串联Förster共振能量转移:生物金属有机框架荧光比率温度计性能的新思路

温度是科学领域中最基本的参数之一,传统的测温方法往往要求探头与目标物直接接触,而光学测温法具有无创、精度高、成像规模大、甚至在强电磁场下也能工作等众多优点。基于荧光强度比的发光比率温度计(LRT)具有自校准功能,克服了受样品浓度、光源激发功率和光电系统漂移等影响的局限性,保证了温度传感的快速响应、高精度和良好的空间分辨率。实际上,在最近十几年来,设计和开发具有高敏性、高精密的荧光比率分子温度传感器已成为非常活跃的领域。为了在细胞水平上监测温度,具有生物相容性的金属有机框架(MOF)受到科研工作者的广泛关注。

近期,暨南大学李丹教授研究团队,选择生物相容性良好的生物金属-有机框架ZnBTCA(BTC=1,3,5-均苯三酸,A=腺嘌呤),设计制备了一系列新型的dye@ZnBTCA主客体复合物,并对其作为发光比率温度计材料的潜力进行深入研究。ZnBTCA具有类似正弦形状的纳米通道,腺嘌呤上的Watson-Crick活性位点朝向孔道内部,易与客体分子之间形成相互作用力。作者分别以热敏性发光染料吖啶黄(Acf)和罗丹明B(RB)作为客体分子与ZnBTCA合成了一系列不同浓度的Acf@ZnBTCA和RB@ZnBTCA。其中,Acf@ZnBTCA体系的发射强度比(IAcf/IMOF)在260~380 K范围内与温度成线性关系,最大相对灵敏度可达5.001% K-1。据了解,这是迄今为止报道的所有非镧系金属MOF发光比率温度计中灵敏度最高的一种,其机理可以归结为主体MOF与客体染料之间的Förster共振能转移、主客体之间的相互作用以及荧光染料本身的热敏性三者之间的协同效应,这一机理与镧系或混合镧系金属MOF中镧系离子之间的能量转移或能量回传存在显著差异。为了进一步验证这一协同效应,该研究团队将两种染料封装在同一个MOF平台上,设计了混合染料@MOF,即Acf-RB@ZnBTCA,实现了三种发光物种之间的串联Förster共振能量传递,在生理温度下表现出优异的比率温度传感特性。初步的生物评价,包括生物相容性和体外极低的细胞毒性,表明该材料适合于生物应用。进一步的尝试,如材料的表面纳米化以达到细胞水平的真正应用研究还在进行中。

本工作在Wiley旗下的Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/ adom.201801149) 上发表,第一作者为韩山师范学院化学与环境工程学院的才红副教授。