【金属掺杂Ln-COF】一种高发光镧系元素功能化共价有机框架，用于快速特异性检测7-甲基鸟嘌呤和DNA甲基化评估

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摘要：
华东理工大学郝继娜、李永生老师等报道的本篇文章（Biomater. Sci., 2024）中报道了一种新型的稀土掺杂共价有机框架（Ln-COF）荧光探针，DPA/Eu@ETTA-DHTA，用于快速、特异性地检测7-甲基鸟嘌呤（m7Gua），这是反映DNA甲基化程度的一个生物标志物，对癌症早期筛查和诊断具有重要意义。该探针通过将吡啶-2,6-二羧酸（DPA）作为能量供体和识别位点，以及Eu^3+离子作为信号报告者，整合到具有高孔隙度和可用结合位点的稳定COF基质中。显著的是，Eu^3+离子的特有发光可以通过接枝的DPA在COF探针中被激发，并可通过m7Gua的加入通过竞争性吸收过程有效猝灭，从而实现对m7Gua的检测。该Ln-COF基础的荧光平台对m7Gua表现出高选择性和快速响应（<1分钟），即使在尿液中主要共存物种存在的情况下，也能以低检测限（μM级）进行检测，使其能够作为实际探针用于临床监测人类尿液样本中m7Gua的水平。本研究提供了一种方便、节省时间和经济的方法，用于直观检测m7Gua，并为设计用于诊断中DNA甲基化评估的发光COF基础探针开辟了新视角。

研究背景：
1. DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，在基因表达调控中起着关键作用。异常的DNA甲基化与多种疾病相关，包括肿瘤发生和发展，因此，评估DNA甲基化对早期肿瘤筛查和诊断具有重要意义。
2. 目前，m7Gua的检测主要依赖于高性能液相色谱-质谱（HPLC-MS）和电化学方法等，这些方法虽然敏感，但依赖昂贵的设备和专业的操作技术，存在分析耗时长、预处理复杂和选择性低等缺点。
3. 本研究开发了一种基于稀土掺杂COF的荧光探针，通过设计新型的DPA/Eu@ETTA-DHTA COF，利用竞争性吸收效应实现对m7Gua的高选择性和快速响应检测，克服了现有技术的局限。

实验部分：
1. ETTA-DHTA COF的合成：
   - 将ETTA（30 mg, 0.0764 mmol）和DHTA（25.4 mg, 0.1530 mmol）溶解在1,4-二氧六环（1 mL）和冰醋酸（6 M, 0.1 mL）的混合溶剂中。
   - 在液氮浴中脱气20分钟后，密封玻璃安瓿瓶，室温下反应3天。
   - 反应结束后，用无水1,4-二氧六环洗涤，120°C下真空干燥2小时。
2. Eu@ETTA-DHTA COF的制备：
   - 将50 mg ETTA-DHTA COF浸入0.01 M Eu^3+盐溶液中，室温下搅拌过夜。
   - 用无水乙醇洗涤以去除表面吸附的Eu^3+离子，60°C真空干燥12小时。
3. DPA/Eu@ETTA-DHTA COF的合成：
   - 将50 mg Eu@ETTA-DHTA COF粉末加入到10 mL 0.01 M DPA乙醇溶液中，室温下搅拌过夜。
   - 收集产物，用无水乙醇洗涤，60°C真空干燥12小时。
4. m7Gua的发光检测实验：
   - 将DPA/Eu@ETTA-DHTA COF（1 mg）分散于10 mL去离子水中，形成0.1 mg/mL的浑浊悬浮液。
   - 向悬浮液中逐量加入新鲜制备的m7Gua溶液，25°C超声5分钟。
   - 记录每次加入后的浓度依赖性发光光谱。
5. 选择性实验：
   - 将尿液中常见的干扰物种（Na2SO4, Crea, UA等）加入到DPA/Eu@ETTA-DHTA COF悬浮液中，25°C超声5分钟。
   - 记录加入干扰物种后的发光光谱，评估探针的选择性。

分析测试：
1. 粉末X射线衍射（PXRD）：
   - 测试结果：ETTA-DHTA COF显示出高结晶性，衍射峰位于2.7°, 4.6°, 5.4°, 和 8.10°。
2. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：
   - 测试结果：C=N键的特有吸收峰位于1612 cm^-1。
3. 紫外-可见吸收光谱：
   - 测试结果：DPA/Eu@ETTA-DHTA COF与m7Gua的吸收光谱在240-290 nm范围内重叠。
4. 比表面积和孔隙度分析：
   - 测试结果：ETTA-DHTA COF的BET比表面积为2673.2 m^2·g^-1，孔容为1.27 cm^3·g^-1。
5. X射线光电子能谱（XPS）：
   - 测试结果：Eu@ETTA-DHTA COF中Eu 3d5/2和Eu 3d3/2的结合能分别为1118.5 eV和1145.5 eV。
6. 能量色散X射线（EDX）和感应耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）：
   - 测试结果：Eu^3+离子的掺杂量为0.67%。
7. 热重分析（TGA）：
   - 测试结果：DPA/Eu@ETTA-DHTA COF热稳定性高达400°C。
8. 光致发光（PL）光谱和寿命衰减：
   - 测试结果：DPA/Eu@ETTA-DHTA COF在278 nm激发下，Eu^3+离子的发射峰位于579, 593, 614, 648, 和 692 nm，荧光寿命从210 μs降低到170 μs。
9. 氮气吸附-脱附等温线：
   - 测试结果：BET比表面积从ETTA-DHTA COF的2673.2 m^2·g^-1降低至DPA/Eu@ETTA-DHTA的1162 m^2·g^-1。
10. 荧光选择性实验：
    - 测试结果：DPA/Eu@ETTA-DHTA COF对m7Gua的选择性高于其他尿中常见物种，发光强度变化（ΔI）远小于仅含m7Gua的悬浮液。

总结：
本文成功设计并制备了一种新型的稀土掺杂COF荧光探针，用于快速、高选择性地检测m7Gua。该探针基于竞争性吸收效应，展现出快速响应（<1分钟）、高选择性和在尿液中的主要共存物种存在下的低检测限。这些特点使其成为实际临床监测中用于DNA甲基化评估的有前景的工具。

展望：
未来研究应进一步探索该探针在其他生物标志物检测中的应用，并开展大规模的临床样本验证研究，以评估其在真实世界条件下的实用性和可靠性。同时，研究探针的长期稳定性和重复使用性，以降低检测成本，提高其在临床应用中的经济性。此外，深入研究其在复杂生物体系中的稳定性和可能的生物相容性问题，也是未来工作的重要方向。

A highly luminescent lanthanide-functionalized covalent organic framework for rapid and specific detection of 7-methylguanine for DNA methylation assessment
文章作者：Tao Hu,a Ji-Na Hao* and Yongsheng Li*
DOI：10.1039/D4BM01018C
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/bm/d4bm01018c

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