熒光共價有機框架的合成及其傳感、成像應用研究進展

劉俊杰，張 穎，羅志敏

(南京郵電大學化學與生命科學學院，江蘇 南京 210023)

共價有機框架材料(covalent organic frameworks，COFs)是分子結構單元通過可逆縮合反應形成共價鍵連接的結晶性多孔有機聚合物[1]，是由C、H、O、N、B等輕元素以共價鍵連接形成的有序多孔材料。COFs材料合成方法是基于動態共價化學(dynamic covalent chemistry，DCC)，即通過熱力學控制“成鍵-斷鍵-再成鍵”的方式形成可逆共價鍵，同時進行“自我診斷和修復”的過程[2-5]。通過選擇不同的分子結構單體，根據拓撲學進行結構設計，獲得不同形狀、尺寸和連接基團的COFs材料。COFs材料具有規整的一維通道，孔隙尺寸在納米級。通常，剛性和π共軛的結構單元是合成COFs的首選，因其可預先確定結合方向，從而設計具有理想拓撲結構、功能性和孔徑的COFs[6-7]。如圖1所示，COFs的結構具有顯著的多樣性[8]。

圖1 COF的結構多樣性[8]Fig.1 Structural diversity of COF[8]

1 熒光COFs的結構

熒光COFs是將各種熒光有機分子單體通過可逆縮合反應高度有序地形成周期性排列的有機共價框架結構[9]。熒光COFs通常具有大π共軛結構，然而許多富含π電子的高光致發光分子構建COFs時卻因堆疊導致易于聚集而發生熒光自猝滅[10]。二維熒光COFs中大的層間距能減少聚集誘導的熒光猝滅效應(aggregation-caused quenching，ACQ)，但卻給發色團的分子旋轉提供了更大的空間從而增加了熱衰減[11]。因此，調整二維熒光COFs的層間距、層之間的堆疊模式及發色團的分子旋轉是構建強熒光性能COFs的關鍵[12-13]。熒光COFs的合成應盡可能減少π-π堆疊作用、限制分子內旋轉、引入聚集誘導熒光發射以及其他功能設計策略以避免其熒光自猝滅。構成熒光COFs的結構單元包含富氮結構單元、硼化結構單元和全碳結構單元等。

1.1 富氮結構單元

熒光COFs的富氮結構單元通常包括三嗪[14]、咔咯[15]和聯吡啶[16-17]等?；谌旱腃OFs以光催化劑而聞名，具有很好的電荷轉移能力、優異的導電性和電化學耐腐蝕性，平面芳香結構的三嗪可導致其特殊的發光行為[18]。如圖2所示，Li等[19]利用柔性的含π-電子缺陷的三嗪構建了熒光二維COF(DTZ-COF)，通過聚集引起ACQ效應，從而導致熒光猝滅。咔咯具有18個 π電子的芳香大環，具有四吡咯的C2y對稱結構的咔咯在內部核心中顯示出1個空腔和3個質子，其具有豐富的配位位點，可用于結合金屬離子。Zhao等[20]首次報道合成了基于咔咯單體的COF(TPAPC-COF)，TPAPC-COF表現出橢圓孔和不同尋常的不對稱拓撲結構，并呈現出從可見到近紅外區域的光捕獲能力。Cu2+與TPAPC-COF發生光誘導電荷轉移從而導致熒光猝滅，而TPAPC-COF追蹤其他Al3+、Ga3+和Fe3+等金屬離子時則顯示出熒光增強[21]。Wei 等[22]通過2,2′-聯吡啶-5，5′-二胺和苯-1,3,5-三甲醛合成了熒光COFs(BPD-COFs)，BPD-COFs顯示了突出的熒光發射及對Ni2+的特異性結合特性，可作為高靈敏、高選擇性、快速檢測Ni2+的熒光傳感平臺。

圖2 DTZ-COF溶劑熱合成原理圖[19]Fig.2 Schematic diagram of solvothermal synthesis of DTZ-COF[19]

