近日，我校生命科学学院林祖金教授团队联合中国科学院福建物质结构研究所刘天赋研究员、福州大学汤发强博士等团队，在国际顶级期刊Advanced Materials《先进材料》（IF = 29.5，一区TOP）上发表了题为 “Ultrathin 2D Multivariate Hydrogen-bonded Organic Framework Nanosheets for Fluorescent DNA Sensing”（用于荧光DNA检测的超薄二维多元氢键有机框架纳米片）的研究论文。
多元策略（即在同一晶格中引入不同官能团的策略），是赋予多孔框架材料功能多样化极其重要的手段。在金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）中，得益于配位键与共价键较强的键能，该策略已得到广泛应用。然而，对于氢键有机框架（HOFs）而言，氢键的作用力较弱且具动态易变性，使其在单一晶格内实现多元构建块的精准共组装面临着巨大的挑战。另一方面，现有利用多元策略制备多元框架材料时，通常要求框架原型本身具备充足的孔隙空间，以满足新引入功能基团的空间位阻要求。若在致密无孔或孔隙狭小的材料中强行引入功能基团，往往会因空间拥挤（即空间位阻效应）导致材料发生结构相变甚至无法结晶。因此，如何在致密框架材料中实现功能基团的精准定制，是当前晶体材料工程面临的另一个挑战。
图1 多元二维层状 HOF 及其超薄纳米片的构建策略与应用示意图
针对这一双重难题，研究团队提出了一种基于面内面间作用力显著差异的“层级相互作用”（InteractionHierarchy）的策略，设计合成了一系列的多元氢键有机框架材料。研究团队首先设计了一种基于“层级相互作用”的致密二维层状氢键有机框架原型（命名为HOF-FAFU-4）：在HOF-FAFU-4的二维氢键有机层内，较强且方向一致的羧酸-脒之间形成的氢键提供了刚性支撑，赋予二维层较强的稳定性；相对地，层与层之间则通过较弱的其它分子间相互作用力进行堆积，从而形成致密的整体结构。由于二维层相对稳定，而层与层之间的作用力却相对较弱，这种“层级相互作用”的物理特性使得在二维层间引入功能基团成为可能（引入时层间距可发生自适应改变，从而克服新基团带来的空间位阻）。基于该策略，团队顺利合成了一系列结构明确、功能可灵活调控的多元HOFs材料（如HOF-FAFU-5、HOF-FAFU-6及其多元变体）。
图2 多元二维超薄HOF 纳米片的表征
依托这种特殊的层状结构，研究团队进一步将多元 HOF 块状晶体成功剥离为厚度仅约 1.0 至 1.6 纳米的超薄二维多元氢键有机框架纳米片。这一形态的转变，使得纳米片表面的官能团阵列能够得到精密调控，同时极大提高了材料表面功能位点的暴露率与可及性。在实际应用测试中，研究团队通过调控这种超薄二维纳米片的表面微环境，将其成功开发为高效的荧光 DNA 传感平台。实验结果表明，该平台能够对人类免疫缺陷病毒（HIV）和乙型肝炎病毒（HBV）相关的 DNA 靶标实现高灵敏度的精准检测。
图3 多元二维超薄HOF纳米片的对DNA的传感性能
该研究从理论概念上拓宽了“多元策略”的应用边界，证实了利用“层级相互作用”将多元策略应用于二维层状致密框架材料体系的可行性。这种“层级相互作用”策略不仅实现了二维层状HOFs 材料结构与功能的精准定制，其设计理念还有望进一步拓展至二维层状的COFs、MOFs 等晶态框架材料体系，为未来定制功能化二维纳米片开辟了全新的途径与思路。
kaiyun开云官方网页版为该论文的第一完成单位和第一通讯作者单位。kaiyun开云官方网页版生命科学学院 2024 届硕士毕业生詹小平、2023 届硕士毕业生秦金莹以及中国科学院福建物质结构研究所尹琦博士为该论文的共同第一作者；生命科学学院苏泓昕、胡端萍、李林益和蔡志峰等学生也参与了相关研究；我校生命科学学院林祖金教授、中国科学院福建物质结构研究所刘天赋研究员和福州大学汤发强博士为共同通讯作者。该研究得到了福建省自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、福建省科技创新联合基金以及kaiyun开云官方网页版科技发展基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74657
作者简介:
詹小平（共同第一作者）简介：kaiyun开云官方网页版生命科学学院 2024 届硕士毕业生，现为中山大学在读博士生。在读硕士期间，以第一作者发表Advanced Materials, Sensors and Actuators B: Chemical, Inorganic Chemistry等三篇中科院一区论文。
秦金莹（共同第一作者）简介：kaiyun开云官方网页版生命科学学院 2023届硕士毕业生，现为华中科技大学在读博士生。在读硕士期间，以第一作者发表Advanced Materials, Sensors and Actuators B: Chemical, ACS Applied Materials & Interfaces等三篇论文。
林祖金（通讯作者）简介：kaiyun开云官方网页版生命科学学院教授，福建省高层次人才（c类），主要从事晶态多孔材料在生物领域的应用研究。已在Advanced Materials, Chemical Society Review, ACS Central Science, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials & Interfaces, Sensors and Actuators B: Chemical等国内外刊物发表60多篇科研论文，累计被引用6000多次，H因子36。
