稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-金屬有機骨架復(fù)合材料的研究進展

魏敏敏，袁 澤，閭 敏，馬 輝，謝小吉，黃 嶺

（南京工業(yè)大學(xué)先進材料研究院,南京 211816）

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒因具有將低能量光（如近紅外光）轉(zhuǎn)化為高能量光（如紫外-可見光）的反斯托克斯位移發(fā)光能力而備受關(guān)注［1～4］.得益于稀土離子的獨特性質(zhì)，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒具有發(fā)光性質(zhì)可調(diào)、光穩(wěn)定性好、自發(fā)熒光背景低和生物毒性低等優(yōu)點［5，6］，在生物成像［7，8］、傳感［9～11］、激光［12，13］及三維顯示［14］等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景.但稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒的功能相對局限，無法滿足日益增長的應(yīng)用需求.將稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與其它功能材料復(fù)合，獲得多功能納米復(fù)合材料，是實現(xiàn)材料性質(zhì)調(diào)控、功能和應(yīng)用拓展的有效途徑之一［3，15］.相比于單一的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒，復(fù)合材料不僅具有單一組分的功能，還具有不同組分間的協(xié)同效應(yīng).目前，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒已被證明可與金納米粒子［16，17］、有機分子［18～20］和二氧化硅［21～23］等材料有效復(fù)合［24～27］，并在藥物遞送［28，29］、診療一體化［30，31］和防偽［32，33］等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用價值.

金屬有機骨架（MOF）材料是一類特殊的多孔材料，通常由金屬離子（簇）和有機配體通過共價鍵或配位鍵連接形成［34，35］.MOF同時具有無機和有機材料的特點，如比表面積大、結(jié)構(gòu)有序度高、形貌可控性好和生物兼容性良好等［36，37］.此外，MOF的磁、電及光等性質(zhì)可隨著配體與金屬離子的組合而改變.上述特點使得MOF具有廣闊的應(yīng)用范圍，可用于異相催化、氣體存儲、分離和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［38～40］.需要指出的是，雖然有很多MOF具有發(fā)光性質(zhì)，但是大部分并不能實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光，且發(fā)光MOF所需的激發(fā)波長主要限于紫外-可見波段，這也限制了其應(yīng)用［41，42］.

近年來，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料引起了研究人員越來越多的關(guān)注［3，25］.兩者復(fù)合不僅可實現(xiàn)功能互補，還可為材料的進一步功能化和應(yīng)用提供新的平臺.如，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒可將能量高效地傳遞給MOF，實現(xiàn)MOF對不同近紅外波段的響應(yīng)［43］；同時，MOF可負載不同的客體分子，提高稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒的負載能力［44～46］；且兩者協(xié)同作用可構(gòu)筑高效光催化劑和用于腫瘤治療［47～49］.但目前稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的發(fā)展尚處于起步階段，仍缺乏對這類復(fù)合材料的分析與總結(jié).本文歸納了稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的制備方法，綜合評述了該類復(fù)合材料的性質(zhì)與應(yīng)用研究進展，并探討了其發(fā)展前景.

1 稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的制備

雖然稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料擁有較好的發(fā)展前景，但由于稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與MOF之間的晶格不匹配，實現(xiàn)兩者之間的可控復(fù)合十分困難.目前發(fā)展出來的復(fù)合方法主要有4種：（1）表面配體輔助復(fù)合［50～52］；（2）脫氧核糖核酸（DNA）輔助復(fù)合［53］；（3）靜電相互作用輔助復(fù)合［54］；（4）直接復(fù)合［55，56］.所得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可分為3類：（1）核-殼結(jié)構(gòu)［57，58］；（2）核-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)［53］；（3）異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)［59，60］.