1.2 硼化結構單元

B(紫)、O(紅)、三苯基(綠)、芘(藍)。圖3 TP-COF的合成(a)及結構示意圖(b)[24]Fig.3 Synthesis of TP-COF (a) and schematic representation of TP-COF structure(b) [24]

1.3 全碳結構單元

四苯基芘是最常見的構成熒光COFs的全碳結構單元，作為給電子單元與各種醛或胺單體交聯成幾何框架，周圍的4個苯基提供更大的空間位阻以減弱ACQ效應。如圖4所示，Ascherl等[26]設計合成了含芘的二維COF(Py-TT-COF)，Py-TT-COF的熒光發射來自光激發時的電子躍遷，Py-TT-COF和孔洞中介質之間的偶極相互作用增加導致正溶劑化變色?；诼菪龢挺兄谋交蚁?TPE)合成的熒光COFs(COF-ETA-DAB和DL-COF)由于相鄰苯基的空間旋轉促進了輻射躍遷，被作為檢測HCl蒸汽和芳香硝基炸藥的化學傳感器[27-28]。TPE在類石墨烯二維COFs中的柱形組裝提供了獨特的熒光發射和傳感平臺。在COF-ETA-DAB中，通過N…H相互作用，亞胺鍵給客體分子結合提供了對接位點，提高了電子傳遞，從而產生明顯的熒光發射。

(左)四苯基芘四胺Py(NH2)4與四齒芘醛Py(CHO)4以物質的量比1∶1生成微孔Py-Py COF；(右)Py(NH2)4分別與兩種線性二醛以物質的量比1∶2生成介孔Py-TT和Py-1P COFs。圖4 亞胺連接的COFs的合成[26]Fig.4 Synthesis of imine-linked COFs[26]

2 熒光COFs的光學性質

溶解在溶劑中的有機分子的光學行為受其含有的官能團影響[10]，而當分子單體聚合成為固態材料時，材料的宏觀光學性能取決于結構中的官能團及其特定的幾何排列。聚合物材料的發展已經證實，可以通過限制分子內旋轉將分子單體連接成更大的尺寸從而有效地調節其光學性能。熒光COFs具有周期性排列的π共軛，π共軛是sp2雜化碳原子的未雜化p軌道與相鄰sp2雜化的碳原子的非雜化p軌道側邊重疊時形成的，能夠與相鄰的π共軛鏈相互作用，將電子密度擴散到多個化學鍵上，從而形成離域π鍵。離域π鍵對熒光COF的HOMO-LUMO能級(帶隙)的影響很大，π共軛鏈長度的增加導致熒光COFs的帶隙減小，因此促使載流子沿堆疊方向傳輸，使其具有良好的光電性能。熒光COFs的微觀結構(如分子單體的連接、取向和排列等)對其光學性能有重要影響，而設計合成熒光COFs，調控其分子單體的連接、取向和排列，使其具備優異的光學性能(圖5所示)。熒光COFs含有有序共價鍵合的供體-受體(D-A)排列，具有可調諧的帶隙，在光照下供體和受體之間容易發生光誘導電荷轉移現象，其具有的剛性且長程有序的結構促進了光生載流子快速傳遞，從而提供更多的電荷轉移通道以實現電荷載體的有效分離和快速運輸。相較于傳統聚合物而言，熒光COFs可以通過引入大量官能團調整框架結構和孔隙環境，從而增強光吸收和發射的能力。熒光COFs還可以和其他光活性物質復合形成理想的異質結平臺，也能夠將客體分子包含到熒光COFs分子主鏈包圍的孔中，誘導其與主鏈相互作用。熒光COFs優異的光學特性使其在生物成像、光學治療、生物傳感等領域成為研究的熱點。

