新洲生物技术有限公司（中国）。傅里叶变换红外（FT-IR）光谱（4000–400 cm?1）是在Shimadzu光谱仪上使用KBr压片法记录的。元素分析（C、H、N）是在PerkinElmer 2400 CHN分析仪上进行的。粉末X射线衍射（PXRD）图案是在Rigaku RU-200衍射仪上收集的（Cu Kα辐射，λ = 1.5406 ?），操作条件为60 kV和300 mA，扫描速率为5° min?1，步长为0.02° in 2θ。热重分析（TGA）是在NETZSCH STA 449F3仪器上进行的，气氛为氮气，样品从30 °C加热到700 °C，加热速率为10 °C min?1，以空Al2O3坩埚作为参考。稳态荧光光谱是在室温下使用Edinburgh F-7000荧光光谱仪获得的。细胞成像和荧光共定位研究是在Zeiss LSM 900激光扫描共聚焦显微镜上进行的。

[Zn(DHTA)2(bix)2] (1)的合成

将Zn(NO3)2·6H2O（0.0298 g，0.1 mmol）、H2DHTA（0.0396 g，0.2 mmol）和bix（0.0476 g，0.2 mmol）溶解在无水乙醇（2 mL）和去离子水（8 mL）的混合溶剂中。将溶液转移到一个15 mL的特氟龙内衬不锈钢高压釜中，在140 °C下加热72小时，然后缓慢冷却至室温。通过过滤收集1的黄色块状晶体，用乙醇洗涤，并在空气中干燥。产率：58%（基于Zn）。C22H18N4O6Zn的分析计算值为：C，52.87；H，3.63；N，11.21。实际测量值为：C，52.85；H，3.60；N，11.23。选定的IR数据（KBr，cm?1）：3132（m），1609（s），1522（m），1489（m），1420（m），1381（m），1242（s），1094（s），1032（m），953（s），866（m），816（m），787（m），737（m），656（s），590（m），和419（m）。

[Zn(DHTA)2(bix)2] (2)的合成

化合物2的合成过程与1相同，但使用了放大量的原料：Zn(NO3)2·6H2O（0.1192 g，0.4 mmol）、H2DHTA（0.1584 g，0.8 mmol）、bix（0.1904 g，0.8 mmol）、无水乙醇（8 mL）和去离子水（32 mL）被放入一个50 mL的高压釜中。经过相同的热处理后，获得了2的黄色棱柱形晶体。产率：75%（基于Zn）。C22H18N4O6Zn的分析计算值为：C，52.87；H，3.63；N，11.21。实际测量值为：C，52.86；H，3.64；N，11.20。选定的IR数据（KBr，cm?1）：3136（m），1609（s），1522（m），1489（m），1420（m），1381（m），1242（s），1094（s），1032（m），953（s），866（m），816（m），787（m），737（m），656（s），590（m），和419（m）。

单晶X射线衍射测量

选择了一个合适的单晶进行X射线衍射分析。衍射数据是在室温下使用Bruker SMART APEX-CCD衍射仪收集的，该仪器配备了石墨单色化的Mo Kα辐射（λ = 0.71073 ?）。在140–320 K的温度范围内，使用Cu Kα辐射（λ = 1.54178 ?）收集了额外的数据集。结构是使用SHELXT的内在相位方法解决的，并通过F2的全矩阵最小二乘法在SHELXL上进行了精修。所有计算都是通过OLEX2接口进行的。非氢原子进行了各向异性精修，氢原子被放置在计算位置并使用骑乘模型进行了精修。晶体参数和结构精修的详细信息总结在表S1中。化合物1和2的剑桥晶体学数据中心（CCDC）沉积编号分别为2455666和2455667。

抗离子干扰的荧光稳定性

为了评估荧光稳定性，针对一系列常见的阳离子和阴离子进行了传感实验。测试的阳离子包括Ca2+、Cd2+、Co2+、Cr3+、Cu2+、Fe3+、Li+、Na+、Ni2+、Pb2+和K+ [作为M(NO3)x，C = 0.01 mol L?1]。测试的阴离子包括Br?、Cr2O72?、CrO42?、HPO42?、NO3?、PO43?、S2O82?和SO42? [作为钾或钠盐，C = 0.01 mol L?1]。在实验中，首先通过将细磨粉末（5 mg）超声分散在去离子水（5 mL）中30分钟来制备化合物1和2的水悬浮液。随后，通过逐渐向分散良好的1或2的悬浮液中加入递增量的阳离子或阴离子水溶液来进行荧光滴定，并在每次添加后记录相应的荧光光谱。在所有荧光测定过程中，使用磷酸盐缓冲盐水（PBS）将pH值维持在7.0。

