导语
手性识别在各种生物过程和医药应用中发挥着关键作用，尤其对于蛋白质、多糖和核酸等对人体健康影响巨大的生物大分子，其手性识别显得尤为重要。荧光薄膜因其便携性、多功能性和易操作性成为一种广泛应用的手性识别工具。然而，这些薄膜传感器面临着对映体选择性和传质通量大小的矛盾问题。手性金属有机框架（CMOFs）具有可对外部刺激进行响应的手性框架，展现出潜在的手性识别的能力。大多数报道的CMOF薄膜都是微孔结构，限制了目标物分子特别是生物大分子进入活性位点，给手性识别带来了挑战。
近日，四川大学袁晨、侯贤灯/上海交通大学崔勇团队报道了一种基于介质阻挡放电（DBD）等离子体诱导法制备的具有多级孔结构的三种CMOF荧光薄膜。该方法可使CMOF在有序空隙内原位生长，生成具有高度有序的大孔-微孔结构的结晶薄膜，解决了对映体选择性和传质通量大小的矛盾问题，实现了对一系列小分子和蛋白质的手性识别。相关研究成果近日在线发表在Anal. Chem.上。
前沿科研成果
示意图1. 大孔-微孔M-CMOF薄膜的制备和应用策略示意图。（来源：Anal. Chem.）
作者利用三维聚苯乙烯光子晶体为模板，通过DBD等离子体诱导法将三种不同的CMOF生长在聚苯乙烯微球间隙中，再利用刻蚀法去除模板，得到具有大孔-微孔多级孔结构的M-CMOF薄膜（示意图1）。PXRD结果表明，三种M-CMOF薄膜在去除模板前后均表现出良好的结晶性能（图1a-c），证明DBD等离子体诱导合成结晶材料的可行性和通用性。SEM结果显示，CMOF均匀生长在模板上，并在去模板后生成了有序的大孔结构（图1d-f）。
图1. a-c) 模拟CMOF晶体（黑线）、CMOFs@PS（深蓝、深红或深绿线）和制备的大孔-微孔CMOF薄膜（蓝、红或绿线）的PXRD图样。插图：M-L-His-ZIF-8薄膜实物图。d) 三维PS阵列、e) L-His-ZIF-8@PS、f) M-L-His-ZIF-8薄膜表面和g) 截面、h) [Cu(mal)py]·H2O@PS、i) M-[Cu(mal)bpy]·H2O薄膜表面、j) [Cd(LTP)2]n@PS和k) M-[Cd(LTP)2]n薄膜表面的扫描电镜图像。插图：相应结构的示意模型。（来源：Anal. Chem.）
研究团队成功将制备的M-CMOF薄膜应用于小分子的荧光手性识别。其中，M-L-His-ZIF-8薄膜对苯乙醇对映异构体展现出良好的手性识别效果（图2a-d），特别是与没有多级孔结构的L-His-ZIF-8薄膜相比，其手性识别效果大大提升，EF值达到3.28（图2e），ee值线性关系良好，R2 = 0.9951。除此之外，该大孔-微孔CMOF薄膜对多种手性醇、氨基酸对映异构体均有一定识别效果。
图2. a) (R)-苯乙醇和b) (S)- 苯乙醇作用下M-L-His-ZIF-8薄膜的荧光强度变化。c) M-L-His-ZIF-8薄膜的[I/I0]随(R)-苯乙醇ee%的变化。d) M-L-His-ZIF-8薄膜（圆形）和L-His-ZIF-8 薄膜（三角形符号）在(R)-苯乙醇（红线）和(S)-苯乙醇（蓝线）作用下的 I0/(I-I0)关系图。e) M-L-His-ZIF-8薄膜（蓝色）和L-His-ZIF-8薄膜（红色）的EF值。f) M-L-His-ZIF-8 荧光薄膜传感示意图。（来源：Anal. Chem.）
研究团队进一步将M-CMOF薄膜应用于生物大分子，如蛋白质的手性识别研究中。研究结果发现，具有大孔-微孔结构的M-CMOF薄膜对多种蛋白质均表现出优异的手性识别能力（图3a-d），而没有大孔的CMOF薄膜手性识别效果大大降低（图3e，f），这是因为MOF材料本身的微孔结构限制了大分子物质进入其孔道中进行识别与作用，而M-CMOF薄膜具有独特的大孔结构在增加其手性作用位点的同时也提高了膜内的传质通量，有利于对手性大分子物质的识别。
图3. a) HAS、BSA和INS的结构和大小。b)有大孔结构和无大孔结构的His-ZIF-8薄膜的比较示意图。c,d) M-L/D-His-ZIF-8 的强度随INS增加而变化荧光光谱图；e) INS淬灭的M-L/D-His-ZIF-8和L/D-His-ZIF-8薄膜的荧光发射SV图。f) M- L/D-His-ZIF-8薄膜和L/D-His-ZIF-8薄膜在INS、HSA和BSA作用下的QR值。（来源：Anal. Chem.）
该工作报道了一种利用光子晶体模板和DBD等离子体诱导结晶的制备有序大孔-微孔M-CMOF薄膜的合成策略。研究团队用三种不同的CMOF薄膜证实了其方法的有效性和通用性。多级孔结构的M-CMOF薄膜除了具有配体固有的手性、强烈的荧光发射、高结晶度和优异的稳定性之外，还增加了传质通量和手性活性位点。这些特性赋予了它们对各种手性分子优秀的传感能力，特别是有助于高效检测蛋白质，从而解决了基于MOFs薄膜的传感器所面临的重大挑战。这项研究为制造具有高选择性和高灵敏度的手性多孔薄膜提供了一种前景广阔的新方法。
论文信息
Ji Yang, Qinyi Song, Tong Zhang, Yilun Yan, Chen Yuan*, Yong Cui*, Xiandeng Hou*.
Chiral Metal–Organic Framework Films with Ordered Macropores for Enantioselective Analysis of Proteins.
Anal. Chem. 2024, DOI: 10.1021/acs.analchem.4c03558.
通讯作者简介
袁晨，四川大学分析测试中心副研究员，硕士生导师。主要研究方向为新型手性结晶多孔材料的设计合成与分析性能研究。以第一作者或通讯作者发表J. Am. Chem. Soc.论文6篇、Chem. Soc. Rev. 1篇，3篇入选ESI高被引论文，获授权国家发明专利2项。入选四川大学“双百人才工程（B计划）”，获得中国化学会色谱专业委员会“分离科学青年创新奖”、上海市优秀毕业生等荣誉。
崔勇，上海交通大学教授，博士生导师，“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，入选中组部“万人计划”。主要从事手性多孔材料研究，提出手性功能体框架化策略，实现了手性位点单分散多孔材料的精准合成，创建了手性多孔催化和分离新体系，明确手性识别和活化过程的重要结构参数，模型化手性分离和催化过程。主持国家基金委重点、重大研究计划和973计划等课题研究。获2017年上海市自然科学奖一等奖、2020年国家自然科学二等奖等。
侯贤灯，四川大学教授，博士生导师。在国际学术期刊发表230余篇论文；国家发明专利7项、实用新型专利4项已获授权；研制的小型化原子吸收光谱仪已实现技术转移，并获得BCEIA金奖；参与编写中、英文专著6章。研究内容涉及微纳材料制备、光谱分析方法、仪器部件、光谱分析仪器及其环境或生物分析应用。入选教育部新世纪优秀人才支持计划，四川省学术与技术带头人。
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