3 熒光COFs的合成方法

熒光COFs的制備類似“搭建樂高積木”，將各個構建塊集成到周期排列的擴展網絡中。選擇合適的熒光有機分子單體，調整合成的熒光COF中發色團的分子旋轉及堆疊模式是構建強熒光性能COFs的關鍵[12-13]。目前為止，熒光COFs的合成方法包含溶劑熱法、界面合成法、微波輔助合成法和機械化學合成法等。

3.1 溶劑熱法

溶劑熱法是制備熒光COFs最常用的方法。先將熒光COFs的前體和所需溶劑的混合物以及催化劑放在密閉的反應容器中(例如特氟龍襯里的鋼制高壓釜)，經過超聲短時間處理后，通過冷凍-泵-解凍循環脫氣，在合適的溫度下加熱引發反應獲得目標產物[30]。熒光分子單體的反應性和溶解度、晶體生長速率以及成核類型對溶劑熱合成熒光COFs都極為關鍵[29]。如圖6所示，Li 等[21]通過溶劑熱法將5,10,15-三-(對氨基苯基)咔咯(H3TPAPC)和2,5-二甲氧基對苯二甲醛(DM-CHO)縮合制備了熒光COF(CorMeO-COF)，CorMeO-COF能夠基于熒光淬滅和熒光增強響應分別進行重金屬離子Cu2+和Cr3+的檢測。

圖6 簡單溶劑熱法合成CorMeO-COF[21]Fig.6 Synthesis of CorMeO-COF with a simple solvothermal method[21]

3.2 界面合成法

溶劑熱法雖然適用范圍很廣，但是也有不少缺點，例如：反應溫度較高、反應時間較長以及難以精準調控等。在室溫條件下精準調控合成熒光COFs對不穩定的熒光分子單體至關重要。如圖7所示，Zhang等[31]首次提出了一種新的緩沖反應帶方法合成熒光COF量子點(QDCOF)。通過使用N，N-二甲基甲酰胺、乙酸和二氯甲烷3種不同溶劑從上至下構建了三相體系，產生2個相互擴散的界面，頂層和底層同時擴散到中間層，在室溫條件下制備出大量藍綠色熒光QDCOF。

圖7 QDCOF的化學結構和合成(a)及生長過程(b)[31]Fig.7 Chemical structure and synthesis of QDCOF(a) and growth process of QDCOF(b)[31]

3.3 微波輔助合成法

微波輔助合成法是通過微波加熱合成熒光COFs，克服了溶劑熱法反應時間較長的缺點。2009年，Campbell等[32]在微波輔助下，僅用20 min合成了COF-5，通過微波反應提取純化得到COF的BET表面積(2 019 m2·g-1)遠高于溶劑熱合成的COF(1 590 m2·g-1)。自此，通過微波輔助合成熒光COFs逐漸引起了人們的興趣。Wei等[33]發現微波輻射反應60 min比溶劑熱反應60 min獲得表面積更高且結晶度更好的β-酮胺COF(TpPa-1)。Zhang等[34]通過微波輻射在二甲亞砜中縮聚三聚氰胺和對苯二甲醛，通過席夫堿反應合成熒光COF(SNW-1)(如圖8所示)，SNW-1無論是分散在溶劑中還是固態都顯示出明亮的熒光。

圖8 對苯二甲醛和三聚氰胺通過微波輔助縮聚形成熒光COFs(SNW-1)的示意圖[34]Fig.8 Polycondensation reaction of terephthalaldehyde and melamine to prepare fluorescent COFs (SNW-1) by a microwave-assisted method[34]

3.4 機械化學合成法

機械化學合成法是指分子單體在機械研磨等物理作用下發生反應直接生成COFs的合成過程。對于一些β-酮胺COFs，通過機械研磨獲得與溶劑熱反應相同的COFs產物。雖然結晶度和BET表面積略低，但是化學穩定性與溶劑熱合成的COFs并無差異[35]。通過液體輔助研磨的方法，對結晶度和BET表面積有巨大的改善，而且催化劑液體的加入使其反應速率提高[36]。將對苯二胺與對甲苯磺酸和水一起研磨后加入三丙二醇，加熱至170 ℃并持續1 min，獲得高質量的酮胺COFs[37]。該方法同樣適用于對甲苯磺酸、水與各種線性芳族二胺的溶液反應[38-39]。如圖9所示，Liu等[40]在室溫下通過手動研磨三甲?；却蕉雍婉R來酸酐，通過兩者之間的席夫堿反應合成了熒光COF(COF-TpMA)。隨著研磨的進行，產物的顏色發生乳白色、深黃色、褐色的變化，粉末的熒光也隨之發生黃綠色、黃色、橙色的變化，證明產生了COF-TpMA。