细胞培养和细胞活力测定

人类癌细胞系HeLa、SH-SY5Y和A549在添加了10%胎牛血清（FBS）和1%青霉素-链霉素的Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）中培养。细胞在含有5% CO2的湿润气氛中保持在37 °C。对于细胞毒性测定，将细胞以每孔5 × 104个细胞的密度接种在96孔板中，并允许其粘附24小时。随后，细胞用含有不同浓度（0、10、20、50和100 μmol L?1）的化合物1或2的新鲜培养基处理24小时。每个浓度，包括溶剂对照（0 μmol L?1），都在五个重复孔中进行了测试，整个实验进行了两次重复。处理期后，移除了含有化合物的培养基。然后使用Cell Counting Kit-8（CCK-8）试剂评估细胞活力。简要来说，向每个孔中加入10 μL的CCK-8试剂和100 μL的新鲜DMEM，然后在37 °C下孵育1小时。使用Thermo Scientific微孔板读取器测量每个孔在450 nm处的吸光度。细胞活力按以下公式计算为相对于未处理对照组的百分比：活力（%）= [(OD treated ? OD blank)/(OD control ? OD blank)] × 100。数据以平均值±标准差（SD）表示。

共聚焦显微镜成像

在成像前一天，将细胞以每孔1 × 105个细胞的密度接种在24孔板的盖玻片上。在处理当天，细胞在37 °C下与化合物1或2以最终浓度10 μmol L?1孵育4小时。随后，用磷酸盐缓冲盐水（PBS）洗涤细胞三次以去除任何未吸收的复合物，然后在37 °C下用4%的甲醛固定20分钟。去除固定剂后，用PBS轻轻洗涤细胞三次。接下来，通过将细胞与Hoechst 33258染料（5 μg mL?1，每孔500 μL）在黑暗中孵育15分钟来染色细胞核。染色后，丢弃染料溶液，并再次用PBS洗涤细胞三次。然后使用细尖镊子小心地取出盖玻片，倒置并安装在干净的玻璃载玻片上，使用抗褪色 mounting medium以最小化荧光淬灭和气泡形成。使用激光扫描共聚焦显微镜获取细胞图像。霍赫斯特33258通道以及相应化合物的通道分别用405纳米激光激发，以可视化核染色和化合物定位。计算细节如下：

从化合物1和2的单晶结构中提取的分子构建块（不对称单元）的基态几何结构，以及自由配体，使用密度泛函理论（DFT）在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行了优化。所有计算都是使用Gaussian 09程序包完成的。从优化结构中获得了最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）的能量，以评估它们的能隙。结果与讨论如下：

化合物1和2的结构描述

化合物1和2的构建示意图如图1所示。通过单晶X射线衍射（SC-XRD）确定了化合物1（C22H18N4O6Zn）和2（C22H18N4O6Zn）的晶体结构（表S1）。化合物1和2以Zn(ii)作为中心金属离子，分别结晶在不同的晶体系统和空间群中。化合物1结晶在三斜晶系中，属于P空间群，而化合物2属于单斜晶系，空间群为C2/c。化合物1和2的不对称单元由一个晶体学上独立的Zn(ii)离子、两个2,5-脱质子的H2DHTA2?配体和两个bix配体组成。每个Zn(ii)中心是四配位的，其配位球由DHTA的两个羧酸氧原子和bix的两个氮原子（N2O2供体）组成，形成四面体配位几何结构。连续形状测量（CShM）值分别为1.097（1）和0.398（2）。化合物2的配位结构比化合物1更接近理想的四面体。两种化合物的键长和键角分别总结在表S2和S3中。化合物1和2的平均Zn–N键长分别为2.000 ?和1.995 ?，平均Zn–O键长分别为1.957 ?和1.951 ?。两种化合物之间最显著的结构差异在于它们的扩展框架。化合物1的构成单元通过DHTA配体的羧酸氧原子以单齿配位模式进一步连接，形成了二维（2D）网格状层状结构。此外，相邻2D层之间的π–π堆叠相互作用组装成了三维（3D）超分子结构（图S1）。对于化合物2，配位单元延伸成一维（1D）“Z”形链。然后，bix配体通过单齿N配位桥接这些链，形成2D网格层。层与层之间的穿透形成了3D超分子结构（图1）。值得注意的是，在化合物1中，相邻bix配体的咪唑环发生了偏移的面对面π–π堆叠相互作用，中心之间的距离为3.71 ?（图S1e）。17,18理论上，这种相互作用不仅增强了超分子层状结构的稳定性，也可能导致化合物1和2之间的荧光性能差异。图1

