一、荧光功能化MOFs材料成为生物成像研究的重要方向

传统有机荧光染料，例如异硫氰酸荧光素（FITC）、罗丹明类染料和部分花菁类染料，具有不同的激发与发射光谱特征，可以满足多种荧光标记需求。然而，部分游离荧光染料在复杂生物环境中可能存在光漂白、浓度依赖性聚集、自猝灭或非特异性分布等问题，从而限制其在长期示踪及复杂体系中的应用。

为改善荧光探针的综合性能，研究人员开始探索将荧光分子与无机纳米材料、多孔材料及聚合物载体相结合，通过载体结构调节染料的局部微环境、表面分布及生物界面行为。

金属有机框架材料是一类由金属节点和有机配体通过配位作用形成的晶态多孔材料。其结构具有较强的可设计性，可以通过改变金属节点、有机配体及表面修饰方式实现不同功能。

在众多MOFs材料中，UiO系列锆基MOFs因具有相对较高的结构稳定性和丰富的功能化潜力，受到广关注。

其中，UiO-66-NH₂通过引入含氨基的有机配体，为荧光染料的进一步连接提供了便利条件，使其成为研究荧光功能化纳米材料的重要候选载体。

与单纯将染料物理吸附在材料表面相比，适当的化学偶联有望提高染料连接稳定性，并降低部分染料在使用过程中发生脱附的风险。

但需要注意，荧光染料偶联并不必然提高荧光强度或光稳定性。实际效果还受到染料结构、连接距离、局部浓度以及载体与染料之间电子相互作用等因素影响。

二、UiO-66-NH₂的结构特点及荧光功能化优势

2.1 UiO-66-NH₂的基本结构组成

UiO-66-NH₂属于典型的锆基金属有机框架材料，其骨架主要由Zr₆氧簇节点与2-氨基对苯二甲酸有机配体连接形成。

UiO-66-NH₂延续了UiO-66系列材料的三维框架特征，同时由于有机配体上引入氨基，使材料具有进一步进行化学反应的潜力。

其主要特点包括：

1. 相对稳定的锆基骨架结构。 Zr–O配位连接赋予材料在多种条件下较好的结构稳定性，但其稳定程度仍取决于介质组成、pH及缺陷情况。

2. 丰富的氨基功能位点。 有机配体上的—NH₂基团能够参与多种有机偶联反应，为荧光染料、聚合物及生物分子的连接提供基础。

3. 可调控的颗粒尺寸。 通过改变合成条件，可获得不同尺寸和形貌的UiO-66-NH₂颗粒。

4. 可利用的多孔结构。 材料内部孔道可用于部分小分子的吸附及功能组分引入，但较大染料能否进入孔道需要考虑孔窗尺寸与框架缺陷。

5. 多功能复合潜力。 UiO-66-NH₂可以与荧光染料、聚合物、靶向配体或其他纳米材料结合，构建具有复合功能的探针体系。

2.2 氨基官能团在荧光染料偶联中的作用

UiO-66-NH₂与普通UiO-66的重要区别在于其有机配体上存在氨基。

氨基是一类具有较高化学反应活性的官能团，能够与多种活性基团发生连接反应。

例如，UiO-66-NH₂表面的氨基可以与活性酯类荧光染料发生反应，形成酰胺键；也可以与异硫氰酸酯类染料发生反应，形成硫脲连接结构。

这种通过化学键固定荧光染料的方式，有利于提高染料与载体之间的连接稳定性。

同时，通过控制染料投料比例、反应时间及偶联条件，可以在一定程度上调节材料表面的染料修饰程度。

需要指出的是，UiO-66-NH₂中的氨基并非全部具有相同的可反应性。位于颗粒内部、孔道附近或不同局部配位环境中的氨基，其空间可及性可能存在差异。

因此，实际染料偶联效率不仅取决于氨基总量，还受到染料分子尺寸、溶剂环境、扩散限制及材料表面结构等因素影响。

2.3 UiO-66-NH₂自身的光学特性

除能够连接外源荧光染料外，UiO-66-NH₂本身也具有一定的光学研究价值。

氨基取代能够改变有机配体的电子结构，从而影响材料的光吸收及激发态行为。

部分研究利用UiO-66-NH₂的光学响应开展荧光传感和光催化等研究。

因此，在设计荧光染料偶联体系时，需要同时考虑载体自身的光学信号及外源染料的荧光信号。

如果两者的激发或发射光谱存在明显重叠，可能影响荧光检测的准确性，也可能产生能量转移或荧光猝灭等现象。

三、UiO-66-NH₂荧光染料偶联的主要技术路线

荧光染料与UiO-66-NH₂的结合方式是决定材料荧光性能、连接稳定性及后续应用效果的重要因素。目前，相关研究主要采用共价偶联、物理吸附及复合组装等技术路线。

3.1 FITC荧光染料偶联

异硫氰酸荧光素（Fluorescein Isothiocyanate，FITC）是一种常用的绿色荧光标记染料，在蛋白质标记、细胞示踪及纳米颗粒荧光功能化研究中具有广应用。