圖9 COF-TpMA 12次研磨時在陽光(頂部)和紫外線(底部)下的產品照片[40]Fig.9 Photos of products under sunlight (top) and UV light (bottom) of COF-TpMA at 12 grinding[40]

4 熒光COFs的傳感、成像和治療應用

4.1 熒光COFs的傳感應用

熒光COFs具有可用于分子識別且可調整的框架結構、能去除和富集目標物的多孔結構和響應性發光的特性，在生物傳感中展現出巨大的應用潛力[41-42]。熒光COFs最常用的檢測機制是通過主客體相互作用，使目標物和熒光COFs之間發生能量或電荷轉移，從而改變COFs的熒光特性。Fe3+、Cu2+和Hg2+等重金屬離子可參與人體穩態平衡，失衡會導致疾病甚至人體損傷，而且某些重金屬離子(Au3+等)會滲透到環境中最終積聚在人體內，進而影響人體健康[43]。因此，基于熒光COFs開發出適用于不同應用場景的金屬離子熒光傳感器尤為重要。

Fe3+作為最豐富的過渡金屬可參與細胞水平的生物過程，人體或環境中的Fe3+測定一直是人類健康監測的重要組成部分。Fe3+的過載或缺乏都會引發細胞穩態失衡導致人體疾病，例如糖尿病、肝損傷和癌癥[44-45]。Fe3+作為良好的電子(能量)受體，某些熒光COFs發射因為Fe3+最外層軌道不飽和直接猝滅。Wang等[44]制備了兩種熒光COFs(PI-COF 201和PI-COF 202)，并基于熒光COFs向Fe3+的能量轉移構建了Fe3+的熒光傳感器，結果表明，PI-COF 201和PI-COF 202實現了對Fe3+的高靈敏度檢測，其檢測限分別達到0.13、0.22 μmol·L-1。Li等[45]通過簡單溶劑熱法合成的COF-TT在添加Fe3+之后顯示出明顯的熒光猝滅。如圖10所示，Chen等[46]制備的Bth-Dma COF由于孔洞中預先設計的O,N,O-螯合位點與Fe3+發生強配位作用，通過能量轉移導致熒光猝滅，因此可作為水溶液中的Fe3+“關閉”傳感器。

圖10 Bth-Dma COF與Fe3+作用機制[46]Fig.10 Mechanism of interaction between Bth-Dma COF and Fe3+[46]

Hg2+是毒性最強的重金屬之一，直接關系到人體中樞神經和免疫系統。Hg2+是一種特殊的離子熒光受體，而硫基由于特定的親和力和供體性質一直被用作熒光COFs的傳感器設計[47-49]，如基于硫醚合成的COF-LZU8通過電子轉移對Hg2+顯示出熒光猝滅[50]。Ding 等[51]為了提高傳感器的可回收性，設計合成了熒光COF(TFPPy-CHYD)，實現了對Hg2+的同時吸附和檢測。Bpy COF熒光隨著Al3+濃度的增加而增強，Bpy COF和Al3+間的配位能消除PET導致的熒光猝滅[52-54]。

