MOFs是一類(lèi)由金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體通過(guò)配位鍵自組裝形成的晶態(tài)多孔材料，其結(jié)構(gòu)兼具無(wú)機(jī)材料的剛性和有機(jī)材料的柔性，具有超高比表面積、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及可調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)等多種優(yōu)勢(shì)，在污染精準(zhǔn)防治、能源高效儲(chǔ)存、藥物靶向遞送等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

ITC是一種分析分子間相互作用的金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，該技術(shù)無(wú)需標(biāo)記可直接測(cè)試生物分子間結(jié)合所引起的微小熱量變化，一次滴定實(shí)驗(yàn)即可獲得結(jié)合常數(shù)（K_A/K_D），反應(yīng)化學(xué)計(jì)量比（N），熵變（ΔS）和焓變（ΔH）等全套分子相互作用的熱力學(xué)信息，從而揭示分子結(jié)合的驅(qū)動(dòng)力和作用機(jī)制。

與其他分子互作技術(shù)相比，ITC具有如下顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1. 無(wú)需標(biāo)記或固定分子，反映分子天然狀態(tài)下的結(jié)合過(guò)程；

2. 提供豐富的熱力學(xué)信息，而非單一的結(jié)合/解離平衡常數(shù)，能更深入系統(tǒng)地分析分子互作機(jī)制；

3. 操作簡(jiǎn)便，免去復(fù)雜的固定、再生操作，搭配機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清洗、滴定、上樣。

傳統(tǒng)MOFs材料表征手段雖能精準(zhǔn)分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、孔道特征和吸附容量，卻難以量化材料與客體分子相互作用的熱力學(xué)細(xì)節(jié)，無(wú)法深入解釋MOFs材料自組裝和吸附過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力。 而ITC技術(shù)提供的熱力學(xué)信息，可幫助科研人員解析MOFs材料的構(gòu)效關(guān)系，為MOFs材料的合理設(shè)計(jì)、改性和應(yīng)用提供核心依據(jù)。

案例源自：Nature Communications volume 16, Article number: 6384 (2025)

草地貪夜蛾作為入侵農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)，對(duì)玉米、水稻等作物造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，而傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥存在環(huán)境污染、害蟲(chóng)抗藥性等問(wèn)題。 RNA干擾（RNAi）技術(shù)作為綠色生物農(nóng)藥技術(shù)，因dsRNA易被酶降解、遞送效率低，防治效果受限。該研究以ZIF-8@PDA為dsRNA納米載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)dsRNA保護(hù)和高效遞送，顯著提升草地貪夜蛾的防治效率。

本研究通過(guò)ITC技術(shù)探究了ZIF-8自組裝的驅(qū)動(dòng)力和ZIF-8負(fù)載dsRNA的結(jié)合機(jī)制。研究者分別將0.84 mM的Zn2⁺滴入10 mM的2-mIm，0.5 mM 的 dsGFP 溶液逐滴加入到 5 mM 的 ZIF-8 溶液中，解析ITC滴定曲線得出：

1. ZIF-8自組裝機(jī)制：Zn2⁺與2-mIm相互作用K_D為1.5e-6 M，ΔH為28.33 kJ·mol?1、-TΔS為-61.56 kJ·mol?1，表明Zn2⁺與2-mIm兩者存在uM級(jí)別中等強(qiáng)度結(jié)合，且ZIF-8的自組裝過(guò)程為吸熱反應(yīng)，主要由熵驅(qū)動(dòng)；

2. ZIF-8負(fù)載dsRNA機(jī)制：ZIF-8與dsRNA的K_D為631 e-9 M，ΔH為-44.7 kJ·mol?1、-TΔS為9.33 kJ·mol?1，說(shuō)明兩者之間存在較強(qiáng)結(jié)合，ZIF-8負(fù)載dsRNA的主要驅(qū)動(dòng)力為靜電相互作用和范德華力。

在該案例中，ITC不僅驗(yàn)證了MOFs作為RNA載體的可行性，更重要的是，它量化了載體構(gòu)建和藥物負(fù)載這兩個(gè)關(guān)鍵步驟的能理學(xué)過(guò)程，為MOFs載體設(shè)計(jì)與優(yōu)化和組裝機(jī)制研究提供支撐性數(shù)據(jù)。

圖1  鋅離子滴定2-mlm，以及dsGFP滴定ZIF-8的ITC滴定曲線和熱力學(xué)信息

案例源自：Journal of the American Chemical Society Vol 142 / Issue 28, 2020.

