稀土元素具有独特的光、电、磁性质，在生物成像、传感、催化、单分子磁体与上转化发光材料等众多领域中具有重要应用。配位导向自组装是制备新型金属有机多面体型超分子纳米容器的重要途径之一。与过渡金属不同，镧系离子由于配位数和构型复杂多变且难以控制，为具有特定分子组成和几何构型的镧系功能配合物的溶液可控自组装带来极大的挑战。而且目前报道的大部分镧系金属有机分子笼都是由中性基团与镧系离子鳌合，在极性溶剂（DMSO和水溶液）中极不稳定，极大的限制了它们在生物领域中的应用。
在中科院战略性先导科技专项、国家杰出青年基金等项目的支持下，中科院福建物构所结构化学国家重点实验室孙庆福研究员团队与暨南大学陈填烽教授团队以及深圳大学李霄鹏教授团队合作，近期在水溶性高核镧系分子笼的设计合成及其双模态成像应用研究取得重要突破。作者首次利用去质子组装策略及多组分协同增强效应解决了多组分镧系分子笼在水中稳定性和溶解性差的瓶颈问题。作者设计合成了一系列具有不同弯曲角度的2,6-吡啶双四氮唑基配体，通过与镧系金属组装构筑了一系列Ln2nL3n (Ln=稀土离子；L=有机配体；n = 2, 3, 4 和 5) 水溶性镧系分子笼。它们在极性溶剂条件下表现出历史最高的光致发光量子效率：Tb8L2a12在水中的总量子产率为11.2%，Tb8L2b12在DMSO中的总量子产率为76.8%。同时，由于巨大的分子量和刚性骨架特征，钆分子笼具有极高的纵向弛豫速率r1=400.53 mM-1S-1，可以作为潜在的磁共振成像造影剂（MRI CAs）用于小鼠活体成像。与商用Gd-DTPA（实测纵向弛豫速率r1=3.75 mM-1S-1）相比，多核Gd8L2b12在肿瘤组织的成像效果更好、且保留时间更长。更进一步地，作者通过混金属组装策略成功构筑了Eu/Gd双金属掺杂分子笼，并成功展示它在细胞荧光标记和MRI双模式成像中的应用前景。该项工作不仅为水溶性多核镧系有机多面体的设计合成提供了新的思路，更为超分子材料在生物成像、载药等方面的应用提供了新的选择。
该文章由已毕业博士研究生王卓和暨南大学副研究员贺利贞为共同第一作者完成，相关研究结果发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.0c07514）。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07514。
（孙庆福课题组供稿）
