【儀表網 研發(fā)快訊】近日，精密測量院研究員周欣研究團隊，發(fā)展多配體工程策略構建多配體金屬有機框架(MTV?MOFs)材料。在超極化129Xe物理增強信號的基礎上，通過精準調控金屬有機框架(MOFs)材料孔道微環(huán)境與129Xe相互作用，借助超極化129Xe化學交換飽和轉移技術(Hyper?CEST)，實現(xiàn)超極化129Xe磁共振信號化學-物理級聯(lián)增強6個量級，助推MOFs材料應用于超靈敏磁共振分子影像的發(fā)展進程，拓寬其在生物醫(yī)學領域的應用范圍。相關研究成果于近日發(fā)表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。
 

　　超極化129Xe MRI是一種高靈敏度、無背景干擾的成像技術，已用于肺部重大疾病的檢測。周欣帶領的超靈敏磁共振研究團隊，基于自主研發(fā)的超極化技術，將信號增強十萬倍以上，并成功研制出全球首套“人體肺部氣體MRI系統(tǒng)”。該系統(tǒng)已獲國家三類創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊證，并在全國十余家三甲醫(yī)院臨床應用，為慢阻肺、肺癌等疾病的早期篩查與無創(chuàng)評估提供了國際領先的技術方案。將超極化129Xe通過分子籠進行有效封裝與富集，然后結合Hyper-CEST技術，可進一步提升檢測靈敏度，實現(xiàn)對痕量目標物的超靈敏檢測。目前，常用129Xe分子籠面臨129Xe捕獲效率低、籠內信號弱等問題。因此，開發(fā)新型129Xe分子籠、增強籠內129Xe信號強度，對于推動超靈敏磁共振分子影像技術向臨床實際應用邁進具有重要的現(xiàn)實意義。
 

　　2025年諾貝爾化學獎授予了MOFs材料領域的奠基人——Omar M. Yaghi教授，曾指出，MOFs材料在生物醫(yī)學領域(包括藥物遞送、生物傳感和醫(yī)學成像)具有極為廣闊的應用前景。此前，周欣團隊發(fā)現(xiàn)MOFs材料中的ZIF-8對129Xe顯示出優(yōu)異的親和力(PNAS, 2020)，并通過在其框架中引入多種金屬調控129Xe-MOF相互作用，進而增強129Xe信號(Nature Communications, 2025)。然而金屬中心修飾難以對129Xe所處的局域電子環(huán)境實現(xiàn)精細調控。
 

　　本研究中，研究團隊創(chuàng)新性的提出了多有機配體工程策略，在原子尺度上調控孔道極性、氫鍵網絡，從而精準調控129Xe-MOF相互作用，進而增強129Xe信號。研究團隊以水穩(wěn)定性優(yōu)異的CAU?1為骨架，采用多配體策略，將2-羥基對苯二甲酸和2-氨基對苯二甲酸配體整合至同一MOF晶格，構筑系列CAU?1?(OH)x?(NH2)1-x多組分MOF。通過調控兩類配體的摩爾比例，在孔道內搭建協(xié)同氫鍵網絡，實現(xiàn)孔道微環(huán)境以及129Xe-MOF主?客體相互作用的連續(xù)調控。研究表明，當羥基與氨基配體配比為1:1時，得到的CAU?1?(OH)0.5?(NH2)0.5信號增強效果最佳，其Hyper?CEST信號最高可達單組分CAU?1的65倍，呈現(xiàn)“1+1>2”的協(xié)同增強效應。多種表征手段與理論計算證實，多配體工程構建的協(xié)同氫鍵網絡能夠適度抑制水分子進入孔道，形成適宜的孔道結合環(huán)境，平衡129Xe吸附能力與化學交換過程，進而實現(xiàn)磁共振信號的大幅提升。細胞實驗顯示，CAU?1?(OH)0.5?(NH2)0.5可被A549肺腺癌細胞內吞，進入活細胞后，仍具有較強的129Xe捕獲能力，在活細胞內實現(xiàn)Hyper-CEST分子成像。細胞MRI表明，采用多配體工程策略可在原子尺度上精準調控MOF孔道的化學環(huán)境，使其更適用于在生物體系中捕獲129Xe原子，從而增強其129Xe MRI信號，具備生物醫(yī)學應用的潛力。
 

　　該工作首次將多配體工程策略拓展至129Xe分子籠的構筑領域，開辟了一條有別于過去金屬位點摻雜路線的全新技術路徑。研究從有機配體層面出發(fā)，在原子尺度上實現(xiàn)了對MOF孔道化學環(huán)境的精準調控，為高性能129Xe分子籠的理性設計提供了理論指導。未來，在金屬位點摻雜和多配體策略的協(xié)同發(fā)展下，將推動基于129Xe MRI的分子影像向著活體、無損、特異性靶向檢測的方向邁進。
 

　　該研究以“Engineered Multivariate Metal-Organic Frameworks for Magnetic Resonance Molecular Imaging Signal Enhancement”為題，發(fā)表在《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)上。精密測量院博士生王珍與副研究員曾慶斌為共同第一作者，研究員周欣、研究員郭茜旎為共同通訊作者。
 

　　該研究得到了國家自然科學基金委和中國科學院等項目支持。
 

　　引用：精密測量院在多配體金屬有機框架助力超靈敏磁共振分子影像研究方面取得重要進展 精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院 【引用時間：2026年9月14日】