【发光MOF材料】具有大斯托克斯位移的发光金属有机框架用于高效检测大鼠脑中的硫化氢

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摘要：
南昌大学吴芳英、黄鹏程老师等报道的本篇文章（Anal. Chem. 2024）中开发了一种新型的基于金属-有机框架（MOF）的纳米探针，用于高效检测大鼠大脑中的硫化氢（H2S）。硫化氢是一种气体信号分子，对中枢神经系统的各种生理和病理过程有调节作用。现有的H2S荧光探针在准确定量分析中存在制备复杂、斯托克斯位移小、选择性不高和响应时间长等挑战。本研究通过简单的后合成修饰，将H2S触发的二硝基苯基（DNP）醚硫醇解限制在发光MOF内，解决了这些问题。由于H2S对DNP基团的裂解，该纳米探针产生了显著的荧光开启信号，斯托克斯位移达到190 nm，并在存在竞争性生物硫醇的干扰物中对H2S显示出高选择性。尤其是由于MOF的独特结构属性，它对H2S表现出超快的传感能力（仅5秒）。此外，荧光增强效率与0-160 μM范围内的H2S浓度呈良好的线性相关，检测限为0.29 μM。重要的是，这些优异的传感性能使纳米探针能够在大鼠大脑中测量H2S的基础值和监测H2S水平的变化。

研究背景：
1. 硫化氢（H2S）作为气体信号分子，在中枢神经系统中扮演重要角色，但其在生物体系中的准确检测面临挑战，尤其是在复杂的生物系统中，如大脑。
2. 已有的检测方法包括比色法、电化学、色谱法和表面增强拉曼散射等，但它们不适合于脑内H2S的可靠检测，主要因为大脑系统的化学复杂性，尤其是生物硫醇（如谷胱甘肽和半胱氨酸）的潜在干扰。
3. 作者基于后合成修饰，创新性地将H2S触发的DNP醚硫醇解限制在发光MOF内，制备了一种新型的荧光探针。该探针具有大斯托克斯位移、高选择性、快速响应和良好的生物相容性，为H2S的检测提供了一种有效的新方法。

实验部分：
1. Al-MIL-53-(OH)2的合成：
   - 将1.932克AlCl3·6H2O和1.584克2,5-二羟基对苯二甲酸(H2DHT)溶解在20 mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，室温下搅拌30分钟直至完全溶解。
   - 转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，125°C下反应8小时。
   - 反应后，通过离心收集沉淀，并用DMF洗涤三次以去除过量配体和金属离子。
   - 将产物溶于甲醇:水(1:1, v/v)的混合溶液中，在100°C下加热12小时，再次通过离心去除上清液。
   - 所得固体用甲醇:水(1:1, v/v)洗涤三次，真空干燥过夜。
2. Al-MIL-53-(OH)2/DNP的合成：
   - 将0.1克Al-MIL-53-(OH)2和3.6 mmol的K2CO3溶解在15 mL DMF中，超声处理30分钟。
   - 加入0.4 mmol的2,4-二硝基氟苯(DNF)，75°C水浴中黑暗条件下反应6小时。
   - 通过离心分离沉淀，用DMF、乙醇和水洗涤各三次，80°C真空干燥24小时。
3. H2S检测程序：
   - 将Al-MIL-53-(OH)2/DNP(1 mg)溶解在1 mL PBS缓冲液(pH 7.4)中，制备成1 mg/mL的储备溶液。
   - 取10 μL该溶液与不同浓度的Na2S·9H2O混合，稀释至1 mL，摇匀5秒后，用360 nm的激发波长测量荧光光谱。
4. 体内实验：
   - 采用成年雄性Sprague-Dawley大鼠，体重280-350克，进行麻醉并固定于立体定位仪。
   - 将微透析导管植入大鼠海马区，通过微透析探针以2 μL/min的流速灌注人工脑脊液(aCSF)进行平衡。
   - 收集90分钟后的微透析液，然后通过腹腔注射维生素B12(250 μM/kg)，再收集30分钟后的微透析液。

分析测试：
1. 扫描电子显微镜(SEM)：
   - 观察Al-MIL-53-(OH)2和Al-MIL-53-(OH)2/DNP的形态，发现修饰后形貌基本不变。
2. 粉末X射线衍射(PXRD)：
   - 对Al-MIL-53-(OH)2和Al-MIL-53-(OH)2/DNP进行PXRD测试，发现两者的衍射峰匹配良好，表明结构稳定。
3. 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)：
   - 测试显示Al-MIL-53-(OH)2在3365 cm−1处的羟基伸缩振动峰和1395 cm−1处的弯曲振动峰在修饰后减弱，表明DNP基团成功连接。
4. 紫外-可见(UV-vis)吸收光谱：
   - Al-MIL-53-(OH)2在250 nm和350 nm处有特征吸收峰，而Al-MIL-53-(OH)2/DNP在405 nm处出现新的肩峰，证实了DNP基团的引入。
5. 荧光光谱：
   - Al-MIL-53-(OH)2/DNP在添加Na2S后，550 nm处的荧光强度显著增强，表现出对H2S的高灵敏度响应。
6. 荧光寿命：
   - Al-MIL-53-(OH)2的荧光寿命为4.58 ns，而Al-MIL-53-(OH)2/DNP的荧光寿命缩短至4.20 ns，表明存在动态猝灭。
7. 氮气吸附-脱附等温线：
   - Al-MIL-53-(OH)2的BET比表面积为790 m²·g−1，而Al-MIL-53-(OH)2/DNP降低至236 m²·g−1，表明DNP基团部分堵塞了孔洞。
8. 高分辨质谱(HR-MS)：
   - 证实了配体中的一个羟基被DNP基团替代，只观察到一个羟基的取代。
9. 荧光增强效率与H2S浓度的关系：
   - 在0-160 μM的H2S浓度范围内，荧光强度变化与H2S浓度呈线性关系，回归方程为(F−F0)/F0 = 0.039 C + 0.033，相关系数R2 = 0.995，检测限为0.28 μM。
10. 选择性测试：
    - 对Al-MIL-53-(OH)2/DNP进行了多种潜在干扰物的选择性测试，结果表明，只有H2S能显著恢复荧光，展现出高选择性。

总结：
本文成功开发了一种新型的基于MOF的荧光探针Al-MIL-53-(OH)2/DNP，用于快速、灵敏、选择性地检测大鼠大脑中的H2S。该探针通过一步后合成修饰制备，具有大斯托克斯位移（190 nm），能够超快速响应H2S（5秒内），并且具有优异的生物相容性和体内应用潜力。通过体内微透析和组织成像实验，验证了探针的实用性和准确性。

展望：
本研究为H2S的检测提供了一种新方法，对于理解H2S在生理和病理过程中的作用具有重要意义。未来的工作可以进一步探索该探针在其他生物体系中的应用，并改进其光学性质，如将发射波长调整至近红外区域，以拓宽其在生物医学领域的应用范围。同时，也期待作者能够对探针的长期稳定性和体内分布进行更深入的研究。

Confining Thiolysis of Dinitrophenyl Ether to a Luminescent Metal−Organic Framework with a Large Stokes Shift for Highly Efficient Detection of Hydrogen Sulfide in Rat Brain
文章作者：Mengxia Qin, Wenliang Ji, Pengcheng Huang,* Fang-Ying Wu,* and Lanqun Mao
DOI：10.1021/acs.analchem.4c03929
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c03929

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