新型改性发光金属有机骨架材料制备及对肺癌呼气挥发性标志物的传感研究

Breath analysis as a diagnostic method for lung cancer is a fast growing research field. Metal-organic frameworks show good applications on VOCs luminescent recognition. Therefore, this project is proposed to study new diagnostic method for exhaled breath of lung cancer and develop highly efficient luminescent sensors for VOC biomarkers in the exhaled breath of lung cancer patients. The major contents of the project involve the synthesis of new modified luminescent MOFs with high sensitivity and high selectivity toward lung cancer VOC biomarkers, and the reaction mechanism for the synergistic effect of the porous structures and surface chemistry on its luminescent properties. Theoretically, the effect of the combination interactions between pore structures and surface chemistry of the modified MOFs on its luminescent performance toward lung cancer VOC biomarkers will be investigated. Technically, the surface modification of the selected MOFs will be done using organic amines or alcohols via post-synthetic modification, and the surface of the MOFs will be grafted with different contents of –NH2 or OH groups. Therefore, the preparation of MOFs with high sensitivities and selectivities toward trace lung cancer VOC biomarkers will be studied, and a new detection technology using this newly synthesized luminescent materials will be developed. This project is proposed to supply new theory, luminescent materials and practical supporting technology for the early lung cancer detection.

基于呼吸检测诊断肺癌的广阔市场前景和金属有机骨架材料的荧光识别应用，本项目提出研究肺癌诊断的新型呼吸诊断方法，研究基于肺癌呼气标志性VOCs的新型改性金属有机骨架材料荧光传感性能。主要内容包括：研制对痕量肺癌呼气挥发性标志物具有高灵敏度和选择性的新型改性发光MOFs材料并研究改性MOFs结构和表面性质的协同作用对其荧光传感性能的影响机制。从理论层面上，研究改性MOFs材料孔结构和表面化学性质的协同作用对肺癌呼气标志性VOCs的荧光传感性能的影响因素及规律；从技术层面上，研究采用有机胺或醇类对发光MOFs材料进行后改性工艺，使其表面负载不同的氨基或羟基功能团，研制出对痕量肺癌呼气标志性VOCs具有高灵敏度和选择性的新型MOFs荧光传感材料，发展形成一种以此新型发光材料为核心的肺癌呼气检测新技术。为能从应用层面上解决肺癌的快速、便捷式早期呼气检测，提供新的理论、荧光传感材料和应用技术基础。

肺癌的早期呼吸诊断，可以有效提高肺癌患者的5年生存率。与传统的无机或有机发光材料相比，发光MOFs在组成、结构和性质上都具有明显的优势，然而其检测性能受制于MOFs的发光效率和骨架中识别位点的调控。为此，亟需突破发光MOFs材料改性技术及其荧光传感特异性识别机制研究。围绕发光MOFs材料的可控制备，本项目通过后改性与前改性相结合，通过引入不同的功能性官能团，第二种金属离子，新的发光团三种方法，重点对发光MOFs材料的改性制备及对肺癌呼气VOCs标志物的荧光传感性能进行研究，通过孔结构分析、PXRD、FTIR、SEM-EDS、XPS、ICP等表征方法对所制备的改性发光MOFs材料进行表征与评价，并将表征结果和荧光传感性能进行关联。结果发现发光MOFs材料的特异性识别位点、配位结构的改变和新发光团的引入均会影响其对肺癌呼吸VOCs标志物的特异性识别性能。主要结论如下：（1）采用胺改性（后改性）的发光MOFs材料成功引入了氨基官能团，其与肺癌呼吸VOCs标志物，尤其是己醛的作用力明显增强，对己醛的检测限可低至1 ppb，对己醛的灵敏度显著提高，且材料具有良好的循环利用性能。（2）采用前改性方法引入第二种金属离子，成功制备纳米级发光MOFs材料，其发光性能显著增强。（3）采用前改性引入新的发光团（镧系金属离子Eu3+或Tb3+），成功制备比率荧光探针，其对苯乙烯、环己酮和乙苯的作用力显著增强，灵敏度明显提高，材料具有很好的循环利用性能、抗干扰性能和生物兼容性。对环己酮的LOD为2.5 ppm，对苯乙烯和乙苯的检测限低至18.3 ppb和0.45 ppm，并且可将其制备成试纸条，成功应用于苯乙烯、环己酮和乙苯的快速现场视觉检测。本项目为能从应用层面上解决肺癌的早期呼吸检测问题，提供新的理论、吸附材料和应用技术基础，具有显著的学术意义和实际应用价值。