近日发表在Adv Sci的研究论文作者单位来自安徽大学。

Lu X, Yu X, Li B, Sun X, Cheng L, Kai Y, Zhou H, Tian Y, Li D. Harnessing Metal-Organic Frameworks for NIR-II Light-Driven Multiphoton Photocatalytic Water Splitting in Hydrogen Therapy. Adv Sci (Weinh). 2024 Aug 9:e2405643. 

在构建近红外（NIR）光激活产氢材料方面，实现对深层肿瘤组织中氢气分子的可控产生和高浓度释放，以及增强氢疗效果，具有重要的科学意义。为了解决窄带隙光催化材料低效率氧化还原反应的关键科技难题，本研究提出了一种创新的方法，用于可控制备多光子光催化材料，以克服传统近红外光催化剂受“窄带隙”限制的问题。在此，我们利用后合成配位修饰策略，将氢化活性位点CoII引入到多光子响应性MOF（ZrTc）中，开发了一种NIR响应型多光子光催化剂ZrTc-Co。结果显示，通过引入CoII位点，可以有效抑制电子-空穴复合，从而提高了析氢反应的效率。此外，CoII的整合可以有效地促进电荷转移并提高静态超极化率，使ZrTc-Co具有出色的多光子吸收能力。而且，透明质酸的修饰为ZrTc-Co提供了癌细胞特异性靶向特性，为肿瘤特异性消除奠定了基础。总的来说，所提出的发现呈现了一种构建NIR-II光介导的氢治疗剂以消除深层肿瘤的策略。

1 引言

氢气（H2），作为一种清洁/安全的治疗分子，因其卓越的抗氧化和抗癌性能而受到广泛关注。然而，H2的低溶解度和易扩散性给当前常规的给氢方法带来了挑战，例如吸入H2或饮用富氢水。这些方法效率低下，难以在病灶部位实现持续和可控的H2产生，从而限制了H2在肿瘤治疗中的有效性。为解决这一问题，一种方法是采用光催化材料，利用肿瘤微环境中的还原性化学物质，如谷胱甘肽和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NAD(P)H），作为人工光催化剂的牺牲剂。这种创新方法通过光催化水解实现了在肿瘤组织内连续和可控地产生H2。因此，它为癌症治疗中H2的可控释放和治疗提供了一条有希望的新途径。

事实上，与可见光相比，近红外（NIR）光具有更优的组织穿透能力。通过使用NIR光响应型光催化剂驱动水解产生氢气，为在深层肿瘤部位控制释放H2提供了一个可行方案。这一发展对于癌症治疗领域H2疗法具有重要意义。然而，由于窄带隙光催化材料的低氧化还原电位和高电荷载流子复合率，实现高效的氧化还原反应是一个挑战，这在开发用于NIR光驱动产氢的材料时构成了一个重大难题。为了克服NIR光低能量激发状态阻碍有效氧化还原反应的挑战，研究人员提出了一种策略，即利用能够吸收两个或更多NIR光子以达到更高能量激发态的光催化剂。这种方法能够实现有效的NIR光催化，解决了NIR光能量低的限制，促进了有效的氧化还原反应。多光子吸收材料提供了一种机会，可以克服传统“窄带隙”NIR光催化剂的限制。这些材料允许对NIR光进行敏化，并为开发新型高效的NIR光催化产氢材料提供了平台。此外，它们的非线性光学性质使得可以通过多光子激发精确激活分布在肿瘤组织三维空间内的光催化剂。这一能力为H2疗法中的高效NIR光催化提供了有力支持，允许有针对性的激活和提高性能。因此，制备具有出色多光子吸收效果的NIR光催化材料非常重要。这种方法涉及扩展和增强光催化剂的NIR光吸收能力，同时实现高电子-空穴分离效率和利用。这一进展对于在深层肿瘤组织中有效生成和高浓度积累H2至关重要，从而增强了H2治疗的效果。

