胡婭琪，郝 林，陳梓欣，張一凡，奉啟鋮

（西安醫(yī)學院 藥學院，陜西 西安 710021）

MOFs是由金屬離子或者金屬團簇與有機配體之間通過配位鍵形成的具有周期性網(wǎng)絡結構的新型有機-無機雜化材料[1]。由于具有較大的比表面積、孔道結構可調等優(yōu)點，金屬有機框架材料（Metal Organic Frameworks,MOFs）近年來受到廣泛關注[2]。在眾多有機配體中，卟啉分子具有獨特的電子結構，比如其光譜吸收帶包括吸收較強的Soret吸收帶（400～450nm）和吸收較弱的Q吸收帶（550～650nm），且卟啉分子有著顯著的分子易剪裁性和功能多樣性，因此，將卟啉作為有機連接體引入MOFs可以拓展材料的吸收區(qū)域至可見光[3]，以拓寬MOFs的應用領域。卟啉中心的吡咯氮幾乎能和大部分金屬離子進行配位，總體來說，金屬卟啉主要有兩種構型，卟啉環(huán)內與金屬離子配位形成平面構型（金屬離子半徑較?。鏔e3+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Cu2+，或者通過卟啉環(huán)外配位形成金屬卟啉（金屬離子半徑較大），如Mo、Cr、Ti等過渡金屬離子，由于金屬的配位數(shù)不同，選擇合適的節(jié)點金屬往往有利于得到具有特殊結構和功能的MOFs。另外，卟啉環(huán)上的每一個位置可被功能基團所取代，功能取代基的位置和種類影響著化合物的物理和化學性質，因此，可通過調控卟啉中心環(huán)金屬離子和環(huán)外周圍取代基來調控MOFs材料的性能。另外，通過后修飾的方法將卟啉分子作為功能分子，通過孔內的包封和表面的吸附或接枝負載于MOFs材料孔隙內或表面，結合金屬原子、納米顆粒、碳材料、量子點等引入卟啉得到結構、性能獨特的MOFs材料，在催化、光動力治療、藥物遞送、傳感檢測等領域得到了廣泛應用[4-7]。

本文介紹了卟啉相關MOFs，包括以卟啉作為配體合成MOFs，后修飾將卟啉分子組裝在MOFs、以及結合功能性納米材料合成各類功能性MOFs，具體分為卟啉MOFs、卟啉@MOFs、復合型卟啉MOFs。著重從合成策略、功能和應用等方面介紹了卟啉相關MOFs通過調節(jié)金屬節(jié)點、連接體、空間結構以及構筑復合材料的合成及其應用，為進一步的研究工作提供簡要概述。

1 卟啉MOFs

在合成過程中，合理選擇卟啉對MOFs的孔徑、形狀和大小具有重要的調控作用。合成卟啉MOFs的卟啉連接體主要包括羧酸類、吡啶類以及多氮唑類配體等[8]，其中羧基卟啉（TCPP）作為連接體被廣泛應用，最常見的是H2TCPP（5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉），包括TCPP及其金屬化的TCPP分子（TCPP（M））。TCPP能夠和金屬Zr、Cu、Al、Cr、Tr等金屬節(jié)點組裝形成穩(wěn)定性較高的卟啉型MOFs，可以克服MOFs穩(wěn)定性、分散性差、容易聚集的問題。從而提高其理化性質。由于金屬的配位數(shù)不同，選擇合適的節(jié)點金屬往往有利于得到具有特殊結構和功能的MOFs。卟啉MOFs材料的合成以溶劑熱法、水熱法合成居多，該方法簡單，材料穩(wěn)定性較高，且可以調控尺寸和性能。一般將金屬鹽和卟啉有機配體一起加入有機溶劑或者水中，然后轉移至聚四氟乙烯反應釜中，在一定的溫度和時間下進行反應。在高溫高壓條件下通過改變金屬離子與有機配體的配比、溶劑種類、體系溫度、pH值、反應時間等條件來控制納米MOFs的成核和生長速率。除了溶劑熱、水熱法外，還有溶劑揮發(fā)法、電化學沉積法、微波輔助法、機械化學法等。

