基于荧光成像和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术追踪金属有机框架在黄瓜幼苗中的空间分布

《Journal of Hazardous Materials》：Spatial distribution tracing of MOFs in cucumber seedlings by fluorescence imaging and LA-ICP-MS

● 建立了荧光和LA-ICP-MS成像策略，用于绘制黄瓜幼苗中Eu-MOF和Zr-MOF的空间分布● MOF的本征荧光使直接可视化MOF在幼苗根、茎和叶中的定位成为可能● LA-ICP-MS对Eu和Zr的追踪验证了MOF的空间模式，并通过ICP-MS量化了MOF介导的植物养分稳态扰动● Eu-MOF和Zr-MOF优先积累在根部，且根部外缘的MOF丰度高于根内部组织

引言

金属有机框架（MOFs）具有高比表面积和可调控的孔道环境[1]。它们是孔隙材料[2], [3]，由中心金属离子或金属离子簇[4]和有机配体[5]组成，已被广泛应用于农业（农用化学品缓释、农药残留检测）[6]、工业（气体分离、污水处理）[7]等领域。荧光MOFs是由金属簇和有机连接体构建的发光多孔晶体材料[8]。荧光来源于刚性骨架内的配体中心跃迁、电荷转移或金属中心发射。与常见的荧光纳米材料不同，其固定骨架有效减少了荧光猝灭，并赋予可调的发光性能[9]。

随着MOFs应用的增加，MOFs不可避免地进入环境并暴露于微生物[10]、植物[11]和动物[12]。MOFs通过调节代谢过程影响微生物的生长和繁殖，并可能对动植物健康产生影响[13]。阐明MOFs在植物中的吸收、转运和积累模式，将有助于评估其对植物生长发育的影响，进而推断对整个食物链和生态系统的潜在威胁。MOFs对环境的效应正在被进一步探索。Guan等人[14]表明，MOF-199（Cu3(BTC)2，BTC=苯-1,3,5-三羧酸根，Ph(COO-)3）加速了豌豆种子萌发，在高浓度下抑制了幼苗生长，增加了净光合速率，并降低了总光合能力。Liu等人[15]表明，MIL-101（Cr）（MIL-101(Cr)由Cr3O离子簇与对苯二甲酸（H2BDC）配位形成）在低浓度（200 mg/L）下对大豆生长有积极影响；然而，在高浓度（500和1000 mg/L）下，显著抑制了植物生长。Mahpara Safdar等人[16]表明，暴露于较高浓度的PCN-224（300 μg/mL）（PCN-224是一种以Zr4+为配位中心、卟啉为有机配体的纳米级金属有机框架）显著损害了拟南芥的生长；相反，较低的暴露量（10 μg/mL）显示出最少的生长抑制；当浓度超过100 μg/mL时，PCN-224对金属有机框架的暴露产生负面影响。此外，MOFs在可持续农业中具有广泛的应用潜力。典型应用包括农用化学品控释载体[17]、农用污染物快速检测传感器[18]和农业土壤净化[19]等。

然而，关于MOFs在农业暴露后在植物组织内的体内分布研究相对较少。这直接限制了常用MOF农用化学品载体和土壤修复材料的安全田间应用。因此，构建一种研究MOFs在植物中分布的方法，对于MOFs的追踪和成像具有重要意义。作为代表性MOFs，铕基氨基功能化金属有机框架（Eu-BDC-NH?）和锆基氨基功能化金属有机框架（UiO-66-NH?）具有良好的稳定性[20]、在不破坏骨架的情况下可进行多维调节[21]、长期循环可靠性[22]。得益于多孔结构和反应性氨基位点，这两种材料也可作为客体分子负载和递送的有前景的载体平台。这些优势使它们广泛应用于CO?捕获[23]、水处理[24]、多相催化[25]和生物医学[26]等工业应用。然而，现有的大多数研究集中在其非生物体系中的功能性能上。相比之下，关于其生物学行为、植物毒性和生物安全性的系统性研究仍不完善。特别是，其在植物组织中原位吸收、转运和空间分布的原位可视化和比较研究仍主要未被探索。因此，本研究选择Eu-BDC-NH?和UiO-66-NH?作为研究对象来弥补这些研究不足。

LA-ICP-MS是一种高灵敏度分析技术，结合了激光烧蚀（LA）和感应耦合等离子体质谱（ICP-MS）的优势，用于固体样品的快速[27]和精确成分分析[28], [29]。LA-ICP-MS具有高灵敏度[30]、低检测限[31]、高空间分辨率[32]、微区分析[33], [34]等优点，适用于元素的快速原位检测。LA-ICP-MS已广泛用于水稻[35]、玉米[36]、大豆[37]和黄瓜[38], [39]等植物样品的成像。荧光成像作为一种光谱成像技术，具有许多优势：高分辨率[40]、快速成像速度[41]、简单的样品制备[42]和较少的样品损伤[43]。然而，荧光成像能清晰显示组织微结构，但无法获取元素空间分布数据；LA-ICP-MS能准确映射元素富集区域，却缺乏同步的组织形态学信息，阻碍了将元素信号分配到特定组织或细胞。单独使用时，元素和形态学图像是孤立的，缺乏可靠的空间相关性，妨碍了对结果的准确解释。荧光成像和LA-ICP-MS作为两种独立但互补的方法，结合元素分布信息和组织结构特征，补偿了单一检测的局限性，实现了对植物组织中MOFs更全面和可靠的空间分析。

