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【JACS】COF单原子荧光开关实现ATP精准识别
摘要
中山大学朱芳与陈国胜团队在 J. Am. Chem. Soc.发表研究，提出一种刚柔耦合孔道工程策略，在发光腙基共价有机框架（COF）中同时引入刚性Fe单原子位点与可调长度的柔性烷氧基链，用于三磷酸腺苷（ATP）及其类似物AMP、ADP的选择性识别，定量范围10 nM–50 μM，检出限低至8.99 nM。
研究背景
1. 行业问题
COF材料具有可编程孔道结构和可调主客体相互作用。然而，大多数COF孔道刚性较强，缺乏能够识别结构相似生物分子的自适应结合位点，难以区分ATP、ADP与AMP这类仅磷酸基团数目不同的核苷酸类似物。
2. 现有方案
已有发光COF传感器多依靠骨架发光变化或引入刚性识别位点，但刚性孔道难以对磷酸基团数目的细微差异作出响应；同时，单原子位点虽可提供明确配位环境，却缺少类似酶口袋中柔性二级配位球的动态辅助作用。
3. 本文创新
本文借鉴酶活性口袋中“刚性活性位点+柔性二级配位球”的协同识别模式，在发光腙基COF中构建刚柔耦合孔道：以刚性Fe单原子作为识别与电子转移开关，以不同长度烷氧基链作为柔性调控单元。通过链长变化调节Fe配位几何与主客体结合方式，首次实现COF对ATP相对于AMP/ADP的高选择性荧光开启识别。
实验内容
1. 腙基COF的合成与金属化
1) 作者以三连接苯-1,3,5-三碳酰肼Bth为节点，与带有邻位烷氧基链（甲氧基、乙氧基、庚氧基）的二连接对苯二甲醛衍生物通过席夫碱缩合，合成三种同构腙基COF，分别记为COF-M、COF-E和COF-H。
2) 随后将COF浸入FeCl3乙醇溶液，使Fe锚定在孔壁腙键附近，得到Fe-COF-M、Fe-COF-E和Fe-COF-H。
2. 变量设计与对照
实验以烷氧基链长度为核心变量，考察柔性链对Fe负载量、配位环境和识别性能的影响；同时通过替换金属离子（Zn2+、Cu2+、Ni2+、Zr4+）以及调节Fe2+/Fe3+比例，验证Fe3+单原子位点对ATP识别的关键作用。
3. 传感性能测试
作者开展ATP、ADP、AMP的吸附动力学实验和荧光滴定实验，并在血清与细胞裂解液中开展加标回收实验，比较Fe-COF-H与商业化ATP检测试剂盒的定量一致性。
分析表征
1. 结构表征
1) PXRD显示三种COF均具有与AA堆叠模拟图谱吻合的尖锐衍射峰，金属化后结晶性保持；
2) Fe-COF-M、Fe-COF-E、Fe-COF-H的Fe负载量分别为1.37 wt.%、1.33 wt.%和0.90 wt.%，其中Fe-COF-H负载量降低主要归因于长庚氧基链的位阻限制。
2. 单原子分散与配位环境
1) Fe K边XANES表明Fe价态介于+2与+3之间；FT-EXAFS在约1.6 Å处出现单一主峰，且无Fe–Fe或Fe–O–Fe散射峰，证明Fe以单原子形式存在。
2) 与对称Fe–N4的FePc相比，Fe-COFs呈现不对称配位特征。
3. 传感性能证据
1) Fe-COF-H对ATP的饱和吸附量为221.5×10–3 μmol/g，约为ADP（50.9×10–3 μmol/g）的4.35倍、AMP（34.1×10–3 μmol/g）的6.5倍；
2) 荧光法对ATP的定量范围为10 nM–50 μM，检出限8.99 nM。血清和细胞裂解液加标回收率为101.43%–115.20%，RSD为0.27%–4.47%。
机理分析
1. 刚柔耦合识别模型
Fe-COF-H中刚性Fe单原子提供主要配位识别位点，而柔性庚氧基链通过位阻效应调控Fe配位几何，并借助氢键、C–H···π和疏水作用对ATP进行自适应结合，从而区分磷酸基团数目不同的ATP、ADP和AMP。
2. 荧光开启机制
ATP与Fe位点的选择性结合抑制了从COF骨架到Fe位点的光诱导电子转移，使荧光恢复，产生仅对ATP响应的开启信号。ICP-MS证实传感过程中无明显Fe流失，排除了ATP诱导Fe解离导致荧光恢复的可能。
3. Fe的价态影响
Fe3+主导状态比Fe2+主导状态对ATP具有更高灵敏度和选择性，符合硬软酸碱原则；替换其他金属离子后荧光响应可忽略，说明Fe3+单原子位点的必要性。
总结
1. 本研究提出刚柔耦合孔道工程策略，在发光腙基COF中整合刚性Fe单原子开关与柔性烷氧基链，实现了对ATP相对于AMP和ADP的高选择性荧光识别。
2. 该传感器定量范围为10 nM–50 μM，检出限8.99 nM，并在血清和细胞裂解液中表现出良好回收率与抗基质干扰能力，可用于区分正常细胞与癌细胞裂解液中的ATP水平。
文章标题：Rigid-Flexible Coupling Pore Engineering in Covalent Organic Frameworks Enables the Selective Identification of Nucleotide Analogues
文章作者：Yizhang Li; Linjing Tong; Weiyu Ye; Rui Gao; Xiaoxue Kou; Yufan Liang; Jinsheng Huang; Siming Huang; Fang Zhu * ; Guosheng Chen * ; Gangfeng Ouyang
DOI：10.1021/jacs.6c16288
文章链接：https://pubs.acs.org/jacsat/article/doi/10.1021/jacs.6c16288/5440339/Rigid-Flexible-Coupling-Pore-Engineering-in
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中山大学朱芳与陈国胜团队在JACS提出一种刚柔耦合孔道工程策略，在发光腙基COF中同时引入刚性Fe单原子位点与可调长度的柔性烷氧基链，用于三磷酸腺苷（ATP）及其类似物AMP、ADP的选择性识别。
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