化合物1和2的合成示意图。图1

(a) 2中Zn(ii)的配位环境和几何构型。(b) 2的一维（1D）链。(c) 2的二维（2D）层。(d) 2的三维（3D）超分子结构。为了清晰起见，省略了2的所有氢原子。合成协议的细微差异解释了化合物1和2之间观察到的结构差异。对于化合物1，使用了相对较低的反应物量：0.1 mmol Zn(NO3)2·6H2O和各0.2 mmol的DHTA和bix配体。反应在15 mL高压釜中进行，溶剂量为10 mL，填充度为66.7%。在这种低体积系统中，溶液的高热传递效率提高了成核速率。此外，受限的生长空间促进了具有强π–π堆叠相互作用的密集二维（2D）结构的形成。19,20相反，化合物2的反应物量增加了四倍：0.4 mmol Zn(NO3)2·6H2O、0.8 mmol DHTA和0.8 mmol bix。反应在50 mL高压釜中进行，溶剂量为40 mL，填充比达到80%。在这种高体积系统中，减弱的热对流和质量传递效率减缓了晶体生长动力学。缓慢的生长提供了足够的时间来优化它们的排列，最终形成了相互穿透的3D框架。21,22

FT-IR、PXRD、稳定性分析

DHTA、bix配体以及两种化合物的傅里叶变换红外（FTIR）光谱显示在图S2中。对于DHTA配体，3300–2500 cm?1范围内的宽带和1700 cm?1附近的强峰分别归属于羧酸基团的O–H和CO伸缩振动。配位后，化合物1和2中的这个宽带显著变窄，表明羧基发生了脱质子化。羧酸基团的特征对称（COO?）和反对称（COO?）伸缩振动分别在1340–1490 cm?1和1520–1650 cm?1处被检测到，证实了羧酸氧与Zn(ii)离子的配位。对于bix配体，3250 cm?1附近的宽峰归属于N–H伸缩，1500–1600 cm?1区域的峰则来源于CN伸缩振动。化合物1和2中450–550 cm?1处的CN吸收峰表明咪唑氮原子参与了与Zn(ii)的配位。粉末X射线衍射（PXRD）用于验证合成化合物1和2的相纯度。图S3显示，化合物1和2的实验PXRD图案与单晶数据的模拟图案非常吻合，证实了块状材料的相纯度。峰强度的微小变化是由于微晶的优选取向所致。在氮气氛围下，通过30–800 °C的温度范围进行了热重分析（TGA），以评估化合物的热稳定性（图S4）。化合物1和2经历了类似的两步分解：大约在330 °C开始快速、显著的重量损失，随后是缓慢的、持续的重量损失。第一步分解主要是由有机配体的分解引起的。两种化合物的高热稳定性源于bix配体的刚性、共轭骨架以及电负性羧酸氧原子与Zn(ii)离子之间形成的强配位键。值得注意的是，超过大约420 °C时，化合物2的重量损失比化合物1慢，显示出更好的热稳定性。这种改进归因于2的弹性3D穿透框架，它由相互连接的层构成。相比之下，化合物1的3D超分子结构主要由其2D层之间的相对较弱的π–π堆叠相互作用稳定，导致在较高温度下分解较快。23为了研究化合物1和2在水中的稳定性，将样品浸泡在pH = 3–11的水溶液中。PXRD结果显示，处理后样品的特征衍射峰的位置和强度没有明显变化，并且与合成样品和单晶数据的模拟图案高度一致（图S5）。这表明材料的晶体框架在测试的pH范围内没有崩解或发生结构变化，显示出优异的酸碱稳定性。发光特性

