体内生物成像以及通过一种可被激活的、经稀土元素修饰的共价有机框架实现对铀酰的灵敏检测

《Biosensors and Bioelectronics》：In vivo bioimaging and sensitive detection of uranyl via a turn-on rare-earth functionalized covalent organic framework

　　

摘要

铀是一种具有放射性和毒性的污染物，对人类健康构成重大威胁。开发敏感的铀检测和生物成像平台仍然是一个挑战。本文通过使用2,2′-联吡啶-5,5′-二甲醛（Bpydah）和1,3,5-三(4-氨基苯）（TAPB）通过Schiff碱反应合成了一个基于吡啶的共价有机框架（COF）。随后，通过后期合成中的配位作用将欧onium离子（Eu³⁺）固定在COF框架的吡啶氮位点上，增强了其内在荧光性能，从而得到了一种欧onium改性的传感器（COF@Eu）。由于光诱导电子转移（PET）和F?rster共振能量转移（FRET）的共同作用，COF@Eu对铀酰离子（UO₂²⁺表现出“开启”式荧光响应，检测限为3.3?nM，并且在复杂样品基质中具有良好的可靠性（RSD < 2.9%）。此外，COF@Eu的“开启”式荧光响应、良好的生物相容性和低细胞毒性使其能够在细胞和小鼠中实现UO₂²⁺的成像。这种体内成像能力突显了COF@Eu在可视化内部铀暴露方面的潜力。这项工作建立了一个多功能平台，为环境监测和核毒理学提供了潜在策略。

引言

铀是核能生产中的关键元素，在水环境中主要以六价铀酰离子（UO₂²⁺的形式存在（Ahmad等人，2023；Liu等人，2025a）。环境中的铀污染可能来源于采矿活动、核废料泄漏和意外释放（Huang等人，2024），在铀矿区附近的地下水中检测到的UO₂²⁺浓度超过了世界卫生组织的指导限值（Haakonde等人，2020）。尽管铀-238是最丰富的铀同位素，其放射性较低，但其化学毒性仍可能对生态系统和人类健康造成重大风险（Bj?rklund等人，2020；Zhou等人，2021）。长期暴露于UO₂²⁺，即使是在微量水平（ppb），也与肾毒性（Deepika等人，2024）、DNA损伤（Liu等人，2025b）和致癌效应（Ansari等人，2024）有关，这是因为铀酰离子对生物分子中的磷酸基和羧基具有很强的亲和力（Yuan等人，2020）。此外，UO₂²⁺可以在生物系统中持续存在，其在肾脏中的长时间滞留可能会增加慢性暴露的相关风险。因此，迫切需要开发具有高灵敏度、选择性和生物相容性的多功能传感材料。

传统的检测方法，如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和放射性测定法，虽然灵敏度较高，但通常不适合实时原位监测（Chandra，2023；Dhara，2023；Wu等人，2026）。为了解决这些问题，金属有机框架（MOFs）因结构和功能的可调性而受到了广泛关注，用于UO₂²⁺的检测（Zhao等人，2025；Shubhangi等人，2024）。例如，Tb@UiO-66-(COOH)₂已被报道可以通过竞争性客体-主机相互作用用于UO₂²⁺的检测，在水中实现了8.26?nM的检测限（Xie等人，2025）。然而，某些基于MOF的传感器的有限水解稳定性可能会限制它们在水环境和生物环境中的应用。