在眾多卟啉MOFs中，由于具有穩(wěn)定性較高、結構設計靈活和功能多樣性，鋯對氧的親和力很強，鋯基卟啉MOFs引起了人們極大的興趣。例如Park等[9]采用溶劑熱法合成了系列具有不同拓撲結構的卟啉MOFs，由TCPP或TCPP（M）（M=Ni,Cu,Zn,Co,Mn或Fe）作為有機配體和Zr簇組成，由于具有高連通性和高電荷密度的Zr金屬團簇提供了非常強的Zr-O鍵，提高了MOFs在酸性或堿性水溶液中的穩(wěn)定性。另外，基于Zr簇具有對稱性及配體連接數(shù)多樣的特點，將同一種卟啉連接體TCPP與配體連接數(shù)不同的Zr簇自組裝可形成具有不同拓撲結構的MOFs[10,11]。

由于卟啉內環(huán)的中心金屬配位會極大影響卟啉MOFs材料的形貌和化學性質，2020年，Zhao等[12]以苯甲酸作為輔配體設計合成了中心銅金屬配位的Cu-TCPP（BA）MOFs納米片，發(fā)現(xiàn)中心金屬配位的卟啉能夠降低MOFs納米片層與層之間的H堆積和J聚集，MOFs呈現(xiàn)各向異性生長。該研究詳細闡述了卟啉中心金屬配位的作用，揭示了MOFs生長機理，為合成超薄的微米級MOFs材料提供了思路。后續(xù)利用兩相界面合成法，避開了卟啉的中心金屬配位制得FeTCPP/Fe2O3MOFs復合納米材料[13]。該材料可以催化分解腫瘤細胞中存在的H2O2產生羥基自由基，同時克服腫瘤細胞的乏氧環(huán)境，促進1O2的形成，提高PDT效果。另一方面，利用紅細胞膜對MOFs進行偽裝以提高其在血液循環(huán)和體內組織停留時間，以AS1411適配體進行修飾實現(xiàn)MOFs在腫瘤區(qū)域的高富集，兩者增強了MOFs在腫瘤部位的富集能力，提高了PDT效果，降低了副作用。該研究為促進MOFs納米材料在生物醫(yī)學領域的應用提供了新的思路。

由于卟啉MOFs具有大量裸露的金屬位點和較大的比表面積等優(yōu)點，能夠有效降低光生電子-空穴對的復合率，因此，在氫釋放反應、氧釋放反應、氧還原反應和二氧化碳還原反應等各種能量轉換體系方面可作為理想的催化劑。除了常見的Zr，Cu和Zn，Ti、Ru也可作為節(jié)點金屬。2019年，Wang等[14]報道了以TiO團簇為結點，以H2TCPP為有機配體的二維卟啉MOFs。7個鈦原子與12個羧基連接成一個Ti7O6簇作為光催化活性中心，每個Ti7O6簇與4個H2TCPP連接體連接，形成單層卟啉MOF，并通過A-B堆積形成多層的卟啉MOF納米片，負載共催化劑-Pt納米粒子實現(xiàn)了可見光條件下（范圍拓寬至700nm）的高效光催化析氫，解決了目前普遍在光催化析氫領域存在的材料穩(wěn)定性較差、催化活性不足等問題。

利用MOFs合成可調性和結構規(guī)律性等優(yōu)勢，將光敏單元和催化單元整合在一起，研究該類仿生催化劑結構和功能的關系，為研究人工光合作用提供了平臺。但金屬節(jié)點僅是結構單元，并不參與整個催化過程，催化單元均為單獨引入，直接利用MOFs結構的金屬節(jié)點作為催化單元鮮少報道。Lan等[15]以Ru3+和四（4-苯甲羧基）卟啉和或四（4-苯甲羧基）卟啉鋅為有機連接體，設計合成了兩種以雙核釕為次級構筑單元（Ru2SBU）的新型金屬有機框架Ru-TBP和Ru-TBP-Zn，用于光催化反應，由于Ru2SBU和卟啉配體的距離僅為約1.1nm，且每一個Ru2SBU配位多個卟啉分子，有利于從激發(fā)態(tài)卟啉到Ru2SBU的多電子傳遞過程，實現(xiàn)可見光驅條件下催化產氫量的大幅度提高（28倍）。這項工作成功地將具有催化活性的金屬節(jié)點和光敏配體-卟啉整合到MOFs，用于光催化析氫反應，為設計多功能MOFs提供了新策略。

