二维金属有机框架的制备及其在生物传感器领域的研究进展

陈国珍,赵锴，张玉娟,党璐,郑建斌

( 1.陕西省石油化工研究设计院，陕西 西安 710054；2.西安和利时系统工程有限公司，陕西 西安 710075；3.陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西 西安 710075；4.西北大学 化学与材料科学学院，陕西 西安 710127)

石墨烯被发现以来，二维纳米材料就吸引了大量的研究，石墨烯具有超常的物理和化学性质，例如比表面积大、优异的光学性质和超级电容以及热导性等[1-3]。近年来，过渡金属二硫化物(TMDs)[4]、石墨相氮化碳(g-C3N4)[5]、六方氮化硼(h-BN)[6]、层状双氢氧化物(LDHs)[7]、金属有机框架(MOF)[8]和贵金属纳米薄片[9]等其他二维纳米材料也备受关注。二维纳米材料是一种具有片状形貌的纳米材料，由于不同的晶体结构和组分的差异，而具有性能多样性。与零维(0D)、一维(1D)、三维(3D)结构的纳米材料相比，二维纳米材料有许多独特的性能。

1 二维金属有机框架简述

MOF是一种晶体多孔材料，是由含金属的节点(如金属离子和簇)与有机配体(如羧酸盐配体和其他负电荷配体)自组装而成的多孔网状结构的晶体材料[10-11]。MOF相关研究是近年来化学和材料领域发展最快的研究领域之一，因为MOF的三位空洞结构使得其具有大表面积、高孔隙率和结构与功能可调等优点[12]。因此，MOF在催化、传感、储能等领域具有广阔的应用前景。目前，已有多种成熟的方法合成形貌各异的MOF，如特定尺寸、形状和组成的块状晶体和纳米晶体。但是，目前的研究主要集中在块状MOF晶体、0D MOF纳米颗粒、3D和1D MOF纳米棒/纳米线的层面[13]。然而，二维MOF纳米片的合成仍然是一个巨大的挑战。

二维MOF纳米片的制备方法众多，超声剥离[14]、机械剥离[15]、化学剥离[16]、界面合成[17]、三层合成[18]、表面活性辅助合成[19]、调节合成[20]和超声合成[21]。这些方法可以分为两大类:自顶向下法和自底向上法。顾名思义，自顶向下方法涉及到层状结构MOFs的剥离；自底向上法是指由金属节点和有机配体直接合成二维MOF纳米片。两类方法各有优缺点，顶向下是一种简单有效制备高结晶度二维MOF纳米片的方法。尽管有很大的前景，自上而下的方法仍然有诸多挑战。例如，对于实际应用来说，产率低，不能用于大规模的生产。开发新的方法来提高剥离纳米片的产量和维持纳米薄片是非常有必要的。对溶剂效应的系统研究将有助于为二维MOF纳米片的剥落和稳定寻找合适的溶剂。层状结构的MOF在层内具有较强的配位键，而层间的范德华力或氢键较弱。自上而下的方法可以克服层间弱相互作用，从而可以使得MOF剥离，进而形成片状的MOF。另外，也可用自底向上的合成方法来限制垂直方向的层堆积合成二维的层状MOF纳米片。

2 二维金属有机框架纳米材料在生物传感器领域的应用

2.1 DNA检测

Qiu 研究组[22]基于MOF纳米薄片与荧光素标记的探针DNA之间的荧光共振能量转移，建立了一种“turn-on”均相检测DNA的荧光方法。利用MOF对单链DNA和双链DNA的亲和性不同，基于加入待测目标DNA前后荧光信号的变化检测DNA。沙门氏菌、李斯特菌和副溶血性弧菌基因片段的检测限分别为28,35,15 pmol/L。该方法具有简单，快速，选择性好，廉价以及高通量等优点。此外，基于MOF纳米薄片的纳米传感器还成功地应用于致病基因的多重检测。该研究将二维MOF纳米材料用于荧光共振能量转移开辟了新的途径。