Cu2+和Fe3+一樣作為最豐富的過渡金屬離子之一，直接參與調節人體多種生物活動。Cai等[55]基于多聚甲醛(paraformaldehyde，PA)與三聚氰胺(melamine，MA)的胺醛反應、PA與苯酚的縮聚反應，一鍋法制備了QG(Q-石墨烯)支架的熒光COF(QG-scaffolded COF)(如圖11所示)。結果表明，QG-scaffolded COF熒光強度比純COF提高1.5倍，通過QG-scaffolded COF上的胺基對Cu2+的螯合可檢測血液和廢水中的Cu2+。對于Au3+，TTB-COF由于硫醚官能化，硫基對Au3+具有強烈的選擇親和力。用NaS2水溶液處理時，負載Au的TTB-COF從淺黃色(Au)逐漸變為棕色(TTB-COF)[56]。

圖11 QG支架COF和Cu2+相互作用機制[55]Fig.11 Interaction mechanism of QG-scaffolded COF and Cu2+[55]

除了在熒光檢測金屬離子方面的應用外，熒光COFs在諸如藥物使用分析、內源性信號分子的檢測和生物大分子檢測[57-58]等方面也有著廣泛應用。Wang等[59]引入Eu3+修飾合成雜化的熒光COF(Eu@TpPa-1)，Eu@TpPa-1在沒有左氧氟沙星時，主要顯示COF的熒光發射，引入左氧氟沙星后Eu3+作為受體與左氧氟沙星的β-二酮配位，在左氧氟沙星的低濃度范圍內顯示出強烈的粉白色熒光，高濃度范圍內則顯示出強烈的黃色熒光。H2S是繼NO和CO之后第三種在生命體內發揮生理作用的內源性氣體信號分子，具有舒張血管、保護心臟和抗氧化等作用，在機體中發揮著重要的生物學效應。將亞胺化COF(TpASH)通過溶劑輔助超聲剝離制備出TpASH NPHS的超薄納米片，用于H2S響應性檢測[60-62]，實現對肝硬化小鼠模型中內源性H2S水平的監測。Mal等[63]合成了基于溴化乙錠(EB)的COF(EB-TFP)，其可在水中進行剝離產生二維COF納米片(EB-TFP-iCONs)，在水性介質中，EB-TFP-iCONs在dsDNA存在下重新組裝，形成在600 nm處具有增強熒光的混合EB-TFP-iCONs-DNA晶體納米片。與ssDNA相比，重組現象對dsDNA具有高度選擇性，使得EB-TFP-iCONs能夠對dsDNA鏈進行無標記檢測[63]。

4.2 熒光COFs的成像應用

生物體內復雜的環境一直是生物熒光成像探針選擇性的巨大障礙，熒光COFs優異的穩定性和生物相容性、可定制化的結構等使其能夠通過合理設計屏蔽無關成分的干擾，從而在生物成像方面展現出巨大的應用潛力。Das等[64]通過在微波照射下對2,6-二甲?；拎?DFP)和4，4′，4″-(1，3，5-三嗪-2，4，6-三基)三苯胺(TTA)縮合生成的TTA-DFP-COF進行剝離30 min，得到超薄納米片TTA-DFP CONs。TTA-DFP CONs通過網格蛋白介導的內吞作用進入細胞，在375 nm激發下顯示出最大發射峰(435 nm)，通過熒光成像對細胞核進行選擇性定位。TTA-DFP CONs相比于傳統有機核染料具有更好的生物相容性和光敏性。Valenzuela等[65]通過苯并噻二唑設計了基于雙光子誘導細胞成像的熒光增強劑TPI-COF，可用于癌細胞和正常細胞成像。TPI-COF具有優異的雙光子熒光和光穩定性，能對小鼠的4T1腫瘤模型進行高達150 μm成像深度的熒光成像且幾乎沒有背景噪聲的干擾，可作為體內雙光子共聚焦熒光成像的理想候選材料(如圖12所示)。雙光子熒光COFs由于能減少活體內的熒光背景，且對組織具有較深的穿透深度，相比單光子熒光COFs在活體成像方面更有優勢[66-67]。與基于熒光COFs設計的生物傳感類似，熒光COFs同樣可通過對某些小分子特異性檢測進行細胞成像。例如，熒光COF-TpMA探針具有優異的膜滲透性和生物相容性，能實現對活體中外源性羥基自由基的成功檢測[34]。