在365纳米（365 nm）紫外（UV）照射下，化合物1和2都发出了肉眼可见的强烈绿色荧光（图S7）。这些化合物的固态激发和发射光谱与自由DHTA和bix配体的光谱进行了对比（图S6）。DHTA（λ = 480 nm，λ = 425 nm）和bix（λ = 508 nm，λ = 440 nm）的配体中心荧光来源于配体内的π*–n或π–π*跃迁。在与Zn(ii)配位后，检测到荧光发射的显著红移。化合物1在530 nm处显示出宽的发射最大值（λ = 394 nm），相对于DHTA红移了50 nm，相对于bix红移了22 nm。化合物2在540 nm处显示出更进一步的红移发射最大值（λ = 402 nm），相对于DHTA红移了60 nm，相对于bix红移了32 nm。由于d10 Zn(ii)离子的氧化还原惰性特性，红移是由于配体内或配体间的电荷转移（CT）激发态的产生。配体配位诱导了DHTA和bix电子云的有效重组，导致两种化合物的能隙变窄（图S12），这从根本上调节了发射颜色。光物理参数进一步突出了化合物2的优势。化合物2的荧光量子产率（Φ = 13.78%）明显高于化合物1（Φ = 6.02%）。24化合物1和2的荧光寿命衰减曲线用双指数函数拟合，拟合优度参数（R2）接近1，表明拟合质量非常好。通过平均寿命公式：((τavg) = (A1τ12 + A2τ22)/(A1τ1 + A2τ2))得出，化合物1的平均寿命为0.83 μs，化合物2的平均寿命为0.98 μs（图S8）。两种化合物的荧光光谱也在298 K（25 °C）的水溶液中进行了测量。化合物1在水中保持大约530 nm的发射最大值，而化合物2在水中的发射最大值向蓝侧移动了18 nm（与固态发射轮廓相比，图S7）。这意味着2的晶体中高度对称的四面体配置在溶液中可能经历了局部结构扭曲，这可能是由配位或与水的氢键相互作用驱动的。这种溶剂诱导的结构扭曲可能调节了金属-配体或配体中心跃迁的能量，导致了观察到的光谱位移。总之，两种Zn(ii)复合物都表现出强烈的绿色发射，这使它们适用于荧光成像。化合物2以其相对较高的荧光量子产率和更红的发射而脱颖而出，这些结构优势归因于更理想的四面体配位几何结构。此外，2在水介质中的稳定荧光增强了其作为潜在细胞成像候选物的可行性。荧光稳定性对抗离子干扰

在应用基于Zn(ii)的化合物进行癌细胞成像的背景下，保持荧光稳定性在复杂的离子环境中是至关重要的，因为各种生物离子可能会触发荧光淬灭。为了评估这种荧光稳定性，我们检查了这两种化合物对一系列常见生物阳离子和阴离子的荧光响应。测试的阳离子包括Ca2+、Cd2+、Co2+、Cr3+、Cu2+、Fe3+、Li+、Na+、Ni2+和K+，以硝酸盐衍生物[M(NO3)x]的形式提供，最终浓度为0.01 mol L?1。测试的阴离子包括Br?、Cr2O72?、CrO42?、HPO42?、NO3?、PO43?、S2O82?和SO42?，以钾盐或钠盐的形式提供，浓度为0.01 mol L?1。荧光识别实验表明，这两种化合物在暴露于上述任何离子时都没有经历显著的荧光淬灭（图S9和S10）。此外，化合物2在所有测试的离子条件下始终显示出比化合物1更高的荧光发射强度。总的来说，这些发现表明这些化合物在存在多种潜在离子淬灭剂的情况下具有出色的抗干扰性和稳定的荧光特性。这种在离子环境中的强大荧光稳定性为它们在后续癌细胞成像中的可靠使用奠定了坚实的实验基础，其中细胞内离子水平和种类会有显著波动。25,26