FITC分子含有异硫氰酸酯基团（—N=C=S），能够与适宜条件下具有反应活性的氨基发生偶联反应。

对于UiO-66-NH₂，可利用其表面可接近的氨基位点与FITC发生化学反应，形成硫脲连接结构：

该反应示意式用于说明氨基与异硫氰酸酯之间的偶联机制，具体连接结构取决于染料官能团的位置。

FITC偶联完成后，材料可获得染料相关的荧光发射特征，为荧光显微成像和纳米颗粒示踪提供信号基础。

2016年发表于 Scientific Reports 的研究报道了利用液滴纳米反应器连续合成及后修饰纳米MOFs的方法，并展示了FITC功能化UiO-66-NH₂。研究发现，FITC连接后材料的荧光发射光谱相较游离染料发生变化，说明染料与载体结合后，其局部光学环境可能发生改变。

这一研究表明，UiO-66-NH₂的氨基位点能够用于构建具有荧光信号的功能化MOFs材料。

3.2 5-FAM荧光染料偶联

5-羧基荧光素（5-Carboxyfluorescein，5-FAM）也是UiO-66-NH₂荧光功能化研究中的常见染料。

5-FAM分子含有羧基，可通过适宜的活化反应与氨基形成酰胺连接。

在常见的羧基–氨基偶联体系中，可采用EDC/NHS等活化策略促进酰胺键形成。

简化反应过程可表示为：

其中，Dye代表荧光染料分子。

2018年发表于 Nanoscale 的研究通过调节UiO-66-NH₂颗粒尺寸，并进一步共价连接叶酸和5-FAM，构建了兼具荧光成像和药物递送功能的纳米平台。研究人员利用该体系开展了HepG2肿瘤细胞相关成像及药物递送实验，展示了UiO-66-NH₂在多功能生物医学载体设计中的应用潜力。