1.1 表面配體輔助復(fù)合

通常，合成得到的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面有油酸或油胺等長碳鏈基團的配體，這些配體的存在使上轉(zhuǎn)換納米顆粒具有疏水性且表面極性低.而MOF的合成多在極性溶劑中進行，因此這些具有疏水基團的配體不利于這兩種材料的復(fù)合.為實現(xiàn)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與MOF的復(fù)合，一種有效的方法是在上轉(zhuǎn)換納米顆粒的表面修飾親水的配體［61］.這些親水配體的存在可以使復(fù)合過程中兩種材料的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)榕潴w與MOF前驅(qū)體的相互作用，從而減弱晶格不匹配帶來的影響.同時，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒的表面配體也是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的重要因素之一［52］.

目前最常用的表面配體是聚乙烯吡咯烷酮（PVP）.2012年，Lu等［62］首次報道了利用PVP輔助稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒NaYF4∶Yb/Er和MOF的復(fù)合.他們以沸石咪唑酯骨架結(jié)構(gòu)材料（ZIF-8）為MOF的代表，首先利用配體交換法對上轉(zhuǎn)換納米顆粒的表面進行修飾，隨后將PVP修飾的納米顆粒與ZIF-8的前驅(qū)液混合，在ZIF-8生長過程中完成兩者復(fù)合.通過控制合成過程中上轉(zhuǎn)換納米顆粒加入反應(yīng)體系的時間，該方法可以控制納米顆粒在ZIF-8內(nèi)的空間分布.隨后的研究表明該方法具有一定的普適性，可以實現(xiàn)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與多種MOF的復(fù)合，如UiO系列和MIL系列MOF等［47，49］.但PVP輔助合成法實現(xiàn)材料復(fù)合的機理尚不清楚，要實現(xiàn)對復(fù)合材料尺寸和結(jié)構(gòu)的調(diào)控還相對困難；對于不同的MOF材料，復(fù)合的條件和方法都有所不同，且所得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)也不同［57，63］.例如，Li等［64］利用PVP作為表面配體，通過兩步MOF生長［圖1（A）和（B）］，合成了尺寸約為120 nm的Fe-MIL-101_NH2MOF包覆稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒復(fù)合材料；在以該方法合成的復(fù)合材料中，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒主要位于MOF材料的邊緣［圖1（B）］.而采用類似的多步MOF生長法，調(diào)控部分實驗條件，可以獲得以上轉(zhuǎn)換納米顆粒為核、MIL-53 MOF為殼的核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料［65］.2017年，Li課題組［59］通過PVP修飾稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒，使用卟啉配體［5，10，15，20-tetrakis（4-carboxyphenyl）porphyrin，TCPP］和Zr作為MOF構(gòu)筑單元，合成了上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF異質(zhì)節(jié)復(fù)合材料［圖1（C）］.通過結(jié)合實驗和理論計算結(jié)果，他們認為PVP分子在上轉(zhuǎn)換納米顆粒不同晶面的選擇性吸附是形成異質(zhì)結(jié)的關(guān)鍵；同時，MOF的配體及合成條件對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)都有較大的影響.這些研究表明，基于PVP配體輔助的復(fù)合方法，特別是復(fù)合的機理，仍有待進一步深入研究.

除PVP外，最近的研究表明一些含有羧基的配體也可輔助稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與MOF的復(fù)合［50，52］.2019年，Tan課題組［50］報道了3，4-二羥基苯乙烯酸輔助稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與Zr基MOF（PCN-222）的復(fù)合［圖1（D）］，實現(xiàn)了單個上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面包覆的MOF厚度可調(diào).該方法首先利用配體交換將羧酸配體修飾到上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面，隨后通過配體的配位作用使納米顆粒與MOF復(fù)合.他們發(fā)現(xiàn)MOF材料的奧斯特瓦爾德熟化（Ostwald ripening）過程在兩者的復(fù)合中起到了關(guān)鍵作用，修飾的羧酸配體會使MOF在熟化過程中生長到納米顆粒表面［圖1（D）］.隨后，Li課題組［52］發(fā)現(xiàn)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面的羧酸配體對復(fù)合材料的形貌影響很大，利用檸檬酸（Citrate acid）作為表面配體可以構(gòu)筑核-殼結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料.

盡管羧酸配體可以輔助稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的形成，但目前相關(guān)的報道仍很少，羧酸配體在復(fù)合過程中的作用機制尚不明確，且不同的上轉(zhuǎn)換納米顆粒和MOF可能需要選擇不同的配體來輔助復(fù)合.

