【Adv.Mater.】300nm 超大 Stokes 位移！MOF 荧光材料让细胞成像再升级

✨文章标题：Photoswitchable Dual-Color Fluorescence With Large Stokes Shift From Dye-Encapsulated Metal-Organic Framework for Dynamic Cellular Imaging ✉️作者：Zhengluan Liao, Guodong Qian, Yuanjing Cui 等 🔗链接：https://doi.org/10.1002/adma.202518371

在生物医学成像领域，“看得清” 和 “看得深” 一直是科学家们追求的核心目标。就像我们用相机拍照时，会希望画面清晰无噪点、能捕捉到细节一样，细胞成像也需要荧光材料发出的信号足够纯粹、可精准调控。但长期以来，传统荧光材料要么只能发出单一颜色的光，容易受环境干扰；要么Stokes 位移（吸收光和发射光的波长差）太小，导致发射光被激发光 “掩盖”，成像对比度大打折扣。

如今，浙江大学等团队的研究带来了突破性进展 —— 他们研发出一种基于金属有机框架（MOF）的光响应双色荧光材料，不仅能实现绿色和红色的可逆切换发光，还拥有高达 300nm 的超大 Stokes 位移，为高分辨率、深度分辨生物成像打开了新大门。

核心背景：细胞成像的 “老大难” 问题

要理解这项研究的价值，首先得搞懂传统荧光成像面临的两大痛点。第一个痛点是 “信号干扰”，很多荧光材料只能实现 “亮” 和 “灭” 的单状态切换，这种单一的强度变化很容易受测量条件、材料浓度的影响，就像在强光下看手机屏幕，微弱的亮度变化根本难以察觉。

第二个更关键的痛点是 “Stokes 位移太小”。简单来说，Stokes 位移就像是荧光材料 “吸收” 光子后 “释放” 光子的能量差，反映在波长上就是吸收光和发射光的距离。如果这个距离太近，发射光就会被激发光的余光 “淹没”，还会出现光的再吸收和自猝灭现象，就像两个人在同一频率的收音机上说话，信号会相互干扰。传统双色荧光材料的 Stokes 位移通常很小，这让成像的对比度和灵敏度一直上不去，给细胞深处的精细结构观察带来很大困难。

此外，很多光响应材料只能在溶液中工作，一旦制成固体，分子排列太紧密，就无法实现有效的光致异构化（简单说就是光照下的结构变化），这也限制了它们在实际成像中的应用。科学家们一直渴望找到一种能同时解决 “信号可调”“位移够大”“固体可用” 的材料，而MOF 的出现让这个愿望成为可能。

核心方法：给荧光分子搭个 “智能骨架”

这项研究的核心创新，在于给三种关键分子搭建了一个 “量身定制” 的 MOF 骨架，通过级联能量转移实现了可控的双色发光。我们可以把这个过程想象成一个 “光控能量接力赛”，而 MOF 就是这场接力赛的专用赛道。

首先得认识一下这场 “接力赛” 的三个核心选手：第一种是香豆素 153（Cou153），它是整个系统的 “能量发起者”，吸收 400nm 左右的光后，会发出 516nm 的绿色荧光；第二种是亚甲基蓝（MB），是 “最终发光者”，接收能量后会发出 700nm 的红色荧光；最关键的第三种是螺吡喃（SP），它是 “能量开关”，能在紫外线和可见光照射下切换结构，决定能量是否能从香豆素 153 传递到亚甲基蓝。

而 MOF 骨架（这里用的是rho-ZMOF）则是让这场接力赛顺利进行的关键。rho-ZMOF 有着规则的十二面体结构，内部有直径约18.2Å 的超大空腔，这个尺寸刚好能容纳上述三种分子，就像一个定制的 “分子公寓”。更重要的是，它的窗口尺寸约 8.7Å，既能让分子顺利进入，又能防止它们 “跑掉”，同时还能为分子提供足够的自由空间，保证螺吡喃能顺利完成光致异构化 —— 这解决了传统材料在固体中无法有效切换的难题。

研究团队通过溶剂热反应合成 rho-ZMOF 后，将三种分子的甲醇溶液与 MOF 晶体在 60℃下浸泡 12 小时，让分子通过孔隙进入 MOF 内部，最终形成了rho-ZMOF⊃Cou153&SP&MB 复合材料。通过调整溶液浓度，他们精准控制了三种分子在 MOF 中的含量，其中最优比例为 0.02wt.% 香豆素 153、1.03wt.% 螺吡喃和 0.16wt.% 亚甲基蓝。

这个设计的巧妙之处在于 “级联能量转移” 机制。当没有紫外线照射时，螺吡喃处于关闭的 SP 状态，此时它的激发态能量很高，香豆素 153 的能量无法传递给它，所以系统主要发出香豆素 153 的绿色荧光；当用 365nm 紫外线照射时，螺吡喃会变成打开的 MC 状态，激发态能量降低，香豆素 153 的能量先传递给 MC，再由 MC 传递给亚甲基蓝，此时绿色荧光减弱，红色荧光增强；而当切换到可见光照射时，螺吡喃又变回 SP 状态，能量传递中断，绿色荧光恢复 —— 整个过程实现了双色荧光的可逆切换。