Zhao等[16]通過稀土Gd3+與TCPP配位反應合成了一種新型的卟啉MOFs納米片。通過與磺酸卟啉作為有機配體合成MOFs的比較，發(fā)現(xiàn)該MOFs較高的高弛豫速率，優(yōu)于大多數(shù)報道的造影劑的弛豫速率。此外，該MOFs納米片由于其特殊的周期性多孔結構，其光敏活性比單純TCPP納米片有所提高，在可見光照射下單線態(tài)氧產率更高，該研究為開發(fā)雙功能納米材料提供了新思路，提高了MOFs在磁共振成像和光動力治療方面的性能。除了光動力治療腫瘤，卟啉MOFs還可用于植物的光動力抗菌化學治療，Tang等[17]將光動力抗菌化學療法引入植物病害防治中，制備了兩種卟啉MOFs納米復合材料，研究了卟啉MOFs對不同植物病原微生物的光動力抗菌活性，研究了該材料對植物的安全性和遺傳毒性。以TCPP為有機連接物，以金屬離子簇Zr4+為結點，合成了多孔卟啉MOF（PCN-224）納米顆粒。在其孔隙中吸附負載戊唑醇（Tebuc），再將果膠和殼聚糖通過層層組裝在顆粒表面，得到戊唑醇納米復合材料（Tebuc@PCN@P@C）。結果表明，所制備的PCN-224對戊唑醇的載藥率約為30%，在酸性條件和果膠酶的刺激下，Tebuc@PCN@P@C可以釋放戊唑醇，對植物病原真菌-鏈格孢菌和細菌-白葉枯病菌、丁香假單胞菌具有光動力協(xié)同抗菌活性，該種材料在植物病害防治應用方面具有巨大潛力。

由于卟啉分子和金屬節(jié)點的多樣性，已經合成了各種不同結構的卟啉MOFs。與其他多晶結構類似，將卟啉MOFs結構調控到納米尺度（NMOFs），可以改善其在生物醫(yī)學應用中的理化和生物特性。

2 卟啉@MOFs

卟啉@MOFs的合成，通常以卟啉作為客體分子，將游離卟啉或金屬卟啉包裹在MOFs孔隙中或修飾在MOFs表面，卟啉的組裝過程主要采用原位形成和后修飾的方法。原位形成方法是指多組分前驅體（即多組分前驅體）的一鍋反應，在骨架的形成過程中，游離基卟啉/金屬卟啉同時被包裹在MOFs中實現(xiàn)兩者的結合。由于卟啉原位包封的合成方法簡單、效率高，許多研究者嘗試將卟啉@MOFs合成為生物醫(yī)學應用的功能平臺。

后修飾方法通過主客體之間的作用（如氫鍵、范德華力、靜電相互作用，π-π堆積相互作用，共價鍵作用等）將卟啉封裝到孔隙或表面合成MOFs，到目前為止，已經成功合成了多種類型卟啉@MOFs。對MOFs外表面的后修飾合成方法已被用來解決MOFs納米粒子表面性質的缺陷，如穩(wěn)定性較差，選擇性較差，生物利用度、藥代動力學差等問題。例如，Masih等[18]將鉑金屬化卟啉（Pt（II）TMPyP）成功地封裝在rho型類沸石ZMOF孔洞內，并應用于I-、S2-等陰離子選擇性傳感。單純Pt（II）TMPyP對陰離子的檢測限很低，但是無選擇性，將其封裝在rho-ZMOF框架內則具有獨特的化學結構，大大提高了傳感器的選擇性和靈敏度。Kan等[19]通過后修飾的合成法在溫和條件下以將S-乙基硫醇酯取代卟啉修飾在UiO-66表面合成新型UIO-66型MOFs。表面修飾的卟啉分子不僅能保持MOFs的結晶度、結構特征和尺寸，而且能高效地生成單線態(tài)氧。與一鍋法合成的卟啉MOFs相比，該復合材料表現(xiàn)出更高的光動力學活性和更有效的PDT效果。

由于體積大、水介質中分散性差等缺點，多孔有機聚合物（POPs）在生物醫(yī)學應用中受到限制。Zheng等[20]通過在UiO-66的胺基表面外延生長光活性卟啉POPs獲得納米級MOFs@POP復合材料（UNM），UNM種卟啉POPs結晶、孔結構和尺寸分布均得到較好的保持。UNM尺寸小于200nm，可以被癌細胞內吞。光激活條件下UNM產氧能力較高，可以應用于光動力治療。Tang等[21]以5,10,15,20-四（1-甲基-4-吡啶基）卟啉四（對甲苯磺酸鹽）（TMPyP）作為光敏劑（PS），將其嵌入MOF（HKUST-1）的籠狀結構中，一鍋法合成卟啉@MOF。結果表明，PS@MOF可提高單線態(tài)氧的產率，能廣譜有效滅活植物病微生物。在離體抑菌實驗中，PS@MOF對3種植物病原真菌（核盤菌、腐霉病菌、灰葡萄孢菌）和兩種細菌（黃瓜細菌角斑病菌、密歇根棍狀桿菌密歇根亞種）具有優(yōu)異的光動力抗菌活性。具有光動力抗菌活性的卟啉@MOF在農業(yè)應用中具有巨大的潛力，有望替代傳統(tǒng)殺菌劑作為高效的新型殺菌劑。