Fig.1 Surface ligand assisted synthesis of lanthanide doped upconversion nanoparticle(UCNP)-metal organic framework(MOF)composites(A)Illustration of the PVP assisted synthesis and functionalization of UCNP＠Fe-MIL-101_NH2 core-shell nanostructures；(B)corresponding TEM images of UCNPs with thin MOF shells(left panel)and with octahedral MOF shells(right panel)[64].Copyright 2015,Wiley-VCH.(C)Schematic showing the synthesis of UCNP-MOF heterodimers(upper panel),and TEM,HRTEM,STEM images,as well as elemental mapping of the obtained heterodimer(lower panel)[59].Copyright 2017,American Chemical Society.(D)Schematic illustration of grafting ZrMOF on a single UCNP(upper panel),and heterogeneous nucleation as well as Ostwald ripening-mediated grafting of ZrMOF on UCNP(lower panel)[50].Copyright 2019,American Chemical Society.

1.2 DNA輔助復(fù)合

DNA通過堿基配對可形成較穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu).獨特的堿基配對模式賦予了DNA分子精準的識別能力，使其可用于納米材料的編程自組裝［66，67］.2017年，He等［53］利用DNA的這一特性，分別在NaYF4∶Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米顆粒和Zr基MOF（PCN-224）表面修飾互補的DNA單鏈，隨后通過DNA單鏈的互補配對，合成了具有核-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的MOF-上轉(zhuǎn)換納米顆粒復(fù)合材料（圖2）.DNA輔助的材料復(fù)合不存在晶格失配的問題，且基于DNA模板的自組裝可精確控制復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)［68，69］.此外，作為重要的生物大分子，DNA具有很好的生物相容性.因此，基于DNA互補配對合成的上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料在生物領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景.但需要指出的是，DNA輔助的材料復(fù)合往往需要復(fù)雜的操作，且要求每種單一組分都能較好地修飾上DNA分子.此外，DNA雙鏈的穩(wěn)定性在較高溫度或者較低的鹽溶液濃度下會受到影響.若能發(fā)展出通用的合成方法，簡化復(fù)合過程，基于DNA的復(fù)合法將為復(fù)合材料的精準構(gòu)筑提供便利.

Fig.2 DNA assisted synthesis of UCNP-MOF composites[53](A)Schematic illustration of the DNA assisted synthesis of core-satellite MOF＠UCNPs composites；(B)TEM image of the as-synthesized core-satellite MOF＠UCNPs composites.Copyright 2017,Wiley-VCH.

1.3 靜電相互作用輔助復(fù)合

通過分子輔助，可實現(xiàn)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒和MOF的復(fù)合.但是，這些用于輔助的分子可能最終存在于上轉(zhuǎn)換納米顆粒和MOF材料之間，影響兩者之間的相互作用，進而影響復(fù)合材料的性能.復(fù)合材料組分之間的相互作用為材料復(fù)合提供了另一個途徑.例如，Yuan等［54］利用稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒和MOF之間的靜電相互作用，實現(xiàn)了兩者的有效復(fù)合（圖3）.該方法首先通過酸洗將稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面的配體去除，隨后將所得無配體修飾的上轉(zhuǎn)換納米顆粒直接加入MOF生長的前驅(qū)液中，在MOF生長的過程中完成兩者復(fù)合，形成納米顆粒鑲嵌在MOF表面的核-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料［圖3（A）］.他們發(fā)現(xiàn)，無配體修飾的納米顆粒表面在極性溶劑中帶正電荷，而MOF在生長到一定的尺寸后表面帶有較多的負電荷，兩者之間的靜電相互作用促使它們復(fù)合.進一步，利用該方法可構(gòu)筑MOF＠上轉(zhuǎn)換納米顆粒＠MOF三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料［圖3（B）］，且該結(jié)構(gòu)中的MOF可為不同類型的MOF材料.該方法簡單易行，不需要對材料的表面進行修飾，且具有一定的普適性.但該方法尚不能對復(fù)合材料的尺寸進行精準調(diào)控，有待進一步優(yōu)化完善.需要指出的是，通過靜電相互作用也可以直接將稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒修飾到合成好的MOF材料表面，形成復(fù)合材料［70］.但是，通過靜電作用直接吸附的過程不可控，且所得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不佳.