该研究说明，荧光染料偶联不仅可以用于赋予载体可检测的光学信号，还能够与其他表面功能化策略结合，构建集荧光示踪、靶向识别及药物负载于一体的复合体系。

3.3 罗丹明类荧光染料偶联

罗丹明类染料通常具有较高的摩尔吸光系数和较强的可见光区荧光信号，在荧光标记及分子探针研究中具有重要价值。

对于UiO-66-NH₂，可根据罗丹明衍生物所含的羧基、活性酯或异硫氰酸酯等官能团，设计适宜的连接方式。

罗丹明类染料与UiO-66-NH₂结合后，可用于探索红色或橙红色荧光标记材料。

但不同罗丹明衍生物的光谱性能及反应活性存在差异，并非所有罗丹明染料都能直接与UiO-66-NH₂发生稳定的共价偶联。

此外，当染料表面负载密度较高时，可能发生染料聚集及荧光自猝灭，导致实际荧光信号下降。

因此，需要通过合理控制偶联比例和染料分子间距，优化材料的荧光输出性能。

3.4 近红外荧光染料偶联

与传统可见光荧光染料相比，部分近红外荧光染料在组织光学成像研究中具有一定优势。

例如，Cy5、Cy7及部分其他近红外荧光染料能够提供较长波长的发射信号，有利于降低某些生物组织背景自发荧光的干扰。

通过选择带有NHS酯或其他活性基团的近红外染料，可以探索UiO-66-NH₂的表面共价功能化。

但近红外染料偶联体系需要特别关注染料的水溶性、化学稳定性、聚集行为及光漂白特征。

同时，载体与染料之间可能存在荧光猝灭或能量转移，因此不能简单认为连接近红外染料后就一定能够获得更高的成像灵敏度。

四、UiO-66-NH₂荧光染料偶联对材料性能的影响

4.1 改变材料的荧光发射特征

荧光染料与UiO-66-NH₂结合后，材料的激发和发射光谱可能发生变化。

这种变化主要受到染料自身电子结构、连接方式、溶剂极性及载体局部环境等因素影响。

在部分体系中，染料固定于MOF表面后，其分子运动受到限制，可能降低某些非辐射衰减过程，从而提高荧光信号。

但在其他体系中，染料与MOF骨架之间可能发生电子转移或能量转移，导致荧光猝灭。

因此，应通过荧光光谱、荧光寿命和量子产率测试，评价偶联前后材料的光学变化。

4.2 改善荧光染料的连接稳定性

游离荧光染料在实际应用中可能受到环境因素影响，出现扩散、吸附或化学降解等问题。

将染料通过共价键连接至UiO-66-NH₂表面，有望减少染料从载体表面脱附的风险。

相比单纯物理吸附，共价连接通常更有利于保持染料与颗粒之间的关联。

不过，材料是否具有良好的长期稳定性，还需要通过不同介质中的染料泄漏实验和光稳定性测试进行验证。

4.3 影响颗粒表面性质

荧光染料偶联不仅能够改变材料的光学性质，还可能影响UiO-66-NH₂的表面电荷、亲水性及胶体稳定性。

当染料分子具有较强疏水性时，较高的修饰密度可能增加颗粒在水相介质中的聚集倾向。

如果染料含有带电基团，则可能进一步改变颗粒的Zeta电位及与细胞膜之间的相互作用。

因此，荧光染料偶联后的材料通常需要重新评价其粒径分布、表面电位及分散稳定性。

4.4 影响孔道结构及载药性能

UiO-66-NH₂本身具有多孔结构，可用于部分功能分子的吸附及负载。

当荧光染料连接在孔口附近或进入部分内部空间时，可能造成孔道可及性下降，进而影响其他分子的吸附和释放。

如果希望构建兼具荧光示踪和药物递送功能的载体，就需要合理协调荧光染料修饰程度与药物负载能力之间的关系。

五、UiO-66-NH₂荧光偶联材料的表征与性能评价

为确认荧光染料是否成功连接至UiO-66-NH₂，并评价材料的结构与光学性能，可采用多种分析技术。

其中，FTIR和XPS可以为染料连接提供辅助证据，但单一表征方法通常不足以证明染料完全通过共价键固定。

建议结合充分洗涤后的荧光信号、上清液染料定量及对照反应等结果进行综合判断。

六、UiO-66-NH₂荧光染料偶联在生物成像领域的应用

6.1 细胞荧光标记与纳米颗粒示踪

细胞荧光成像是UiO-66-NH₂荧光功能化材料的重要研究方向之一。

通过将FITC、5-FAM或其他荧光染料连接至UiO-66-NH₂表面，可使颗粒获得可检测的荧光信号。

在适宜的细胞实验条件下，研究人员可以利用共聚焦激光扫描显微镜观察荧光标记颗粒与细胞之间的相互作用。

例如，可以通过不同时间点的荧光成像，研究材料在细胞周围的分布变化，并结合细胞膜和细胞器染色分析其细胞摄取行为。

已有研究利用FITC标记UiO-66-NH₂及其功能化衍生物，观察了乳腺癌细胞中的荧光信号变化，为研究MOFs纳米载体的细胞摄取提供了实验依据。

需要注意，观察到细胞内部的荧光信号，并不能单独证明完整MOF颗粒已经进入细胞，因为荧光染料也可能发生脱附或材料降解。

因此，建议结合元素分析、颗粒定位及染料稳定性测试提高结果的可靠性。

6.2 肿瘤相关荧光成像

在肿瘤研究中，荧光标记纳米颗粒可用于观察材料的细胞摄取和组织分布。

UiO-66-NH₂能够与荧光染料及特定靶向配体结合，构建具有复合功能的成像材料。

例如，叶酸修饰可用于探索与叶酸受体相关的细胞识别行为。

但叶酸受体的表达水平因细胞类型和肿瘤组织而异，因此其靶向效果需要通过相应的受体表达及竞争实验验证。

在动物成像研究中，还需要考虑组织穿透深度、背景荧光、颗粒清除及荧光信号定量等因素。

6.3 药物递送过程的荧光示踪

UiO-66-NH₂不仅能够作为荧光功能化载体，还可以与药物负载体系结合。

通过荧光染料标记，可以在一定程度上观察纳米载体的分布和细胞摄取情况。

如果同时引入具有独立检测信号的药物分子，则可以进一步研究载体与药物在细胞内的相对分布。

这种双信号研究策略有助于分析药物递送过程中载体运输与药物释放之间的关系。

但应注意，载体荧光信号不一定与药物释放量直接对应，因此不能仅通过荧光强度变化推断药物释放效率。

6.4 生物微环境荧光传感

UiO-66-NH₂荧光功能化材料还可用于探索pH、金属离子及特定生物分子的检测。

通过引入具有环境响应能力的荧光染料，可以使材料在特定分析物存在时表现出荧光强度或光谱变化。

例如，某些染料的荧光信号会受到酸碱度或金属离子配位状态影响，可用于构建响应型荧光探针。

2026年发表于 Analytical Chemistry 的研究还报道了通过钴掺杂调控UiO-66-NH₂类材料的类酶活性，并将其用于癌胚抗原荧光免疫分析，体现了该类MOFs在生物检测领域的进一步拓展。需要说明，该研究属于荧光分析体系，并非直接的荧光染料共价偶联生物成像案例。