细胞毒性评估和细胞死亡机制研究

由于这两种化合物的发光特性和良好的水稳定性，评估了它们作为细胞成像剂的适用性，分别在三种癌细胞系中进行了测试：HeLa（Henrietta Lacks宫颈腺癌）、SH-SY5Y（人类骨髓神经母细胞瘤）和A549（人类肺癌）。首先通过Cell Counting Kit-8（CCK-8）试剂盒在24小时孵育后评估了这些化合物的细胞毒性效应。在10–150 μmol L?1的浓度范围内测量了细胞活力；量化了对细胞增殖的抑制效应，并计算了每种化合物的半数抑制浓度（IC50）。IC50值定义为使细胞活力降低50%所需的化合物浓度，是细胞毒性的关键指标，IC50值低表示高细胞毒性。27,28使用单因素方差分析（ANOVA）进行统计分析，并对每个实验组与对照组进行了成对比较（图2）。体外细胞毒性实验揭示了这两种化合物不同的活性特征。在HeLa细胞实验中（图2a），化合物1表现出强烈的细胞毒性，在10 μmol L?1浓度时细胞存活率下降到48.1%，而在150 μmol L?1浓度时进一步下降到25.1%，对应的IC50值为19.71 ± 3.65 μmol L?1。相反，化合物2的毒性可以忽略不计，在整个浓度范围内（高达150 μmol L?1）细胞存活率始终保持在80%以上（IC50 > 150 μmol L?1），这突显了其作为生物相容性成像剂的适用性。在SH-SY5Y细胞实验中，两种化合物都抑制了细胞增殖，但作用强度不同，化合物1的IC50值为53.37 ± 4.95 μmol L?1，化合物2的IC50值为42.40 ± 7.05 μmol L?1（图2b）。在10 μmol L?1浓度时，化合物1的细胞存活率为80%，化合物2的细胞存活率为70%，表明在这一浓度下具有可接受的生物相容性。当浓度在50到100 μmol L?1之间时，细胞存活率急剧下降，在最大浓度150 μmol L?1时，化合物1的细胞存活率为15.8%，化合物2的细胞存活率为28.7%。在A549细胞实验中，化合物2在10 μmol L?1浓度时导致细胞存活率迅速下降到56.6%，并在150 μmol L?1浓度时进一步下降到44.9%（图2c）。尽管化合物2的IC50值大于150 μmol L?1，但在低浓度下显著的细胞存活率降低表明了其独特的作用机制，并暗示了其在治疗A549细胞方面的潜在用途。在HeLa/SH-SY5Y细胞中，两种化合物在各种浓度下都显示出显著的抑制效果（P < 0.05），在A549细胞中仅化合物2显示出显著效果。重要的是，在24小时的处理后，即使在最大浓度150 μmol L?1下，也检测不到急性细胞死亡。这种在低浓度下的可接受生物相容性为后续的细胞成像研究提供了坚实的基础。

(a) 用不同浓度的1和2处理的HeLa细胞的增殖率。(b) 用不同浓度的1和2处理的SH-SY5Y细胞的增殖率。(c) 用不同浓度的2处理的A549细胞的增殖率。*P < 0.05。鉴于化合物1对HeLa细胞的IC50值显著较低，我们进一步通过透射电子显微镜（TEM）分析了其细胞超微结构形态来探索其细胞毒性机制。如图S11所示，处理的HeLa细胞显示出典型的凋亡迹象（例如，细胞核收缩、不规则性、染色质凝聚和凋亡小体）以及铁死亡（例如，线粒体收缩、嵴减少或消失以及膜密度增加）。同时检测到了内质网（ER）应激的指标（扩张的粗糙内质网（RER）和核糖体脱颗粒）和自噬激活的指标（丰富的自噬小泡）。这些超微结构的变化共同表明了多种细胞死亡途径的协同激活，其中铁死亡相关的脂质过氧化可能会加剧ER应激，从而促进凋亡性细胞死亡。