Fig.3 Electrostatic interaction assisted synthesis of UCNP-MOF composites[54](A)Schematic illustration of the fabrication of UCNPs and MOF nanocomposites；(B)shematic illustration of the epitaxial growth of another MOF layer on the MOF＠UCNPs nanocomposites.Copyright 2018,American Chemical Society.

1.4 直接復(fù)合

從制備的角度來看，直接將不同的組分混合到一起進行復(fù)合是最簡便的復(fù)合方法，且有利于復(fù)合材料的批量制備與應(yīng)用.例如，Sahu課題組［55，71，72］報道了直接將油酸修飾的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與MOF前驅(qū)液混合構(gòu)筑復(fù)合材料.在復(fù)合過程中，上轉(zhuǎn)換納米顆粒首先被烘干，隨后通過長時間超聲分散到極性溶劑中，最后再與MOF前驅(qū)液混合反應(yīng).雖然該方法操作相對簡單，但復(fù)合過程不可控，上轉(zhuǎn)換納米顆粒在復(fù)合材料中隨機分布，所得復(fù)合材料均一性較差，且復(fù)合過程和機理不清楚.2018年，Yang等［56］利用Fe3O4納米粒子作為MOF金屬源，通過二甲基亞砜（DMSO）、油酸和水構(gòu)筑水-油界面，發(fā)展了一種基于液體-固體-溶液（Liquid-solid-solution）法直接復(fù)合油酸修飾的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒和MIL-100 MOF的策略.他們認為材料復(fù)合是在水-油界面處通過陰離子交換生長MOF實現(xiàn)的，但該工作對材料復(fù)合沒有進行系統(tǒng)的研究，復(fù)合機理和過程尚不明確.

2 稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的應(yīng)用

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料制備方法的發(fā)展促進了其應(yīng)用研究.目前，基于該類復(fù)合材料的應(yīng)用研究主要集中在以下幾個方面：（1）生物成像與治療；（2）傳感；（3）催化和防偽.這里我們將選擇近期的代表性工作進行介紹.

2.1 生物成像與治療

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒的激發(fā)波長在近紅外波段，發(fā)光穩(wěn)定，可實現(xiàn)穿透深度深且質(zhì)量高的生物發(fā)光成像.同時，MOF的表面有金屬節(jié)點和配體，且MOF具有孔洞有序和比表面積大等特點，有利于材料的后修飾和進一步功能化.基于這兩種材料的特點，2015年，Li等［64］首次利用NaYF4∶Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米顆粒和Fe-MIL-101_NH2MOF復(fù)合材料，通過在MOF表面修飾具有腫瘤靶向的葉酸（Folic acid）分子，使用MOF中的Fe元素為磁共振成像造影劑，實現(xiàn)了在細胞和小鼠模型內(nèi)的發(fā)光及磁共振雙模式靶向成像［圖4（A）］.同年，Deng等［73］基于NaYF4∶Yb/Er＠MIL-100核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，通過在MOF表面修飾腫瘤靶向的核酸適體（Aptamer，AS1411）和負載抗癌藥物阿霉素（Doxorubicin），證明了該復(fù)合材料可以同時實現(xiàn)靶向生物成像和藥物遞送.除MIL系列MOF外［45，64，73］，ZIF-8和UiO-66系列MOF與上轉(zhuǎn)換納米顆粒的復(fù)合材料也可用于靶向生物成像和藥物遞送［46，55］.這些研究表明，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料在生物成像和治療方面有很好的應(yīng)用前景，但這些工作主要利用復(fù)合材料中每個組分各自的特點，并沒有利用復(fù)合材料中兩者之間的相互作用和潛在的協(xié)同效應(yīng).