(a) TPI-COF的體內腫瘤成像示意圖；(b) TPI-COF的4T1腫瘤熒光成像(B1：磷酸鹽緩沖液組；B2：TPI-COF組)；(c) TPI-COF在不同腫瘤組織深度的雙光子熒光強度；(d) TPI-COF在不同腫瘤組織深度的雙光子熒光成像。圖12 TPI-COF的體內腫瘤熒光成像[65]Fig.12 In vivo tumor fluorescence imaging of TPI-COF[65]

熒光COFs通過與其他功能材料的雜化和集成，用于癌癥的協同治療。Liu等[68]利用間-四(4-氨基苯基)卟啉鋅(Zn-TAPP)和乙二醛以MnO2為模板制備了ZnCOF，并以牛血清白蛋白作為穩定劑原位生長Au 納米顆粒，搭建了一種pH響應納米平臺，用于癌癥診療。牛血清白蛋白吸附的ZnCOF由于ACQ效應，在血液循環(pH=7.4)時處于“關”狀態，沒有熒光信號，進入腫瘤酸性環境后，ZnCOF分散并表現出“開”狀態，顯示熒光信號。與此同時，ZnCOF的熒光信號在Au 納米顆粒表面產生的局部表面等離子共振效應下得到放大，不僅實現對腫瘤的熒光成像，而且由于ZnCOF在腫瘤部位積聚，在近紅外光照射下能夠產生光熱效應用于癌癥的光熱治療。Zipfel等[69]采用預偶聯單體三(4-甲?；交?胺(TPA-CHO)和聯苯胺通過溶劑熱法合成了熒光COF(TPA-TA COF)，TPA-TA COF通過氫鍵和π-π相互作用實現DOX的高負載，形成熒光共振能量轉移系統，由于其熒光隨著DOX負載量的增多由淺藍色變為橙黃色，因此可以實現肉眼監測下直觀有效的藥物負載。當到達腫瘤部位后，酸性環境會破壞氫鍵的形成，使DOX氨基質子化，基于熒光COFs的pH響應性進行熒光成像并實現對癌癥的實時診療。如圖13所示，Yang等[70]制備了具有優異雙光子吸收特性和光穩定性的COF(COF-606)，對深層腫瘤組織進行熒光成像，同時在雙光子激發下引發強烈的抗腫瘤免疫反應，實現對原發性和轉移性腫瘤的診療一體化。

(a)具有較強雙光子吸收的COF-606的構建；(b)COF-606的雙光子吸收誘導光動力學治療的生物學過程和潛在機制。 圖13 COF-606的雙光子吸收誘導光動力學治療增強免疫檢查點阻斷治療的示意圖[70]Fig.13 Schematic illustration of two-photon absorption induces photodynamic therapy (PDT) of COF-606 to enhance immune checkpoint blockade therapy [70]

5 總結與展望

本文對熒光COFs的結構、光學特性、合成方法及其傳感、成像應用研究進行了概述。熒光COFs是一種新型的共價有機框架，其將各種高度共軛且具有剛性的有機熒光團有序地集成到周期性排列的框架結構中，在一定波長激發光的照射下能夠穩定地發射熒光，展現了優異的熒光特性。在分子層面進行預先設計熒光COFs，對分子單體結構和框架內的孔隙在大小、形狀和功能方面進行調整，使其能夠進行定制以滿足特定的生物醫學應用需求[71]。由于獨特的光電特性，熒光COFs有望提供一個理想的診療平臺，但其合成及應用研究仍存在許多局限性，例如合成過程中拓撲結構調控的復雜性、大規模制備的難操作性、較差的水分散性以及生理穩定性等。因此，對于新型COFs的拓撲結構的高效設計與合成，針對生物醫學應用的COFs新型材料的訂制合成及應用研究仍然值得期待。