基于肿瘤治疗[9]、光催化[10]以及使用金属有机框架（MOFs）构建多光子材料[11]等领域的研究成果，可以有力地论证，基于MOFs制造多光子响应型近红外（NIR）光催化剂用于氢气（H2）治疗在理论上是可行的并且具有独特的优势。在此，我们以前关于多光子响应金属有机框架（ZrTc）的工作为基础[12]，通过后合成修饰引入了CoII光催化活性位点（称为ZrTc-Co），以制备用于产氢的多光子响应型NIR光催化材料。考虑到CoII的配位环境和相关文献报道[13]，我们使用Gaussian 16构建了优化模型（图1A）。基于此模型，我们计算了多光子性能和催化性能的相关参数。如密度泛函理论（DFT）计算所揭示，ZrTc-Co显示出比ZrTc更大的静态第一超极化率（β）和静态第二超极化率（γ），表明其增强了多光子吸收活性（图1B）。此外，我们利用静电势和电荷密度分布计算评估了光生电子和空穴分离的效率，这对于光催化至关重要[14]。如图1C所示，ZrTc-Co中CoII位点周围的平均电势（-28.08 kcal mol^-1）比ZrTc（0.37 kcal mol^-1）更负，表明电荷在Co原子附近积累，并且光生电荷载体有效分离。这进一步得到了ZrTc-Co中电子和空穴分离模拟的支持，表明改善了电荷分离并为析氢反应（HER）创造了有利条件（图1D）。此外，HER过程中间态的吉布斯自由能（ΔGH）反映了H的吸附/解吸能力，这是HER性能的关键指标。图1E展示了理论上构建的H原子吸附构型，表明引入CoII活性位点导致更接近热中性状态（|∆GH*|→0），促进了HER过程的动力学。综上所述，这些计算结果强调了在ZrTc中引入活性CoII位点提高了多光子吸收系数和电子-空穴分离，使ZrTc-Co成为多光子光催化析氢的有希望的候选者。

2 结果与讨论 受到鼓舞人心的计算结果和进一步生物医学应用潜力的激励，我们开始了纳米级ZrTc-Co的合成。首先，按照我们之前的方法稍作修改制备了纳米级ZrTc[12]。随后，通过将ZrTc与CoCl2•6H2O配位获得了ZrTc-Co，如图2A所示。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析揭示了ZrTc-Co的八面体形态，而元素映射显示了钴的均匀分布（图2B,C）。此外，X射线光电子能谱（XPS）结果（图2D；支持信息图S1）确认了Co与ZrTc的成功配位，钴呈现+2氧化态。与ZrTc相比，ZrTc-Co中N 1s和S 2p的结合能红移表明Co与N/S原子之间的配位（支持信息图S2）。此外，傅里叶变换红外（FT-IR）光谱提供了ZrTc-Co成功形成的额外证据。值得注意的是，355、548和932 cm^-1处的特征振动峰分别对应于Co─N、Co─O和Co─S键的伸缩模式（图2E，支持信息图S3）。[16]结合上述结果和ZrTc-Co的质谱结果（支持信息图S4），确认了CoII的配位方式，如图2A所示，这与DFT计算的结果一致。

图1 A) ZrTc和ZrTc-Co的计算模型。B) ZrTc和ZrTc-Co之间的静态第一超极化率(β)和第二超极化率(γ)的比较。C) ZrTc和ZrTc-Co的静电势表面图。D) ZrTc和ZrTc-Co的电子-空穴分布图。橄榄色：电子；青色：空穴。E) H原子的吸附配置和计算的Gibbs自由能曲线(∆GH*)的ZrTc和ZrTc-Co。

图2 A) ZrTc-Co的合成路线。B) ZrTc-Co的SEM图像（比例尺：200 nm）。C) ZrTc-Co的TEM图像（带状支持膜）及其对应的元素映射图像（比例尺：100 nm）。D) ZrTc-Co的XPS光谱。E) ZrTc和ZrTc-Co的FT-IR光谱。F) ZrTc、ZrTc-Co和ZTCH的PXRD图谱，以及ZrTc和ZrTc-Co的Lebail精修显示在图S6（支持信息）中。G) ZrTc、ZrTc@HA、ZrTc-Co和ZTCH在去离子水中的Zeta电位（n = 5次独立实验）。