Fig.4 UCNP-MOF composites for bioimaging and photodynamic therapy(PDT)(A)Upconversion luminescence(UCL)and magnetic resonance(MR)imaging using UCNP＠Fe-MIL101_NH2 core-shell composites[64].Copyright 2015,Wiley-VCH.(B)Schematic assembly and proposed working mechanism of the UCNPs/MB＠ZIF-8＠catalase for PDT[61].Copyright 2017,the Royal Society of Chemistry.

隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)利用稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與MOF（或MOF中負載的材料）之間的能量傳遞可以實現(xiàn)近紅外光誘導(dǎo)的光動力治療（Photodynamic therapy，PDT）［61］.例如，Cai等［61］證明使用負載有亞甲基藍（Methylene blue）光敏劑且表面修飾有過氧化氫酶的NaYF4∶Yb/Er＠ZIF-8核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，利用上轉(zhuǎn)換納米顆粒和亞甲基藍之間的能量傳遞產(chǎn)生單線態(tài)氧，可實現(xiàn)近紅外光激發(fā)下的乏氧腫瘤治療［圖4（B）］.然而，利用MOF的孔洞或表面負載光敏劑可能存在負載效率不高、光敏劑在治療過程中流失和光敏劑聚集產(chǎn)生猝滅等問題，導(dǎo)致光動力治療效果差.

為解決上述問題，研究者提出可使用光敏劑作為MOF的配體，利用MOF結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且配體分散均勻的特點，構(gòu)筑復(fù)合材料用于高效光動力治療.2017年，He等［53］使用DNA作為復(fù)合介質(zhì)、乳腺癌細胞（MDA-MB-468）親和體作為靶向分子，構(gòu)筑了卟啉-鋯MOF＠NaYF4∶Yb/Er的核-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用于光動力治療（圖2）.在近紅外光激發(fā)下，該復(fù)合材料中上轉(zhuǎn)換納米顆粒的發(fā)光能量可傳遞給卟啉分子，卟啉分子隨后將能量傳遞給氧分子產(chǎn)生大量的單線態(tài)氧，其產(chǎn)生單線態(tài)氧的效果遠好于這兩種材料的混合物.研究結(jié)果表明該復(fù)合材料對乳腺癌細胞有很好的靶向殺滅效果.同年，Li課題組［59］構(gòu)筑了卟啉-鋯MOF和NaYF4∶Yb/Er納米顆粒的異質(zhì)結(jié)二聚體［圖1（C）］，并在材料上負載了化療藥物阿霉素.該復(fù)合材料具有化療和光動力治療雙模式腫瘤治療功能，在細胞和小鼠模型中都有很好的腫瘤治療效果［圖5（A）和（B）］.隨后，Li課題組［52，63］對卟啉-鋯MOF與上轉(zhuǎn)換納米顆粒的復(fù)合材料進行了深入研究，發(fā)展了具有細胞器（線粒體）靶向的復(fù)合材料用于光動力治療，并發(fā)展了具有光動力治療、化療和免疫治療功能的復(fù)合材料用于乏氧腫瘤的治療［圖5（C）］.作者研究發(fā)現(xiàn)，上轉(zhuǎn)換納米顆粒＠MOF核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的光動力產(chǎn)單線態(tài)氧的效果好于其對應(yīng)的異質(zhì)結(jié)二聚體.2018年，Yang等［56］發(fā)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換納米顆粒＠MIL-100（Fe）核-殼結(jié)構(gòu)中的Fe離子在上轉(zhuǎn)換發(fā)光的激勵下可發(fā)生芬頓反應(yīng)，實現(xiàn)光動力治療.同時，MIL-100（Fe）殼層具有將波長為800 nm的光轉(zhuǎn)化為熱的能力，負載阿霉素后，該復(fù)合材料可實現(xiàn)化療、光熱和光動力三模式的腫瘤治療.這些結(jié)果表明，通過設(shè)計合成可充分發(fā)揮稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)對疾病的診療一體化，但要實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)換仍面臨很多挑戰(zhàn).

