【热点应用】等温滴定量热（ITC）技术开启MOFs材料热力学全景模式

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MOFs是一类由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键自组装形成的晶态多孔材料，其结构兼具无机材料的刚性和有机材料的柔性，具有超高比表面积、优异的热稳定性和化学稳定性以及可调控孔隙结构等多种优势，在污染精准防治、能源高效储存、药物靶向递送等领域展现出广阔的应用前景。

ITC是一种分析分子间相互作用的金标准技术，该技术无需标记可直接测试生物分子间结合所引起的微小热量变化，一次滴定实验即可获得结合常数（K_A/K_D），反应化学计量比（N），熵变（ΔS）和焓变（ΔH）等全套分子相互作用的热力学信息，从而揭示分子结合的驱动力和作用机制。

与其他分子互作技术相比，ITC具有如下显著技术优势：

1. 无需标记或固定分子，反映分子天然状态下的结合过程；

2. 提供丰富的热力学信息，而非单一的结合/解离平衡常数，能更深入系统地分析分子互作机制；

3. 操作简便，免去复杂的固定、再生操作，搭配机械臂可实现自动化清洗、滴定、上样。

传统MOFs材料表征手段虽能精准分析材料的晶体结构、孔道特征和吸附容量，却难以量化材料与客体分子相互作用的热力学细节，无法深入解释MOFs材料自组装和吸附过程的驱动力。 而ITC技术提供的热力学信息，可帮助科研人员解析MOFs材料的构效关系，为MOFs材料的合理设计、改性和应用提供核心依据。

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

草地贪夜蛾作为全球性入侵农业害虫，对玉米、水稻等作物造成巨大经济损失，而传统化学农药存在环境污染、害虫抗药性等问题。 RNA干扰（RNAi）技术作为绿色生物农药技术，因dsRNA易被酶降解、递送效率低，防治效果受限。该研究以ZIF-8@PDA为dsRNA纳米载体，实现对dsRNA保护和高效递送，显著提升草地贪夜蛾的防治效率。

本研究通过ITC技术探究了ZIF-8自组装的驱动力和ZIF-8负载dsRNA的结合机制。研究者分别将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滴定曲线得出：

1. ZIF-8自组装机制：Zn2⁺与2-mIm相互作用K_D为1.5e-6 M，ΔH为28.33 kJ·mol?1、-TΔS为-61.56 kJ·mol?1，表明Zn2⁺与2-mIm两者存在uM级别中等强度结合，且ZIF-8的自组装过程为吸热反应，主要由熵驱动；

2. ZIF-8负载dsRNA机制：ZIF-8与dsRNA的K_D为631 e-9 M，ΔH为-44.7 kJ·mol?1、-TΔS为9.33 kJ·mol?1，说明两者之间存在较强结合，ZIF-8负载dsRNA的主要驱动力为静电相互作用和范德华力。

在该案例中，ITC不仅验证了MOFs作为RNA载体的可行性，更重要的是，它量化了载体构建和药物负载这两个关键步骤的能理学过程，为MOFs载体设计与优化和组装机制研究提供支撑性数据。

图1  锌离子滴定2-mlm，以及dsGFP滴定ZIF-8的ITC滴定曲线和热力学信息

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

草甘膦是全球使用最广泛的广谱除草剂，但其大量使用引发了水体污染风险。MOFs特别是锆基MOFs（Zr-MOFs）中丰富的Zr(IV)-O键，赋予了其独特的化学稳定性和热稳定性，被认为是吸附去除草甘膦的潜力股。然而，不同结构的MOFs对草甘膦的吸附能力为何存在差异？其背后的热力学本质是什么？本案例选取了具有不同孔道结构的Zr-MOFs，利用ITC技术系统研究了它们对草甘膦及其类似物的吸附热力学。

研究人员将活化后的MOFs均匀分散在醋酸盐缓冲液中，置于ITC样品池，将有机磷农药溶液置于滴定针中，将有机磷农药溶液逐滴滴入MOFs溶液，通过解析ITC滴定曲线可以得出：

1. 结合驱动力：草甘膦与NU-1000的结合常数K_A为5.34e-4 M?1，焓变为负（ΔH= -2.9 kcal·mol?1）表明该吸附过程为放热反应，草甘膦通过膦酸基与Zr?节点配位，并借助羧基与相邻节点形成氢键；熵变为正(TΔS=3.5 kcal·mol?1)表明草甘膦配位后，结合部位周围的环境变得更加无序，归因于溶剂分子(水和缓冲液)的重排；

   
   

2. 结构-性能关系：NU-1000分别吸附三种有机磷农药，对比发现乙基膦酸、草铵膦与NU-1000的吸附为熵有利、焓不利过程，而草甘膦因氢键作用实现焓驱动吸附，因此结合亲和力更强；用2，6-萘二羧酸（NDC）将NU-1000的c-孔道封住后，ITC结果显示吸附过程放热减少，亲和力也显著下降，直接证明了c-孔道是草甘膦的最优结合位点；

3. 缓冲液浓度对吸附影响：随着缓冲液浓度升高，醋酸根离子会与有机磷农药竞争MOFs结合位点，吸附结合常数降低，吸附过程的焓变增大、熵变减小。

在该案例中，通过ITC技术直接量化化学吸附热力学过程，精准解析吸附机制，揭示结构与性能的内在关联，为下一代高性能MOFs吸附剂的合理设计提供关键理论依据。

图2  草苷磷溶液滴定NU-1000和NU-1000-NDC以及在不同浓度缓冲液中滴定的ITC曲线和热力学信息

参考文献>>

[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.