数据解读：300nm 位移背后的硬核实力

一项技术是否具有突破性，最终要靠数据说话。这项研究的实验数据，全方位展现了这种新型材料的硬核性能，每一个关键数据都直击传统材料的痛点。

首先是核心的Stokes 位移数据。当用 400nm 光激发时，材料的绿色发射峰在 516nm，红色发射峰在 700nm，最大 Stokes 位移达到 300nm，远超传统双色荧光材料。这个数据意味着什么？简单说，激发光和发射光的波长差足够大，发射光不会被激发光干扰，就像用手电筒照射远处的信号灯，信号灯的光不会被手电筒的光掩盖，成像时的信噪比和对比度会大幅提升。同时，两个发射峰之间的距离约 200nm，光谱分辨率极高，能清晰区分两种信号，为精准成像提供了基础。

其次是光响应性能和稳定性。实验显示，在紫外线照射 60 秒后，绿色荧光强度显著下降，红色荧光强度达到峰值，而切换到可见光照射后，荧光强度又能基本恢复。这种切换可以重复至少 5 个循环，且最大和最小荧光强度衰减极小，说明材料具有良好的抗疲劳性。这就像一个耐用的开关，能反复使用而不失效，为长期动态成像提供了可能。

能量转移效率的测试数据更能体现设计的精妙。通过荧光寿命测量计算，香豆素 153 到 MC 状态螺吡喃的能量转移效率最高可达 40%，而 MC 状态螺吡喃到亚甲基蓝的能量转移效率更是高达 81%。如此高的转移效率，保证了能量传递的顺畅性，让双色切换的响应速度更快、效果更明显。相比之下，在没有 MOF 骨架的甲醇溶液中，这三种分子混合后根本无法实现有效的能量转移和动态荧光切换 —— 这充分证明了 MOF 骨架的关键作用。

材料的生物相容性是其能用于细胞成像的前提。MTT 实验显示，当 4T1 细胞与浓度高达 200μg/mL 的材料共培养 6 小时后，细胞存活率仍保持在 90% 以上，且光毒性极低。这意味着材料对细胞的伤害很小，符合生物医学应用的安全要求，为后续的活体成像奠定了基础。

在实际成像测试中，材料的表现同样出色。对 4T1 细胞进行成像时，初始状态下绿色荧光信号强烈，红色信号微弱；经过紫外线照射后，绿色信号逐渐减弱，红色信号同步增强，细胞伪色从绿色逐渐变为黄色，最终变为红色；而可见光照射后又能恢复绿色。这种动态切换在细胞内依然能稳定实现，且Pearson 共定位系数达到 0.79，说明材料在细胞内保持了结构完整性。

更令人惊喜的是深度分辨成像能力。由于绿色光能量较高，在生物组织中衰减较快，而红色光能量较低，穿透能力更强。实验显示，红色荧光的最大成像深度可达 100μm，远超绿色荧光的 60μm。通过绿色和红色荧光强度的比值变化，还能反映成像的空间深度信息 —— 在浅层组织，图像从绿色经黄绿色变为红色；在中层组织，从绿色变为橙红色再到红色；在深层组织，绿色荧光几乎完全消失，红色荧光成为主导。这种特性让材料能实现 “颜色 - 深度” 的关联成像，为深层组织的精细观察提供了新手段。

应用展望：从基础科研到临床医疗的潜力

这项研究的突破，不仅解决了传统荧光材料的多个痛点，还开辟了多个重要的应用方向，但同时也存在一些需要进一步完善的地方。

从局限性来看，目前材料的制备过程还需要精准控制分子比例和浸泡条件，规模化生产的难度较大；其次，虽然材料的光稳定性较好，但在长期活体成像中，是否会受到生物体内酶、酸碱度等环境因素的影响，还需要进一步验证；此外，红色荧光的成像深度虽然达到 100μm，但对于更深层的组织或器官成像，仍有提升空间。

不过，这些局限性并不影响其巨大的应用潜力。在生物医学成像领域，它可以用于细胞内动态过程的长期追踪，比如观察细胞分裂、蛋白质相互作用等，300nm 的超大 Stokes 位移能让观察更清晰、更精准；在深度成像方面，它可用于肿瘤组织的深层观察，帮助医生更准确地判断肿瘤边界，为手术规划提供支持；在超分辨显微镜技术中，可逆的双色切换特性有望提升成像分辨率，助力科学家发现更多细胞微观结构的奥秘。

在非医疗领域，这种材料还可用于信息加密—— 通过紫外线和可见光的切换，实现信息的 “写入” 和 “读出”，且双色信号和大 Stokes 位移能提高加密的安全性；在光学存储领域，可利用其高稳定性和可逆切换特性，开发高密度的光存储介质，提升存储容量和读写速度。

未来，研究团队可能会进一步优化材料的性能，比如通过调整 MOF 结构或分子配比，进一步提升能量转移效率和光稳定性；也可能尝试将材料与靶向分子结合，实现对特定细胞或组织的精准成像；此外，开发更简单的规模化制备方法，降低成本，也是推动材料走向实际应用的关键方向。

这项研究的核心价值，不仅在于研发出一种性能优异的新型荧光材料，更在于提供了一种 “MOF 骨架 + 级联能量转移” 的设计思路。通过 MOF 对分子的限制和保护作用，解决了传统材料在固体状态下光响应差、量子产率低的问题；通过螺吡喃的光致异构化，实现了能量转移的精准调控；而超大 Stokes 位移和双色切换的结合，则直击成像领域的核心痛点。

随着技术的不断完善，这种材料有望在生物医学、信息存储、光学器件等多个领域发挥重要作用，尤其是在临床诊断和基础科研中，可能会带来成像技术的新一轮升级，让我们 “看清” 更多以前看不到的微观世界，为疾病诊断和科学发现提供更强大的工具。