细胞成像和定位研究

上述细胞毒性结果表明，在≤10 μmol L?1的浓度范围内，化合物2在所有测试的细胞系中保持了高细胞存活率（>70%），为作为生物成像探针的应用建立了必要的生物相容性窗口。因此，选择10 μM（相当于10 μmol L?1）作为后续细胞成像实验的代表性工作浓度，目的是在避免显著急性细胞毒性的同时评估其亚细胞定位。随后，在HeLa、SH-SY5Y和A549细胞上进行了体外成像实验，以与之前的细胞毒性评估系统保持一致。在与化合物1或2（10 μM）共孵育4小时后，用Hoechst 33258（一种核标记物）对细胞进行染色，以确定化合物的细胞内定位。在405 nm激光激发下获取了共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（图3和4）。如图3所示，化合物1的荧光信号在HeLa和SH-SY5Y细胞系的细胞质和细胞核中均匀分布，这与之前的成像实验设置一致。化合物1的核信号与Hoechst 33258完全重叠（在合并图像中显示为青色），证实了其强大的核靶向能力。这种分布模式表明，化合物1密集堆积的二维层状结构可能有助于其被动穿过细胞核膜，而π–π堆叠相互作用可能增强了结构稳定性并减轻了聚集引起的淬灭效应。化合物2表现出依赖于细胞类型的亚细胞定位（图4），与化合物1在细胞质和细胞核中的均匀分布不同。在HeLa细胞中，化合物2主要分布在细胞质中，细胞核周围的荧光信号强烈，与Hoechst 33258染色的细胞核几乎没有重叠（在合并图像中显示为蓝色）。相比之下，在SH-SY5Y和A549细胞中，化合物2的荧光在细胞质和细胞核中均匀分布，并在细胞核中与Hoechst 33258显著共定位（在合并图像中显示为亮青色）。总体而言，化合物2表现出对多种细胞类型的成像能力，这归因于其适应性的定位特性。

图3显示了用1和Hoechst 33258染料（5 μg mL?1）处理的两种癌细胞的共聚焦激光扫描显微镜图像。注意：（左）细胞核染色图像；（中）与1反应后的细胞染色图像；（右）合并图像；比例尺 = 20 μm。图4显示了用2和Hoechst 33258染料（5 μg mL?1）处理的三种癌细胞的共聚焦激光扫描显微镜图像。注意：（左）细胞核染色图像；（中）与2反应后的细胞染色图像；（右）合并图像；比例尺 = 20 μm。结合其先前确认的优越内在荧光强度和量子产率，它相对于化合物1提供了更清晰、更稳健的成像信号。

值得注意的是，在SH-SY5Y细胞中，两种化合物在细胞各部分都显示出均匀的信号分布，这可能与特定癌细胞系的高膜流动性有关。结合细胞毒性和成像数据（图2–4），两种化合物在SH-SY5Y细胞中表现出独特的“浓度依赖的双重功能”。在≤10 μmol L?1的浓度下，两种化合物保持了高细胞存活率，并表现出强大的荧光成像能力；而在≥50 μmol L?1的浓度下，它们表现出明显的细胞增殖抑制作用。结果突出显示，特别是在SH-SY5Y细胞中，这两种化合物可以发展成为具有浓度可调的诊断成像和治疗功能的诊疗剂，作为集成诊断-治疗平台。金属有机框架（MOFs）可以通过多种机制进入细胞，其中内吞作用是最常报道的途径。这一过程受到MOFs的关键物理化学性质的影响，如粒径和功能基团。带正电的纳米级MOFs通常与带负电的细胞膜有更强的相互作用，通过内吞或微胞饮途径进入细胞。一旦内化，MOFs通常会被运输到细胞质或细胞核区域，具体取决于摄取途径。因此，根据Debye–Scherrer方程计算了1和2的适当粒径：τ = Kλ/β?cos?θ，其中τ是垂直于晶格平面的材料晶粒尺寸，K是一个常被称为晶粒形状因子的数值因子，λ是X射线的波长，β是X射线衍射峰的半高宽（FWHM），θ是布拉格角。对于计算，选择了每种化合物的最强峰，并从PXRD数据中确定了峰的半高宽（FWHM）。1和2的FWHM值分别为0.22和0.14，对应于19.36°和9.6°的峰。1的粒径为36 nm，2的粒径为56 nm。为了在细胞成像中有效使用，材料必须具有纳米级粒径和良好的水溶性。根据Debye–Scherrer公式，两种MOFs的粒径都小于100 nm。然而，1在水中形成了悬浮液，而2在水中有良好的溶解性，表明2是更理想的细胞成像化合物。