七、UiO-66-NH₂荧光功能化材料的新研究趋势

7.1 从单一荧光标记向多功能集成发展

早期荧光功能化MOFs研究主要关注染料能否成功连接至载体，以及材料是否能够产生稳定的荧光信号。

近年来，研究方向逐渐转向多功能集成，例如将荧光标记、靶向识别、药物递送及环境响应功能结合于同一材料体系。

2026年发表在 FEBS Open Bio 的综述系统总结了UiO-66系列材料在生物成像、光诊断及光动力治疗中的研究进展，指出表面后修饰、功能配体连接和多模态成像是重要发展方向。

7.2 从可见光荧光向近红外成像拓展

可见光荧光染料在细胞成像中具有广应用，但在较厚组织中容易受到光散射和组织自发荧光的影响。

因此，开发具有近红外荧光信号的UiO-66-NH₂复合材料，是值得进一步探索的方向。

通过选择适宜的近红外染料并优化偶联结构，有望改善部分生物成像场景中的信号检测条件。

但近红外成像效果仍需要结合激发波长、组织光学特征、染料稳定性及成像设备性能进行综合评价。

7.3 从简单表面修饰向精准功能化发展

未来UiO-66-NH₂荧光染料偶联研究的重要方向之一，是提高染料连接位点和修饰密度的可控性。

通过调节偶联反应条件、引入柔性连接臂或采用分步功能化策略，可以探索降低染料聚集和荧光猝灭的可能性。

此外，将PEG等亲水聚合物与荧光染料修饰结合，也有助于进一步研究颗粒在复杂生物介质中的分散稳定性。

7.4 从单一成像向多模态诊疗平台发展

单一荧光成像技术具有较高灵敏度，但在深层组织成像和定量分析方面仍存在局限。

通过将UiO-66-NH₂与磁共振成像、计算机断层扫描或光声成像相关功能组分结合，可以探索构建多模态成像平台。

这种策略有望发挥不同成像技术之间的互补优势，提高材料在复杂生物体系中的研究价值。

八、UiO-66-NH₂荧光染料偶联面临的技术挑战

尽管UiO-66-NH₂具有丰富的功能化潜力，但在荧光染料偶联及生物成像应用中仍存在一些需要解决的问题。

首先，荧光染料偶联效率与材料表面可接近氨基数量密切相关，实际反应过程中可能存在修饰不均匀的问题。

其次，染料修饰密度过高可能导致荧光自猝灭，而修饰密度过低又可能无法提供足够的检测信号。

再次，UiO-66-NH₂在生物环境中的结构稳定性受到pH、磷酸盐及其他组分影响，材料可能发生部分结构变化，因此需要评价染料连接和载体结构的长期稳定性。

此外，材料的细胞毒性、体内降解、长期清除及免疫相容性也是未来应用转化的重要研究内容。

对于荧光标记材料而言，还需要建立标准化的荧光定量方法，避免因颗粒浓度、光散射或背景信号差异导致实验结果出现偏差。

九、总结与展望

UiO-66-NH₂作为一种具有氨基功能位点的锆基金属有机框架材料，在荧光染料偶联及生物成像领域具有较高的研究价值。

通过利用材料表面的氨基与FITC、5-FAM及其他适宜的活性荧光染料发生化学反应，可以构建具有荧光信号输出能力的功能化MOFs材料。

荧光染料偶联不仅为UiO-66-NH₂提供了可检测的光学信号，还为细胞示踪、药物递送过程研究、微环境荧光检测及多功能成像体系设计提供了新的技术思路。

对于瑞禧生物相关UiO-66-NH₂功能材料的研究与应用，可围绕氨基活性位点、荧光染料偶联方式、材料结构稳定性及生物成像适配性等方面开展技术优化，为科研用户提供更多功能化材料设计思路。

参考文献

1. UiO-66 metal–organic frameworks in biomedicine: From structural tunability to bioimaging, photodiagnostics, and photodynamic cancer therapy. FEBS Open Bio, 2026. 

2. Continuous, One-pot Synthesis and Post-Synthetic Modification of NanoMOFs Using Droplet Nanoreactors. Scientific Reports, 2016. 

3. Size and surface controllable metal–organic frameworks (MOFs) for fluorescence imaging and cancer therapy. Nanoscale, 2018. 

4. 5-FU@DHA-UIO-66-NH₂ potentiates chemotherapy sensitivity of breast cancer cells through a microRNA let-7a-dependent mechanism. 

5. Heterovalent Co Doping Boosts the Phosphatase-like Activity of UiO-66-NH₂ for Ultrasensitive Fluorescence Immunoassay of CEA. Analytical Chemistry, 2026.