3 復合型卟啉MOFs

為了增強卟啉MOFs的多功能性，將功能組分引入卟啉MOFs中，是構建復合卟啉型MOFs的一種有效的策略，既提高了卟啉MOFs的穩(wěn)定性，又拓展了MOFs材料的應用。在卟啉MOFs材料功能化方面，涉及的材料主要有金屬納米顆粒、金屬單原子、金屬氧化物、納米晶、量子點、碳材料[22]等。

3.1 金屬納米顆粒

在MOFs材料中，引入具有催化活性的金屬納米顆?？商岣咂浯呋钚?。例如Zeng等[23]報道了一種用卟啉MOFs包覆功能基團修飾的不同納米結構的合成方法?；诩{米結構誘導的異相成核，可以實現(xiàn)MOFs在系列有機和無機納米材料上的可控生長，形成核-殼復合型卟啉MOFs，如聚多巴胺（PDA）納米顆粒、金屬納米顆粒、氧化石墨烯和金納米棒等。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制納米材料官能團以外，與Zr簇之間的配位作用，既可以避免MOFs在溶液中的自成核，又可以控制卟啉MOFs的厚度。由于納米材料和卟啉MOFs特殊的結構性質，該復合材料具有優(yōu)良的催化性能和光學性能，可被應用于光熱成像和光催化。例如，Wang等[24]通過納米粒子的后合成修飾和離子交換過程，利用卟啉MOFs的孔洞限域效應將Ag+可被還原為尺寸較小的Ag NPs（3nm）固定到鋯基卟啉MOF孔洞內部，得到NU-902材料。由于Ag NPs和卟啉均是亞硝酸鹽氧化的電催化劑，因此，NU-902可用于構筑電化學亞硝酸鹽傳感器，且傳感性能明顯優(yōu)于未負載Ag NPs的鋯基卟啉MOFs。

3.2 金屬單原子

利用單原子的高催化性能，將其負載于卟啉MOFs，可提高MOFs的催化性能。如2018年，He等[25]通過競爭配位法合成了管狀結晶卟啉Zr-MOFs空心納米管材料，并成功地將一系列貴金屬單原子（Ir、Pt、Ru、Au、Pd）錨定在卟啉中心，其中卟啉MOFs-Ir/Pt由于具有中空結構和單原子催化中心，在可見光催化水分解析氫反應中，表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性。金屬原子負載量的高低直接決定MOFs的催化活性高低，其中可以直接將金屬原子進行配位的金屬卟啉作為有機連接體。如Zuo等[26]以Pt-TCPP為連接體，Cu2+為節(jié)點，制備了二維卟啉MOF納米片，使得Pt原子在MOFs具有較好的分散性，有效地提高了Pt原子的負載量，在可見光照射下，該二維MOFs單原子催化劑的析氫速率遠遠高于當時報道的MOFs光催化劑的析氫速率。

3.3 金屬氧化物

控制MOFs的尺寸和形態(tài)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。Wang等[27]展示了一種痕量水誘導的競爭配位程序，以5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉作為配體，Zr4+作為無機結構單元，可控地合成不同結構的卟啉MOFs，包括針狀納米材料、中空納米管和納米立方體。3種MOFs在655nm激光照射下，表現(xiàn)出形狀依賴的單線態(tài)氧（1O2）生成。通過在納米立方體表面包覆MnO2殼進行功能化，可有效生成1O2，改善了腫瘤微環(huán)境，提高了PDT效果。此外，它們與谷胱甘肽反應，產生羥基自由基用于化學動力學治療（CDT）。因此，設計的MOFs@MnO2納米顆粒改善了腫瘤缺氧微環(huán)境，以提高PDT的效率，聯(lián)合CDT以增強腫瘤治療效果。

