蒲芳，任劲松，曲晓刚研究员AFM：基于氢键有机框架的单组分人工味觉系统用于识别多种分析物

第一作者：蒋旻昊

通讯作者：蒲芳*，任劲松*，曲晓刚*

单位：中国科学院长春应用化学研究所，中国科学技术大学，中南大学，吉林大学

氢键有机框架（HOF）是一种多孔材料，是有机配体通过分子间的氢键相互作用以及π–π堆积、静电相互作用和范德华力自组装而成。氢键有机框架材料具有优异的结构和发光性质，已成为构建荧光传感器的一种很有前景的材料。但目前基于HOF的传感器都是利用“锁和钥匙”策略的特异性传感器，需要引入其它识别位点来构建框架，以及尺寸匹配，或更好的稳定性，这使得基于HOF的传感器的构建复杂化。此外，它们不适用于没有特异性识别配体的分析物的检测和多种分析物的同时鉴定。特别是，基于HOF的传感器在生物分子和生物样品中的应用尚未探索。

基于此，中国科学院长春应用化学研究所任劲松、曲晓刚课题组，在国际权威期刊Advanced Functional Materials 上发表题为“One-Component Artificial Gustatory System Based on Hydrogen-Bond Organic Framework for Discrimination of Versatile Analytes”的研究论文。该研究构建了一个模拟天然味觉系统的单组分传感器阵列，用于精确和高通量地识别多类分析物（Scheme 1）。

HOF作为一个单一的传感元件，极大地简化了传感器阵列中的探针制备和检测过程。以金属离子、蛋白质和细菌为模型靶标，能够快速准确地进行识别，具有通用性。特别地，该传感器阵列被成功地用于抗生素机制的分类。这项工作扩大了HOF的应用范围，并提供了一个简单通用的传感体系。

Scheme 1 基于HOF的单组分传感器阵列示意图。

利用有机分子配体1, 3, 6, 8-tetrayl (4-(methoxycarbonyl)phenyl)pyrene (H₄TBAPy)，合成了HOF材料PFC-1。在390nm激发时，PFC-1发射峰在440 nm。改变体系pH值，PFC-1荧光强度发生显著变化（图 1）。在不同pH下显示出不同的荧光强度，这使得PFC-1可以作为单一的功能材料来构建传感器阵列。理论计算证实了去质子化的和未去质子化对于荧光的影响。

图 1（a）PFC-1的扫描电镜图。（b）PFC-1的PXRD。（c）PFC-1的吸收光谱。（d）PFC-1在不同pH下的荧光光谱。

要点二：金属离子、蛋白质和细菌作为模型靶标实现快速有效的区分识别

检测不同金属离子对公众健康和环境安全至关重要。该研究选择了14种金属离子来验证pH编程的HOF荧光传感器阵列的区分识别能力（图2）。热图和荧光图显示，在不同pH下PFC-1对相同金属离子的荧光响应不同，在相同pH下对不同金属离子的荧光响应也不同。基于金属离子引起的PFC-1的荧光变化，构建了一个训练矩阵，并通过主成分分析（PCA）证明该传感器阵列成功区分了14种金属。

同时还进行了层次聚类分析（HCA），进一步证实了传感器阵列的识别能力。接下来，选择Cu²⁺作为模型来研究传感器阵列对不同浓度的特定金属离子的响应，并确定其灵敏度。并对其识别金属离子混合物以及未知样品的能力进行了探索。此外，选择Cu²⁺作为例子来研究金属离子与HOF之间的相互作用。结果说明金属离子与HOF中未成氢键的羧基配位，引起的电子转移/能量转移可以引起荧光的不同变化。

图2 金属离子的识别。14种金属离子的（a）热度图，（b）荧光图，（c）3D PCA图，（d）HCA图。（e）区分不同浓度Cu²⁺的PCA图。（f）不同比例的Cu²⁺和Ca²⁺混合物的PCA图。

图3 蛋白质的识别。10种蛋白质的（a）热度图，（b）荧光图，（c）3D PCA图，（d）HCA图。（e）区分不同浓度BSA的PCA图。（f）不同比例的Hb和CAT混合物的PCA图。

图4不同细菌种类的鉴别。5种细菌的（a）热度图，（b）荧光图，（c）3D PCA图，（d）HCA图。

要点三：实现抗菌机制的区分和分类

区分使用不同抗生素治疗的细菌，同时对其进行分类的能力对于抗生素筛选至关重要。抗生素治疗可以以不同的方式引起细菌表面结构和成分的变化。HOF和抗生素处理的细菌之间的相互作用会产生指纹信号。我们选择了一些临床治疗和实验研究中常用的抗生素作为模型，通过检测用不同抗生素治疗的细菌，研究了这种传感器阵列识别和分类抗生素的能力（图5）。

由于抗生素对不同革兰氏状态细菌的作用不同，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别被选为G+和G-细菌的代表。结果表明传感器阵列可以通过识别不同抗生素处理后细菌表面的细微差异来实现抗生素的识别。通过HCA分析，对于G-或G+细菌，具有相似机制的抗生素可以分组在一起。

图5 抗生素作用机制的分类。用不同抗生素处理的金黄色葡萄球菌的（a）荧光图、(b）PCA图和（c）HCA图。

One-Component Artificial Gustatory System Based on Hydrogen-Bond Organic Framework for Discrimination of Versatile Analytes

蒲芳研究员简介：中科院长春应化所博士生导师，主要研究方向为构建新型生物分子自组装材料及生物分子-纳米粒子复合材料 ，以及探索生物功能材料在模拟捕光天线、构建逻辑门、生物传感器、诊疗试剂等领域的应用。

入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，获吉林省科技进步一等奖，中国科学院优秀研究生指导教师奖，中科大科教融合优秀导师奖，吉林省拔尖创新人才，吉林省拔尖创新人才第一层次人选，长白山杰出人才等。主要研究方向包括生物分子构象与功能；药物与靶分子间作用机制；生物体系电子传递、生物电化学；生物动力学及热力学；生物功能材料等。发表论文500余篇，2017-2021连续5年全球“高被引学者”。

蒋旻昊：中国科学院长春应用化学研究所硕士研究生。

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