共价有机框架（COFs）具有晶体孔隙性（He等人，2024）、可调的功能性（Zhang等人，2024a）和高化学稳定性（Yu等人，2025），成为环境传感和生物医学应用的有希望的平台（Li等人，2024a）。有机构建块的周期性排列使得孔隙工程精确化，通过尺寸排他和客体-主机相互作用实现目标分析物的选择性识别（Lin等人，2025）。尽管具有这些结构优势，许多报道的COF传感器依赖于“关闭”机制，这在低分析物浓度下容易受到背景波动和假阳性响应的影响。相比之下，荧光“开启”探针可以提供更好的信噪比，并有助于更可靠的分析物检测。因此，镧系离子的改性已成为调节荧光特性和提高传感系统信号稳定性的有吸引力的策略（Zhou等人，2018；Jiang等人，2022）。将稀土离子纳入坚固的COFs中可以促进与有机连接器的稳定配位相互作用（Yang等人，2021；Kumar等人，2024）。这种策略能够调节COFs的内在光致发光，并根据所引入的镧系离子的不同，在可见光区域提供可调的发射（Zuo等人，2019）。在镧系离子中，欧onium离子（Eu³⁺是用于复杂基质（如生物液体和环境样品）中高保真度检测的理想候选者（Ren等人，2021）。

在本研究中，通过使用2,2′-联吡啶-5,5′-二甲醛（Bpydah）和1,3,5-三(4-氨基苯）（TAPB）通过Schiff碱反应合成了一个基于吡啶的共价有机框架（Bpydah-TAPB-COF）。随后，通过后期合成中的配位作用将Eu³⁺固定在COF框架的吡啶氮位点上，得到了用于UO₂²⁺检测的欧onium改性的COF（COF@Eu）（图1a）。当UO₂²⁺与之配位时，由于协同的光诱导电子转移（PET）和F?rster共振能量转移（FRET），COF@Eu的荧光进一步增强。该传感器能够在复杂的环境样品中再现性地定量UO₂²⁺，相对标准偏差（RSD）2²⁺的体内荧光成像，将该平台的适用范围从环境传感扩展到生物成像（图1c）。这项工作提供了一个基于COF的UO₂²⁺检测和生物成像平台，突显了其在环境监测和核毒理学方面的潜力。

章节片段

材料

材料信息见支持信息部分。

仪器

仪器信息见支持信息部分。

COF@Eu的合成

向Pyrex管中加入1,3,5-三(4-氨基苯）（TAPB，14.05?mg，0.04?mmol）和2,2′-联吡啶-5,5′-二甲醛（Bpydah，12.73?mg，0.06?mmol），然后加入n-丁醇和o-二氯苯（1:1 v/v，总量2?mL），接着进行10?分钟的超声处理以获得均匀分散液。随后逐滴加入6?M的醋酸（0.50?mL）

COF和COF@Eu的特性分析

原始COF和COF@Eu的形态通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了表征。SEM图像显示，通过亚胺键连接的COF呈现聚集的球形结构（图1a），这与TEM观察到的堆叠球形形态一致（图1b）。这种结构特征归因于层间强的π-π堆叠相互作用（Long等人，2024）。当负载Eu³⁺后，COF@Eu的SEM图像显示表面更加粗糙

结论

总之，本研究成功开发了一种欧onium改性的共价有机框架（COF@Eu），它将UO₂²⁺检测与体内生物成像相结合。尽管存在轻微的基质干扰，该探针在复杂的水溶液中仍表现出令人满意的性能，检测限为3.3?nM，有效地将环境监测与生物医学诊断联系起来。虽然该探针的细胞毒性较低，但对它的长期生物安全性进行了全面评估，

CRediT作者贡献声明

沈德怀：验证、项目管理、研究、资金获取、正式分析、数据管理。王一茹：撰写——初稿、正式分析、概念构思。张欣宇：撰写——审阅与编辑、概念构思。王思坤：验证、数据管理。李雨娜：验证、研究。邓秋慧：撰写——审阅与编辑、项目管理。陈思涵：正式分析、概念构思。李乐：撰写——审阅与编辑。蔡青云：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（82204176、82503565、12175103）、湖南省自然科学基金（2024JJ5345）和湖南省教育厅科学研究基金（25B0398、25A0321）的支持。

沈德怀|王一茹|张欣宇|王思坤|李雨娜|邓秋慧|陈思涵|李乐|蔡青云|刘宇

Cancer Research Institute, The First Affiliated Hospital, School of Public Health, Hengyang Medical School, University of South China, Hengyang, 421001, PR China