187Os 核共振散射：探索锇配合物奥秘，开启生物医学应用新篇

本文利用187Os 核前向散射（NFS）和核非弹性散射（NIS）技术，对基准 Os (VI) 配合物 K2[OsO2(OH)4] 进行研究，测定了相关参数，证明该技术可用于研究锇配合物，为锇基抗癌药物的研究提供新途径。

　　

研究背景

金属配合物作为抗癌药物，在癌症治疗领域意义重大。自顺铂（cis - [PtCl₂(NH₃)₂]）应用以来，铂族金属（如 Ru、Os 等）配合物因类似的配体交换动力学，有望提升抗癌疗效、降低毒副作用，受到广泛关注。尤其是锇配合物，因其在药物配方条件下具有更高的取代惰性，备受研究者青睐。

然而，许多 Ru - 和 Os - 基抗癌候选药物的作用机制尚不明确，主要原因是缺乏生理相关条件下的金属药物形态数据。现有的分析技术，如原子吸收光谱、电感耦合等离子体质谱，虽能检测金属总量，但无法提供金属形态信息；经典光谱方法（如核磁共振（NMR）、电子顺磁共振（EPR）、紫外 - 可见光谱）和电喷雾电离质谱（ESI - MS），在生物流体复杂环境下进行无损形态研究面临挑战；X 射线吸收光谱（XAS）虽具有元素特异性、无损性和对生物相关基质耐受性强等优点，成为目前生物系统中金属药物形态分析的首选技术，但在细胞培养基中检测时，常需使用高于生理相关浓度的样品，结果外推至生理浓度时需谨慎，因为形态可能发生变化。

此前，锇的 M?ssbauer 光谱技术因放射性源问题难以广泛应用，¹⁸⁹Os M?ssbauer 光谱的放射性源¹⁸⁹Ir 半衰期仅 13.3 天，¹⁸⁷Os 则一直缺乏合适的放射性源。直到利用同步辐射成功激发¹⁸⁷Os 的低激发核能级（9.778 (3) keV），并实现核前向散射（NFS）和核非弹性散射（NIS），为研究锇配合物的超精细相互作用和晶格动力学开辟了新途径。

实验方法

1. 样品制备：K₂[¹⁸⁷OsO₂(OH)₄] 由¹⁸⁷Os 金属制备，先转化为¹⁸⁷OsO₄，再与 6 M KOH 反应，加入乙醇还原，结晶得到 XRD 质量的单晶。(H₂pz)₂[¹⁸⁷OsCl₆] 通过 [(dimethyl sulfoxide)₂H]₂[¹⁸⁷OsCl₆] 与 1H - 吡唑反应制备。
2. 实验表征：通过 X 射线晶体学确定晶体结构，使用 Bruker D8 Venture 衍射仪测量，SAINT 软件处理数据，SHELXS - 2014 和 SHELXL - 2014 软件进行结构解析和精修。
3. 核共振散射测量：在欧洲同步辐射设施（ESRF）的 ID18 和 ID14 核共振光束线进行 NFS 和 NIS 测量。同步辐射储存环以 16 - 束模式运行，提供 X 射线闪光。使用雪崩光电二极管（APD）采集光谱，NFS 用 5 mm×5 mm×100 μm APD，NIS 用 10 mm×10 mm×100 μm APD。测量在环境条件下进行，样品置于电动平台上。
4. 计算方法：使用 Quantum ESPRESSO 软件进行电子和 phonon 结构计算，采用修订的 Perdew - Burke - Ernzerhof（PBE）泛函和优化的守恒范德瓦尔斯赝势。设置平面波动能截止和密度截止，使用 Monkhorst - Pack 网格进行布里渊区积分，确保计算收敛。考虑非局部相互作用（vdW），采用 vdW - DF 方法进行计算。

实验结果

1. 样品结构：K₂[OsO₂(OH)₄] 晶体结构显示，Os (VI) 与四个羟基配体氧原子在赤道平面配位，键长 1.99 (2) ?，与两个氧配体氧原子配位，键长 1.75 (2) ?，由于强 Os - O π 相互作用，后者键长较短。
2. 超精细相互作用：通过 NFS 测量 K₂[¹⁸⁷OsO₂(OH)₄] 核衰变的时间演化，拟合数据得到四极分裂 ΔE_Q = 12.0 (2) mm/s，织构参数为 39 ± 2%。以 (H₂pz)₂[¹⁸⁷Os^IVCl₆] 为标准样品，经多次 NFS 测量，得出 K₂[¹⁸⁷OsO₂(OH)₄] 的同质异能位移 δ = 3.3 (1) mm/s。
3. 晶格动力学：记录 K₂[¹⁸⁷OsO₂(OH)₄] 在 - 10 至 + 60 meV 相对于¹⁸⁷Os 跃迁能（9.778 (3) keV）的 NIS 测量结果，通过双傅里叶变换提取 Os 特异性振动态密度（DOS）。结果显示有六个峰，两个强峰在低能区（<12 meV），四个弱峰在高能区（19 至 42 meV）。根据 DOS 计算出 Lamb - M?ssbauer 因子（f_LM = 0.80 (4)）、纯非相干均方原子位移参数（〈u²_Os〉 = 90(10) pm²）、Os 特异性平均力常数（〈F_Os〉 = 344 (40) N/m）和振动熵（S^vib_Os = 5.0(2)k_B）。

研究讨论

1. 分析方法比较：XAS 和基于同步辐射的 X 射线荧光（XRF）光谱是研究抗癌 Ru (III) 和有机锇 (II) 配合物生物转化的重要工具。NMR 技术中，多核 NMR 可用于研究顺磁性物种的金属药物形态，但直接检测 Os 的 NMR 共振信号困难，虽可通过极化转移技术间接检测，但仍存在挑战。M?ssbauer 光谱可应用于任何 d 电子数的物种，¹⁸⁷Os 的 NFS 和 NIS 技术可直接测定锇配合物的电子结构和氧化态，与 XAS/XRF 一样，在研究锇配合物方面具有重要价值。
2. NFS 表征超精细相互作用：同质异能位移 δ 与过渡金属的氧化态有关，K₂[¹⁸⁷Os^VIO₂(OH)₄] 的 δ 值表明¹⁸⁷Os 的 Δ〈r²〉为正，但配体的影响可能改变这一趋势。四极分裂 ΔE_Q可用于识别自旋态、位点对称性和配体排列，K₂[¹⁸⁷OsO₂(OH)₄] 的 ΔE_Q值表明 Os 的局部环境是各向异性的。
3. NIS 表征晶格动力学：NIS 可用于确定 Os 特异性振动，由于 Os 是 K₂[¹⁸⁷OsO₂(OH)₄] 中最重的原子，主要贡献于低能声子分支。通过 NIS 和第一性原理计算，对 K₂[¹⁸⁷OsO₂(OH)₄] 系统从电子和原子振动角度进行了全面建模。

研究展望

¹⁸⁷Os NFS 结合 XAS，有望在细胞培养基、细胞外基质、细胞质和细胞核等 “真实世界” 环境中研究锇基前药的生物转化。通过建立不同氧化态和配位环境的锇配合物模型库，获取 NFS 数据，可为潜在锇基抗癌药物的形态研究提供重要参考，深入揭示 Os 配合物抗癌活性的潜在机制。