Fig.5 UCNP-MOF composites for multi-model therapy(A)Fluorescence images of 4T1 cells treated with UCNP-MOF heterodimers and DCF-DA,with or without NIR irradiation(scale bar:50μm)；(B)weights of tumors 14 d after treatment(insets:images of the tumors for the seven groups of mice at day 14;1:saline,2:NIR,3:Dox,4:UCNP-MOF,5:Dox/UCNP-MOF,6:UCNP-MOF+NIR,7:Dox/UCNP-MOF+NIR)[59].Copyright 2017,American Chemical Society.(C)Schematic illustration of the structure of UCNP＠MOF composites and their application for tumor treatment through the combination of NIR light-triggered PDT and hypoxia-activated chemotherapy with immunotherapy[52].Copyright 2020,American Chemical Society.

由于MOF還可與其它功能納米材料復(fù)合，因此可在稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料中引入其它材料，構(gòu)建多組分復(fù)合材料用于生物成像和治療.例如，Zhang等［74］向稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-ZIF-8復(fù)合材料中引入了Ag2S納米粒子、Ag2Se納米粒子、金納米棒和阿霉素，構(gòu)筑了多元復(fù)合材料，實現(xiàn)了近紅外發(fā)光、光聲和計算機斷層掃描三模式成像及化療和光熱治療雙模式腫瘤治療［圖6（A）］.Shi等［60］將TiO2負載到卟啉-鋯MOF和NaYF4∶Yb/Tm的異質(zhì)結(jié)上，利用NaYF4∶Yb/Tm納米顆粒的發(fā)光同時激發(fā)TiO2和卟啉分子，實現(xiàn)了基于兩種不同活性氧生成機理的光動力治療［圖6（B）］.2020年，He等［75］將超小金納米粒子作為人工酶負載到NaYF4上轉(zhuǎn)換納米顆粒-卟啉MOF復(fù)合材料上，實現(xiàn)了級聯(lián)反應(yīng)驅(qū)動的光動力治療［圖6（C）］.在該復(fù)合材料中，超小金納米粒子具有葡萄糖氧化酶的活性，可將葡萄糖氧化產(chǎn)生H2O2，而卟啉鐵MOF可催化H2O2分解產(chǎn)生O2；稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒的發(fā)光可激發(fā)卟啉鐵MOF，將不斷產(chǎn)生的O2轉(zhuǎn)換為單線態(tài)氧，實現(xiàn)基于級聯(lián)反應(yīng)的光動力腫瘤治療.目前，構(gòu)筑的多組分復(fù)合材料還相對較少，有待開發(fā)新的材料體系.

2.2 傳 感

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒的發(fā)光性質(zhì)在構(gòu)筑傳感器方面有獨特優(yōu)勢，但對其表面進行修飾和功能化相對復(fù)雜［76，77］.將稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒與MOF復(fù)合為構(gòu)筑基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的傳感器提供了新思路.例如，MOF包覆上轉(zhuǎn)換納米顆粒后可穩(wěn)定納米顆粒，防止納米顆粒在檢測過程中團聚，也可提供選擇性吸附位點提高探針的選擇性和靈敏度.Zhang等［78］利用這些特點，基于Gd2O3∶Yb/Er＠UiO-66-NH2核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)筑了檢測亞甲基藍和Fe2+離子的探針.