草甘膦是使用廣泛的廣譜除草劑，但其大量使用引發(fā)了水體污染風(fēng)險(xiǎn)。MOFs特別是鋯基MOFs（Zr-MOFs）中豐富的Zr(IV)-O鍵，賦予了其獨(dú)特的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為是吸附去除草甘膦的潛力股。然而，不同結(jié)構(gòu)的MOFs對(duì)草甘膦的吸附能力為何存在差異？其背后的熱力學(xué)本質(zhì)是什么？本案例選取了具有不同孔道結(jié)構(gòu)的Zr-MOFs，利用ITC技術(shù)系統(tǒng)研究了它們對(duì)草甘膦及其類(lèi)似物的吸附熱力學(xué)。

研究人員將活化后的MOFs均勻分散在醋酸鹽緩沖液中，置于ITC樣品池，將有機(jī)磷農(nóng)藥溶液置于滴定針中，將有機(jī)磷農(nóng)藥溶液逐滴滴入MOFs溶液，通過(guò)解析ITC滴定曲線可以得出：

1. 結(jié)合驅(qū)動(dòng)力：草甘膦與NU-1000的結(jié)合常數(shù)K_A為5.34e-4 M?1，焓變?yōu)樨?fù)（ΔH= -2.9 kcal·mol?1）表明該吸附過(guò)程為放熱反應(yīng)，草甘膦通過(guò)膦酸基與Zr?節(jié)點(diǎn)配位，并借助羧基與相鄰節(jié)點(diǎn)形成氫鍵；熵變?yōu)檎?TΔS=3.5 kcal·mol?1)表明草甘膦配位后，結(jié)合部位周?chē)沫h(huán)境變得更加無(wú)序，歸因于溶劑分子(水和緩沖液)的重排；

   
   

2. 結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系：NU-1000分別吸附三種有機(jī)磷農(nóng)藥，對(duì)比發(fā)現(xiàn)乙基膦酸、草銨膦與NU-1000的吸附為熵有利、焓不利過(guò)程，而草甘膦因氫鍵作用實(shí)現(xiàn)焓驅(qū)動(dòng)吸附，因此結(jié)合親和力更強(qiáng)；用2，6-萘二羧酸（NDC）將NU-1000的c-孔道封住后，ITC結(jié)果顯示吸附過(guò)程放熱減少，親和力也顯著下降，直接證明了c-孔道是草甘膦的結(jié)合位點(diǎn)；

3. 緩沖液濃度對(duì)吸附影響：隨著緩沖液濃度升高，醋酸根離子會(huì)與有機(jī)磷農(nóng)藥競(jìng)爭(zhēng)MOFs結(jié)合位點(diǎn)，吸附結(jié)合常數(shù)降低，吸附過(guò)程的焓變?cè)龃?、熵變減小。

在該案例中，通過(guò)ITC技術(shù)直接量化化學(xué)吸附熱力學(xué)過(guò)程，精準(zhǔn)解析吸附機(jī)制，揭示結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為下一代高性能MOFs吸附劑的合理設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵理論依據(jù)。

圖2  草苷磷溶液滴定NU-1000和NU-1000-NDC以及在不同濃度緩沖液中滴定的ITC曲線和熱力學(xué)信息

參考文獻(xiàn)>>

[1] Zhou G, Christopher R, Jie W, et al. Increased and synergistic RNAi delivery using MOF polydopamine nanoparticles for biopesticide applications[J]. Nature Communications, 2025, 16:6384.

[2] Drout R J, Kato S, Chen H, et al. Isothermal Titration Calorimetry to Explore the Parameter Space of Organophosphorus Agrochemical Adsorption in MOFs[J]. Journal of the American Chemical Society, 2020, DOI:10.1021/jacs.0c04668.