关于结构-性质关系的讨论

综合数据集表明，化合物2的优越光物理性能源于其更优的四面体配位几何结构。从电子学角度来看，这种结构优势转化为较小的HOMO–LUMO能隙（3.86 eV对比化合物1的3.96 eV；图5），这直接与其红移发射（540 nm对比530 nm）和大约两倍的荧光量子产率（13.78%对比6.02%）相关。在发光材料中，如Zn-MOFs，荧光发射的起源是电子从LUMO（最低未占据的分子轨道）回到HOMO（最高占据的分子轨道）的过程中，伴随着光子的释放。根据公式：E = hc/λ，光子能量与波长成反比。小的带隙对应于HOMO和LUMO之间的能量级差较小；因此，电子跃迁释放的能量相对较低，导致发射波长较高（即红移）。在这项研究中，Zn(ii)离子与配体的配位促进了配体电子云的有效重排，而不仅仅是“带隙减小”导致了荧光增强。正是优化配位结构和减小带隙的综合作用，使得荧光强度和量子产率同时得到提高。

图5显示了化合物1（a）和2（b）的能级图。值得注意的是，这种内在的改进在多种应用场景中带来了强大的功能优势。首先，在与广泛的阳离子和阴离子进行的荧光传感实验中，化合物2始终显示出比化合物1更高的发射强度，表明2的对称结构不仅增强了内在荧光，还提高了对潜在淬灭干扰物的抵抗力。最重要的是，这些优越的光物理性质直接支持了2在生物成像应用中的出色表现，这与之前的共聚焦成像结果一致。化合物2增强的亮度和稳定性为共聚焦显微镜应用提供了切实的实际好处。化合物2有效地成像了所有三种测试的癌细胞系（HeLa、SH-SY5Y和A549），显示出独特且稳定的信号，展示了其广泛的适用性。此外，2在细胞类型上的特异性定位特征（例如，在HeLa中主要分布在细胞质中，而在SH-SY5Y/A549中与细胞核共定位）以及其在SH-SY5Y细胞中确认的浓度依赖的诊疗窗口，突显了其功能复杂性，这源于其灵活而稳定的分子结构。因此，2的优化结构是其全面优势的基石，包括基本的电子性质、在复杂环境中的稳定性，以及作为多功能发光材料在传感和生物成像中的有效、可靠的性能。

总结

总之，通过定制的水热方法合成了两种基于Zn(ii)的MOFs（化合物1和2），其结构差异源于反应物负荷和高压釜填充程度的不同。化合物1形成了由π–π堆叠稳定的三维超分子结构，而化合物2则组装成了具有更理想四面体Zn(ii)配位几何结构的互穿三维框架。两种化合物都表现出以配体为中心的电荷转移起源的绿色荧光，并且在面对各种生物离子时保持了稳定的荧光强度，其中化合物2在所有离子条件下都显示出更强的发射强度。在生物学上，化合物1对HeLa细胞表现出强烈的细胞毒性，而化合物2在HeLa细胞中具有高度的生物相容性，使其成为理想的成像剂。在SH-SY5Y细胞中，两种化合物都表现出浓度依赖的双重功能——低浓度时能够进行成像，而高浓度时则抑制细胞增殖。化合物2还表现出细胞类型适应性的亚细胞定位，使得能够清晰地成像HeLa、SH-SY5Y和A549细胞。这项工作不仅强调了微妙的合成修改可以调节框架结构和配位几何以优化光物理和生物性能，还为基于MOFs的材料提供了有价值的见解，这些材料具有定制的功能，适用于传感、生物成像和癌症治疗。利益冲突

没有需要声明的利益冲突。数据可用性

CCDC 2455666（1）和2455667（2）包含本文的补充晶体学数据。所有支持本文的数据都已包含在手稿中或作为补充信息（SI）的一部分。补充信息包括额外的实验数据、晶体学数据、额外的图表和光学数据。详见DOI: https://doi.org/10.1039/d6ra02099b。致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（22063008和22463010）、高层次人才全职招聘计划（2024BEH04153）、宁夏省青年人才支持计划以及宁夏医科大学的研究生创新实验和学科项目（X2025107520014）的支持。参考文献
脚注

这些作者对这项工作做出了同等贡献。