更為重要的是，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料可被進一步修飾或與其它材料復(fù)合，進而可構(gòu)筑針對不同檢測物的傳感器.例如，分子印跡聚合物可以復(fù)合到上轉(zhuǎn)換納米顆粒＠MOF核-殼結(jié)構(gòu)上，利用分子印跡聚合物的特性和MOF的高傳質(zhì)及吸附能力，可實現(xiàn)對章魚胺（Octopamine）和牛血紅蛋白的體外靈敏檢測［79］.2019年，Hao等［57］將具有手性光學(xué)性質(zhì)的NiSx納米粒子復(fù)合到NaYF4∶Yb/Er＠ZIF-8核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料上，利用NiSx對H2O2響應(yīng)導(dǎo)致的圓二色信號和上轉(zhuǎn)換發(fā)光的變化，分別實現(xiàn)了可對細胞和小鼠體內(nèi)的H2O2的定量和半定量分析［圖7（A）和（B）］.隨后，Li等［51］證明將具有O2響應(yīng)的Ru配合物負載到MOF＠上轉(zhuǎn)換納米顆粒核-衛(wèi)星結(jié)構(gòu)復(fù)合材料后，通過上轉(zhuǎn)換發(fā)光的共振能量轉(zhuǎn)移可實現(xiàn)生物體內(nèi)的高靈敏度的氧傳感并追蹤肺癌的病變進展［圖7（C）和（D）］.需要指出的是，在該研究中，他們使用了生物金屬有機骨架材料（Biological MOF），長達28 d的實驗結(jié)果表明所得探針具有良好的生物相容性.這些研究表明利用稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料構(gòu)筑傳感探針是極具應(yīng)用前景的一個方向，對疾病的診斷具有重要意義.

Fig.6 UCNP-MOF composites integrated with other functional materials for imaging and therapy(A)Schematic illustration of the NPs＠ZIF-8＠Au NR-DOX assembly for multimodal imaging-guided combination phototherapy[74].Copyright 2018,Wiley-VCH.(B)Illustration of the preparation and PDT of UCNP-MOF composites containing TiO2[60].Copyright 2020,American Chemical Society.(C)Scheme of core-shell UCNP＠MOF＠Au composites for synergistic cancer therapy-driven PDT through cascade catalytic reactions[75].Copyright 2020,American Chemical Society.

2.3 催化和防偽

光催化劑能促進光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，有助于解決能源需求和環(huán)境污染等問題.近年來，MOF因具有催化活性位點多、吸附和傳質(zhì)能力強等特點而成為一類新型的光催化劑［80］.目前，大多數(shù)MOF基光催化劑只能利用紫外-可見光，而太陽光譜中紫外線僅占5%，可見光占42%～45%，約有一半為近紅外光［81］.MOF基光催化劑對光的響應(yīng)范圍限制了太陽光的利用率，將近紅外光運用到基于MOF的光催化中十分重要.稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆?？捎行У貙⒔t外光轉(zhuǎn)化為可見光和紫外光，因此將兩者復(fù)合可構(gòu)筑新型光催化劑.例如，NaYF4∶Yb/Tm＠MIL-53（Fe）核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可作為近紅外光響應(yīng)的光催化劑，催化降解水中的有機污染物［65］.由于該復(fù)合材料可吸收和利用近紅外光，其在模擬太陽光激發(fā)下的催化效果明顯好于純MOF.

Fig.7 UCNP-MOF composite-based sensing(A)Illustration of H2O2 detection using UCNP＠ZIF-NiS x composites；(B)upconversion luminescence imaging of H2O2 in a HeLatumor bearing-mouse at various time points after injection(L:probe-treated tumor;R:tumor pretreated with N-acetylcysteine followed by injection of probe;b1—b6:control,0 min,10 min,20 min,30 min,40 min)[57].Copyright 2019,American Chemical Society.(C)Strategy for fabrication of sensors based on UCNP-MOF composites for cycling hypoxia response under NIR excitation；(D)upconversion luminescence images of the mice lung after intravenous injection of sensors at different time intervals(2,8,12 and 16 weeks)[51].Copyright 2020,Wiley-VCH.

2018年，Li等［47］將Pt和Au納米粒子復(fù)合到NaYF4∶Yb/Tm/Er＠UiO-66-NH2核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，合成了一種具有從紫外到近紅外寬光譜范圍響應(yīng)的光解水制氫催化劑［圖8（A）］.在該催化劑中，MOF主要吸收紫外光，Au納米粒子吸收可見光，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒吸收近紅外光，且Au和Pt被MOF有效分隔使反應(yīng)物更容易接觸到Pt上的催化活性位點.雖然稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料可構(gòu)筑具有近紅外光響應(yīng)的光催化劑，但如何進一步拓寬其近紅外光的響應(yīng)范圍并提高近紅外光的利用率仍需要深入研究.