Zhang研究组[23]采用表面活性剂辅助由下向上合成方法制备了一系列超薄2D M-TCPP(M=Zn、Cu、Cd或Co,TCPP=4-羧基卟啉)纳米片。以Cu-TCPP纳米片作为典型材料，构建DNA检测平台。基于Cu-TCPP纳米片的传感器显示出优异的荧光传感性能，可用于同时检测多个DNA目标。 研究表明，制备的2D MOF具有较好的猝灭能力，对ssDNA有很好的吸附能力，结果表明荧光信号猝灭是由于2D MOF所引起的，进而验证合成过程中所用到的PVP不会引起荧光猝灭。研究结果表明基于Cu-TCPP 2D MOF对DNA的检出限为20 pmol/L，线性范围为0～5×10-9mol/L。这比之前报道的基于MOF粒子的荧光检测要低得多，并且与基于其他2D纳米材料的荧光检测相媲美。重要的是，我们的2D Cu-TCPP纳米薄片荧光传感器也实现了同时检测多个DNA。我们的表面活性剂辅助自底向上合成方法可用于设计和合成其它超薄二维MOF纳米材料，在气体分离、传感器、催化、储能和电子等领域具有广阔的应用前景。

2.2 microRNA检测

Sun 研究组[24]制备Cu-MOF/BP纳米复合物，构建电化学检测miR3123传感平台。通过二茂铁修饰探针DNA电化学信号的改变检测目标物，当加入探针DNA，由于二茂铁离电极表面比较近，电化学信号比较高；当加入目标物miR3123，探针DNA和目标物互补杂交，形成双链DNA，从材料表面脱落，二茂铁离电极距离变大，因此二茂铁的电化学信号降低，达到间接检测miR3123的目的。该方法检出限为0.3 pmol/L，线性范围为2 pmol/L～2 μmol/L。该方法具有灵敏度高，选择性好，并且可用于实际样品的检测。该研究工作为进一步探索先进的分析方法高效检测miRNA，生物医学诊断miRNA相关疾病以及临床诊断提供了一个新的思路。

2.3 H2O2检测

Bai研究组[25]通过原位合成xD-2D杂交纳米材料，系统的研究了将2D MOF氧化石墨烯(GO)和碳纳米管进行复合杂交，分别形成Cu-TCPP nanofilm/CNT和TCPP nanosheet/GO纳米复合物材料，用合成的纳米复合材料通过循环伏安法对H2O2进行检测。结果表明,Cu-TCPP nanofilm/CNT复合物对H2O2的检出限为5 nmol/L，线性范围为0.01～3.75 μmol/L和 3.75～377.75 μmol/L；Cu-TCPP nanosheet/ GO纳米复合物对H2O2的检出限为50 nmol/L，线性范围为0.1～57.6,57.6～9 777.6 μmol/L。该研究将2D MOF与GO与CNT结合，不仅克服了2D MOF在某些特定领域的缺陷，进而拓宽了其应用，例如H2O2的检测以及储能等应用。

Ma研究组[26]通过原位合成Ag NPs/Cu-TCPP纳米复合物对H2O2进行分析，结果表明,检出限为1.2 μmol/L，线性范围为3.7～5.8 mmol/L。相比较之前的研究，该研究线性范围宽,选择性好等优点。

Chen课题组[27]基于金属镍-有机骨架二维纳米片具有增强过氧化物酶纳米酶活性，构建H2O2比色传感器。催化机理研究表明，Ni-MOF纳米片与辣根过氧化物酶(HRP)相比，Ni-MOF纳米片对两种底物(TMB和H2O2)具有更高的亲和力。此外，该传感器简单、灵敏、检出限低等优点。检出限8 nmol/L，线性范围0.04～160 μmol/L。该方法试剂成本低，操作简单，适用于POC测试。因为目标可以用比色法或肉眼检测，而不需要复杂的仪器。但是，与POC器件的要求相比，样品的体积、体积、体积都有较大的提高，在降至微升或纳升的水平上有较大的提高。此外，该传感器可用于人血清和消毒剂H2O2的检测，并且该比色体系在临床医学和食品环境分析中具有广阔的应用前景。

