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MOFs是一類由金屬離子或金屬簇與有機配體通過配位鍵自組裝形成的晶態(tài)多孔材料，其結構兼具無機材料的剛性和有機材料的柔性，具有超高比表面積、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性以及可調控孔隙結構等多種優(yōu)勢，在污染精準防治、能源高效儲存、藥物靶向遞送等領域展現出廣闊的應用前景。

ITC是一種分析分子間相互作用的金標準技術，該技術無需標記可直接測試生物分子間結合所引起的微小熱量變化，一次滴定實驗即可獲得結合常數（K_A/K_D），反應化學計量比（N），熵變（ΔS）和焓變（ΔH）等全套分子相互作用的熱力學信息，從而揭示分子結合的驅動力和作用機制。

與其他分子互作技術相比，ITC具有如下顯著技術優(yōu)勢：

1. 無需標記或固定分子，反映分子天然狀態(tài)下的結合過程；

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

3. 操作簡便，免去復雜的固定、再生操作，搭配機械臂可實現自動化清洗、滴定、上樣。

傳統(tǒng)MOFs材料表征手段雖能精準分析材料的晶體結構、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細節(jié)，無法深入解釋MOFs材料自組裝和吸附過程的驅動力。 而ITC技術提供的熱力學信息，可幫助科研人員解析MOFs材料的構效關系，為MOFs材料的合理設計、改性和應用提供核心依據。

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

草地貪夜蛾作為全球性入侵農業(yè)害蟲，對玉米、水稻等作物造成巨大經濟損失，而傳統(tǒng)化學農藥存在環(huán)境污染、害蟲抗藥性等問題。 RNA干擾（RNAi）技術作為綠色生物農藥技術，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，實現對dsRNA保護和高效遞送，顯著提升草地貪夜蛾的防治效率。

本研究通過ITC技術探究了ZIF-8自組裝的驅動力和ZIF-8負載dsRNA的結合機制。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級別中等強度結合，且ZIF-8的自組裝過程為吸熱反應，主要由熵驅動；

2. ZIF-8負載dsRNA機制：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，說明兩者之間存在較強結合，ZIF-8負載dsRNA的主要驅動力為靜電相互作用和范德華力。

在該案例中，ITC不僅驗證了MOFs作為RNA載體的可行性，更重要的是，它量化了載體構建和藥物負載這兩個關鍵步驟的能理學過程，為MOFs載體設計與優(yōu)化和組裝機制研究提供支撐性數據。

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

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

草甘膦是全球使用最廣泛的廣譜除草劑，但其大量使用引發(fā)了水體污染風險。MOFs特別是鋯基MOFs（Zr-MOFs）中豐富的Zr(IV)-O鍵，賦予了其獨特的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，被認為是吸附去除草甘膦的潛力股。然而，不同結構的MOFs對草甘膦的吸附能力為何存在差異？其背后的熱力學本質是什么？本案例選取了具有不同孔道結構的Zr-MOFs，利用ITC技術系統(tǒng)研究了它們對草甘膦及其類似物的吸附熱力學。

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，將有機磷農藥溶液置于滴定針中，將有機磷農藥溶液逐滴滴入MOFs溶液，通過解析ITC滴定曲線可以得出：

1. 結合驅動力：草甘膦與NU-1000的結合常數K_A為5.34e-4 M?1，焓變?yōu)樨摚é= -2.9 kcal·mol?1）表明該吸附過程為放熱反應，草甘膦通過膦酸基與Zr?節(jié)點配位，并借助羧基與相鄰節(jié)點形成氫鍵；熵變?yōu)檎?TΔS=3.5 kcal·mol?1)表明草甘膦配位后，結合部位周圍的環(huán)境變得更加無序，歸因于溶劑分子(水和緩沖液)的重排；

   
   

2. 結構-性能關系：NU-1000分別吸附三種有機磷農藥，對比發(fā)現乙基膦酸、草銨膦與NU-1000的吸附為熵有利、焓不利過程，而草甘膦因氫鍵作用實現焓驅動吸附，因此結合親和力更強；用2，6-萘二羧酸（NDC）將NU-1000的c-孔道封住后，ITC結果顯示吸附過程放熱減少，親和力也顯著下降，直接證明了c-孔道是草甘膦的最優(yōu)結合位點；

3. 緩沖液濃度對吸附影響：隨著緩沖液濃度升高，醋酸根離子會與有機磷農藥競爭MOFs結合位點，吸附結合常數降低，吸附過程的焓變增大、熵變減小。

在該案例中，通過ITC技術直接量化化學吸附熱力學過程，精準解析吸附機制，揭示結構與性能的內在關聯(lián)，為下一代高性能MOFs吸附劑的合理設計提供關鍵理論依據。

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曲線和熱力學信息

參考文獻>>

[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.