LA-ICP-MS成像与荧光成像的结合实现了对成像结果的相互验证[44]，提高了检测精度[45]，减少了由植物自身荧光、仪器不稳定和操作差异引起的背景信号干扰，从而显著增强了分析结果的可靠性[46]。此外，这两种技术可以灵活适应不同的成像场景，为可视化纳米材料在植物组织中原位分布提供了多样化策略[47]。荧光显微镜允许对新鲜植物样品中MOF分布进行快速、实时的原位观察和初步定性筛选，而LA-ICP-MS成像则对来自UiO-66-NH?和Eu-BDC-NH?的Zr和Eu信号具有独特的元素特异性追踪能力。这种互补分析策略有效消除了严重限制单一荧光成像精度的植物内源性荧光干扰，并补偿了独立LA-ICP-MS检测中直观显微形态信息的不足。因此，建立一种集成光谱技术和质谱技术各自优势的协同成像方法，对于准确揭示MOFs在植物系统中的空间分布和迁移行为具有重要的实际意义。

黄瓜是全球广泛种植的经济蔬菜，其产量和质量是农业经济效益的指标。本研究以黄瓜幼苗为模型，使用荧光成像和LA-ICP-MS的成像方法，研究了两种MOF：UiO-66-NH2和Eu-BDC-NH2在植物中的分布。利用MOFs的发光特性，通过荧光显微镜确定了MOFs在黄瓜幼苗根、茎和叶中的分布。使用LA-ICP-MS对153Eu和90Zr进行追踪和成像，确定了Eu-BDC-NH2和UiO-66-NH2在黄瓜幼苗根、茎和叶中的分布。使用ICP-MS对空白组和培养组黄瓜幼苗根、茎和叶中Eu、Zr元素进行定量。此外，使用ICP-MS对空白组和培养组黄瓜幼苗中Mg、Mn、Zn和Cu元素含量进行定量，以确定MOFs添加对植物吸收Mg、Mn、Cu和Zn的影响。使用LA-ICP-MS对空白组和培养组黄瓜幼苗中的Mg、Mn、Cu和Zn进行追踪和成像，确定元素在黄瓜幼苗根、茎和叶中的分布。最后，比较并讨论成像方法的结果。

各节摘要

实验部分

材料和方法的更多细节见支持信息。

合成的UiO-66-NH2和Eu-BDC-NH2表征

为建立成像模型系统，本研究成功合成了两种金属有机框架（MOF）材料：UiO-66-NH2和Eu-BDC-NH2。随后进行了全面的表征和性能测试，具体结果如下：

图1展示了UiO-66-NH2和Eu-BDC-NH2的形貌和功能基团表征。图1A和图1B分别显示了UiO-66-NH2和Eu-BDC-NH2的扫描电子显微镜（SEM）图像。

结论

本研究建立了结合荧光成像和LA-ICP-MS成像的互补成像策略，系统研究了UiO-66-NH2和Eu-BDC-NH2在黄瓜幼苗中的空间分布和转运。该方法克服了单一检测在纳米材料-植物相互作用研究中的局限性。利用MOF的本征发光特性，荧光成像实现了对MOF在根、茎和叶中定位的非侵入性可视化。

环境意义

本研究为MOFs及其他纳米材料在农业系统中的安全可持续应用提供了重要的环境启示。得益于独特的结构特征，MOFs展现出巨大的农业应用潜力，然而其在作物中的积累和转运可能引发植物毒性，扰乱植物代谢，并侵入可食用组织，构成潜在的食物链污染和生态风险。本文开发了一种精确的成像策略……

CRediT作者贡献声明

王建华：撰写—审阅与编辑，资助获取。王雨：撰写—原稿，验证，调查，形式分析，数据整理。刘琪：撰写—原稿，软件，方法学，调查。张明宇：撰写—审阅与编辑，方法学。陈明利：撰写—审阅与编辑，监督，调查，资助获取，概念化。王学生：调查，数据整理。陈亚菲：调查，形式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（22274017，22334003）的资助。特别感谢东北大学分析与测试中心的仪器分析支持。

意义声明

金属有机框架（MOFs）已成为农业应用中前景广阔的纳米材料，然而其在植物体内的分布和潜在生态风险仍了解不足，这构成了评估其生物安全性和……的重大障碍。

王雨 | 刘琪 | 王学生 | 陈亚菲 | 张明宇 | 陈明利 | 王建华