共价有机框架微针实现体内化学彩色层析成像

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摘要：
Massachusetts Institute of Technology的Benedetto Marelli和Michael S. Strano等报道的本篇文章（Nat Commun 15, 9300, 2024）中开发了一种基于共价有机框架（COF）的彩色传感器，该传感器集成在丝素蛋白（SF）微针中，用于探测植物血管系统，并作为干旱胁迫的生物标记物，实现对植物体内化学梯度的三维（3D）体内映射。通过设计一系列Schiff碱COFs，实现了对pH敏感的光学透明SF微针，这些微针能够探测烟草和番茄植物的血管液体和周围组织。该研究展示了这种COF-SF微针在植物体内化学层析成像中的应用，为复杂生物环境中的多维化学映射提供了新的工具。

研究背景：
1) 行业问题：传统的化学传感器在与生物组织界面结合时存在限制，导致目前的研究主要局限于体外分析，无法实现对活体内化学环境的实时监测。
2) 其他学者解决方案：已有研究报道了COFs在检测硝基爆炸物、金属离子、溶剂、气体实体和核酸等方面的应用，但这些研究大多局限于体外分析。
3) 本文作者创新：作者提出了一种将COFs与丝素蛋白微针结合的策略，制备了能够在活体内进行化学层析成像的传感器。通过调整COFs的电子供体/受体性质，实现了对pH敏感的光学透明SF微针，这些微针能够探测植物血管液体和周围组织。

实验部分：
1. COFs的合成：
1) 将TAPP、TFPA、DMTA等单体按照不同比例溶解在甲苯/二恶烷混合溶剂中，加入三氟乙酸引发聚合反应，得到TAPP-DMTA、TAPP-TFPA、TAPB-TFPA和TAPA-TFPP四种COFs。
2) 通过过滤、洗涤和干燥等步骤纯化COFs，得到不同颜色的粉末样品。
2. COF-SF微针的制备：
1) 将丝素蛋白溶解在特定溶剂中，倒入预先制备的PDMS模具中，经过离心和干燥得到SF微针。
2) 将SF微针浸入COF合成溶液中，通过控制聚合反应在微针表面形成COF层。
3) 通过乙醇超声处理去除微针体上的COF层，仅在微针尖端保留COF层，得到COF-SF微针（TSMNs）。
3. 植物实验：
1) 将TSMNs插入烟草和番茄植物的叶脉中，观察微针尖端的颜色变化，以监测植物体内的pH变化。
2) 对植物进行干旱胁迫处理，停止浇水，监测土壤水分含量和植物生理指标的变化。
4. 干旱胁迫实验：
1) 对6-8周龄的番茄植物停止浇水，监测土壤水分含量和植物生理指标的变化。
2) 使用TSMNs监测植物体内的pH变化，特别是在干旱胁迫条件下的变化。

分析测试：
1. 样品形态学表征：
使用Hitachi SU8010场发射扫描电子显微镜（FESEM）对COFs和TSMNs的形态进行表征，样品在3 kV加速电压下进行Pt镀膜处理以增强导电性。
2. 光学吸收光谱：
使用Agilent Cary 5000 UV-Vis光谱光度计对COF薄膜的光学吸收光谱进行测量，以纯PET基板在缓冲液中作为背景参考。
3. 红外光谱（FTIR）：
使用Bruker Vertex 70 FTIR光谱仪对COFs和单体粉末的化学成分进行分析，通过ATR-FTIR技术获取样品的红外光谱。
4. 粉末X射线衍射（PXRD）：
使用PANalytical X'Pert粉末衍射仪对COFs的晶体结构进行分析，使用Cu Kα辐射源，波长1.5418 Å，扫描步长0.0262606°，步时97.983 s。
5. 原子力显微镜（AFM）：
使用Bruker Dimension ICON系统对TAPP-TFPA COF薄膜的表面形貌进行表征，使用PPP-NCHR-W探针，样品在30 °C真空烘箱中过夜处理。
6. 比表面积和孔隙结构分析：
通过氮气吸附等温线分析COFs的比表面积和孔径分布，使用Quantachrome Autosorb-iQ2-MP体积气体吸附分析仪在77 K下进行测量。
7. pH映射成像：
使用智能手机拍摄TSMNs的顶视图照片，根据TAPP-TFPA在不同pH缓冲液中的校准，将颜色变化转换为pH值，生成pH映射图像。
8. 植物生理指标测量：
使用ForceA Dualex Scientific+™测量植物的黄酮类化合物和氮平衡指数（NBI），作为干旱胁迫的生物标记物。
9. 植物组织切片和染色：
将TSMNs插入和移除番茄或烟草叶脉后的组织固定、脱水、包埋、切片和染色，使用Zeiss Whitefield显微镜进行成像。
10. 水稳定性测试：
将TSMNs在333 K下浸水4小时后，使用PXRD比较测试前后晶体结构的变化，评估水稳定性。

总结：
本文成功开发了一种基于COFs的彩色传感器，该传感器集成在SF微针中，能够实现对植物体内化学梯度的三维体内映射。通过调整COFs的电子供体/受体性质，实现了对pH敏感的光学透明SF微针，这些微针能够探测植物血管液体和周围组织。该研究展示了这种COF-SF微针在植物体内化学层析成像中的应用，为复杂生物环境中的多维化学映射提供了新的工具。

展望：
本研究为活体内化学层析成像提供了一种新的策略，其化学稳定性和低再生温度的特点对于实际应用具有重要意义。未来的研究可以进一步探索COF-SF微针的规模化生产和实际设备设计，以及在不同环境条件下的性能。此外，还可以研究通过改变COF的结构和功能化基团来进一步提高其pH吸附能力和选择性。此外，这种技术还可以扩展到其他生物标记物的检测，为农业、环境监测和生物医学等领域提供新的工具。

Chromatic covalent organic frameworks enabling in-vivo chemical tomography
文章作者：Song Wang, Yangyang Han, Vaishnavi Amarr Reddy, Mervin Chun-Yi Ang, Gabriel Sánchez-Velázquez, Jolly Madathiparambil Saju, Yunteng Cao, Duc Thinh Khong, Praveen Kumar Jayapal, Raju Cheerlavancha, Suh In Loh, Gajendra Pratap Singh, Daisuke Urano, Sarojam Rajani, Benedetto Marelli & Michael S. Strano
DOI：10.1038/s41467-024-53532-7
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53532-7

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