Fig.8 UCNP-MOF composites for photocatalysis and anti-counterfeiting(A)Light absorption of each component in the composites and involved mechanism for photocatalytic hydrogen production(upper panel)and schematic illustration of synthetic process for the UCNPs-Pt＠MOF/Au composites[47].Copyright 2018,Wiley-VCH.(B)Image of an“N”pattern written by UCNP-MOF composites(center).The enlarged profiles(left and right)under the microscope can be used to create unclonable patterns.The insets under the profiles are corresponding color analysis(red,green,and blue)of the randomly selected lines in the enlarged profiles by software[54].Copyright 2018,American Chemical Society.

除催化應(yīng)用外，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料還可應(yīng)用于防偽.例如，Yuan等［54］利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光的可調(diào)性，合成了具有不同發(fā)光性質(zhì)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料并制成墨水用于光學(xué)防偽［圖8（B）］.在他們的驗證性實驗中，由防偽墨水書寫的字母在波長為980 nm的光激發(fā)下發(fā)射出肉眼無法看出顏色區(qū)別的上轉(zhuǎn)換發(fā)光.實際上，該字母的不同部分由不同的防偽墨水書寫，在顯微鏡下可以清楚地觀察到差別，其中一部分呈現(xiàn)出2種不同顏色的上轉(zhuǎn)換發(fā)光.若在顯微照片中繪制隨機線條或圖案，結(jié)合不同的上轉(zhuǎn)換發(fā)光顏色，則可獲得幾乎不可克隆的光學(xué)防偽效果.

3 總結(jié)與展望

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料因其組分之間的協(xié)同作用和功能易拓展等特性受到了越來越多的關(guān)注.本文總結(jié)并綜合評述了近年來該類復(fù)合材料的研究進展.在復(fù)合材料合成方面，采用包括配體輔助和靜電相互作用輔助在內(nèi)的合成方法可合成一系列結(jié)構(gòu)豐富的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料.得益于合成方法的發(fā)展，該類復(fù)合材料在生物成像與治療、傳感和光催化等領(lǐng)域展現(xiàn)了優(yōu)異的性能.盡管稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的發(fā)展取得了一定的進展，但相關(guān)研究剛剛起步，仍有許多問題有待解決.

在復(fù)合材料合成方面，目前的復(fù)合方法都有一定的局限性，構(gòu)筑質(zhì)量高且結(jié)構(gòu)可控的復(fù)合材料仍是一個難點，有待發(fā)展可控且具有普遍適用性的合成方法以獲得種類和功能各異的復(fù)合材料.同時，為實現(xiàn)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、組成及功能的精確控制，材料復(fù)合的機理亟待深入研究.例如，利用上轉(zhuǎn)換納米顆粒的發(fā)光特性，在材料復(fù)合過程中通過光譜原位監(jiān)測反應(yīng)過程，可作為研究機理的一種方法；結(jié)合原位電子顯微鏡等先進手段實時研究材料的復(fù)合，也可為揭示復(fù)合機理提供直接證據(jù).

在復(fù)合材料應(yīng)用方面，如何充分挖掘稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料的特性，拓展新的應(yīng)用是需要關(guān)注的研究方向.例如，將具有圓偏振性質(zhì)的MOF與上轉(zhuǎn)換納米顆粒復(fù)合［82］，構(gòu)筑具有上轉(zhuǎn)換圓偏振發(fā)光的固體材料，可拓展材料在圓偏振激光和不對稱上轉(zhuǎn)換光催化等方面的應(yīng)用；利用稀土發(fā)光對高能射線的響應(yīng)，發(fā)展復(fù)合材料在高能射線傳感等方面的應(yīng)用也是一個有前景的方向.此外，進一步提高復(fù)合材料的性能，如提升材料對近紅外光的響應(yīng)范圍和利用效率等，也有待研究.

總之，隨著技術(shù)的革新和材料的發(fā)展，我們相信稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒-MOF復(fù)合材料面臨的問題會被逐一解決，這類復(fù)合材料將為疾病治療、催化和防偽等領(lǐng)域的發(fā)展提供新的機遇.