3.4 納米晶

相對于金屬納米材料，研究發(fā)現(xiàn)，CuS納米晶可在近紅外光誘導條件下，通過光熱療與光動力雙機制增強腫瘤治療效果要高于前者。基于開發(fā)兼具治療和成像功能的多功能納米治療系統(tǒng)以及有效和毒性更小的抗腫瘤藥物的迫切需要，Hu等[28]報道了一種簡單有效的方法來合成可用于雙模成像引導的協(xié)同光熱/光動力療法平臺（PCN-CuS-FA-ICG）。通過簡單的后修飾策略，可在水溶液中獲得CuS功能化卟啉MOFs。將吲哚菁綠（ICG）引入以促進光熱治療效果。在650nm輻射下，PCN-CuS-FA-ICG不僅使1O2生成率較高實現(xiàn)了較強的光動力效果，且在808nm輻射下也表現(xiàn)出出色的光熱轉換能力，實現(xiàn)了熒光和熱成像引導的腫瘤治療。且由于CuS在腫瘤上的明顯聚集，副作用較小，通過協(xié)同的光熱/光動力療法可明顯抑制腫瘤生長。

3.5 量子點

Zheng等[29]將零維氮化碳量子點（g-CNQDs）與二維超薄卟啉MOFs組裝合成一種雜化催化劑，用于可見光條件下高效、高選擇性的CO2光催化還原。不同于以往報道的雜化催化劑，大多是通過物理或靜電相互作用結合，作者制備的g-CNQDs/卟啉MOF雜化材料是通過g-CNQDs與卟啉MOF中的Co活性位點配位，大大縮短了光生電荷載體和氣態(tài)底物的遷移途徑。有效的電子-空穴對分離和在Co中心的長壽命俘獲電子，不僅增強了光催化CO2還原活性，還提高了CO2還原為CH4的選擇性。與單純卟啉MOFs相比，該雜化催化劑的CO生成速率提高了2.34倍，而CH4釋放速率提高了6.02倍。

3.6 碳材料

通過將卟啉MOFs和碳基材料，如石墨烯（PG），有序介孔碳（OMC）和大孔碳（MPC），可以改善卟啉MOFs的電導率和穩(wěn)定性，增加活性位點。如Liu等[30]通過簡單的一步水熱法，將鐵卟啉金屬有機骨架（pFeMOF）與各種碳基質結合得到了卟啉MOFs復合材料，并用于氫氣析出反應（HER）的電催化和過氧化氫（H2O2）的還原反應的催化過程。結果發(fā)現(xiàn)，pFeMOF/PG比pFeMOF/OMC，pFeMOF/MPC和pFe MOF具有更高的電催化效率，歸因于PG的褶皺結構而導致pFeMOF尺寸均勻且較小。此外，pFeMOF/PG豐富的層狀結構會使得其具有較大的電化學表面積。該工作為設計有效的非貴金屬催化劑提供了一種新方法。

表面相互作用，包括靜電力、疏水相互作用、共價或配位鍵，是通過表面修飾法制備復合卟啉型MOFs的必要條件。復合型卟啉MOFs中復雜的相互作用也影響其降解特性。例如，Zr陽離子對磷酸陰離子的高親和力可以導致Zr基卟啉型MOFs的解體。此外，具有生物相容性成分（如聚乙二醇、PVP）的表面修飾MOFs可提高其穩(wěn)定性，延長其在生物環(huán)境中的循環(huán)時間。盡管已經合成了多種復合卟啉型MOFs，但其復雜的合成工藝、收率較低的生產仍然制約著其在生物醫(yī)學領域的應用。

4 結語

隨著社會的進步，科學技術的發(fā)展，具有特殊性質的功能性材料和多種功能集一身的復合材料的應用越來越重要。基于卟啉特殊的結構，以其作為配體或者后修飾分子，結合其他功能材料可得到具有優(yōu)異光學、電學及磁性性能的復合卟啉MOFs材料，因此，在生物醫(yī)學領域，比如光動力治療、成像、傳感，得到了迅速的發(fā)展。然而，基于卟啉相關MOFs材料在生物相容性、選擇性、靈敏度和便捷性等方面仍然面臨一些挑戰(zhàn)。主要集中在：（1）在MOFs的合成方面，通過選擇合適的金屬節(jié)點和有機配體，或表面進行功能化，控制合成具有特定孔徑和結構的MOFs，提高材料的穩(wěn)定性、生物相容性；（2）進一步開發(fā)其它功能材料，將MOFs與之復合制備MOFs復合材料，通過提高在光學、電學及磁性等方面性能，進一步提升卟啉相關MOFs材料的應用；（3）開發(fā)擁有多種傳感信號，協(xié)同治療效果的納米載體的“智能”平臺。隨著對MOFs和各類功能材料的不斷研究，合理的設計和構建基于卟啉的MOFs材料，深入挖掘其結構和性能，可獲得理論和在實際應用上的突破。