2.4 重金属离子检测

Hu研究组[28]基于2D MOF1与探针F-DNA之间的荧光共振能量转移，建立了一种均相高灵敏检测Hg2+和I-的荧光方法。Hg2+可以与T碱基特异性的结合，形成T-Hg2+-T碱基对。该工作以P-DNA(富T碱基DNA)作为核酸探针，2D MOF1作为荧光猝灭剂，设计了一种基于2D MOF1的FRET分析Hg2+和 I-的方法。当探针DNA加入2D MOF1 时，由于P-DNA吸附在2D MOF1表明，荧光素和2D MOF1发生荧光共振能量转移，荧光信号降低；当加入Hg2+，由于Hg2+与T碱基的特异性作用，形成类似发夹状T-Hg2+-T双链DNA(dsDNA)，由于dsDNA的刚性结构，dsDNA从2D MOF1上脱离下来，荧光信号恢复；当加入I-至上述溶液，由于I-与Hg2+的结合能力强于T-Hg2+-T，Hg2+从dsDNA@Hg2+中分离，释放的P-DNA又被吸附于2D MOF 1，荧光信号又被猝灭，导致荧光信号降低。基于探针P-DNA与Hg2+和 I-作用前后荧光信号的差异，检测Hg2+和 I-。在最优条件下，该传感器通过荧光“开-关”机制依次检测Hg2+和 I-，检测限分别为3.2,3.3 nmol/L。采用圆二色光谱、荧光各向异性、结合常数和各阶段结合自由能的模拟等手段对作用方式进行研究，研究表明该方法基本可靠。该传感器为多元传感生物相关阴阳离子的选择性检测研究提供了新的思路。

2.5 生物分子检测

Zhu 研究组[29]建立了一种简便、灵敏的血糖测定方法，对糖尿病的早期临床诊断和治疗具有重要意义。针对当前分析方法的缺陷，该研究组提出一步快速检测尿液中葡萄糖的化学发光方法。基于新型2D-MOF纳米片的催化作用，开发了一种简单、灵敏的化学发光传感器，用于快速、高通量的葡萄糖分析。该研究基于2D MOF通过检测H2O2间接检测葡萄糖。该工作首先合成了具有过氧化物酶活性的二维金属-有机骨架(2D MOF)纳米片，该纳米片可以催化过氧化氢(H2O2)的分解，进一步氧化鲁米诺产生强的化学发光信号。然后，在2D-MOF纳米薄片上依次标记发光氨和葡萄糖氧化酶(GOD)，得到一个简单的化学发光功能化传感器(CoTCPP(Fe)@luminol@GOD)。当Co-TCPP(Fe)@luminol@GOD被引入到含葡萄糖的检测系统中，在GOD的催化下Co-TCPP(Fe)释放出大量的H2O2。然后，利用2D-MOF纳米薄片对生成的H2O2进行分解，对CoTCPP(Fe)@luminol@GOD上的发光氨进行进一步氧化，产生化学发光信号，最终实现对葡萄糖的快速测定。该方法检出限为10.667 μg/L，线性范围为32～5 500 μg/L。该方法具有简单，灵敏等优点，并且能够用于实际样品的检测，对检测人体血液或尿液及其他样本中的葡萄糖方面有很大的潜力。

磷酸盐及其酶解作用的检测具有重要的意义，因为它们在各种生物过程和许多疾病中起着至关重要的作用。与单个传感器一次检测一个特定磷酸盐相比，传感器阵列能够同时识别多个磷酸盐。虽然纳米材料的传感器阵列在识别磷酸盐方面显示出了很大的潜力，但很少有研究涉及酶解的磷酸盐。为了填补这一空白，Qin研究组[30]构建了二维金属-有机骨架(2D-MOF)纳米酶传感器阵列，通过调节其与各种磷酸盐(AMP、ADP、ATP、焦磷酸盐(PPi)和磷酸盐(Pi))的过氧化物酶模拟活性。该传感器阵列不仅能够区分水溶液中的5种磷酸盐，而且可以区分生物样品中的5种磷酸盐，并成功用于实际样品的分析。此外，将传感器阵列与钼蓝比色法相结合，可以准确识别未知浓度的盲样。本研究不仅为探索磷酸盐及其相关的酶学过程提供了方便的工具，而且拓宽了纳米酶和传感器阵列的应用范围。最值得注意的是，ATP和PPi相关的酶解过程被传感器阵列清晰地监控。该项研究为磷酸盐检测及相关酶解过程提供了方便可靠的分析平台，为其他分析物及酶反应提供了一种新的思路。

Yang研究组[31]以Cu-TCPP纳米片作为荧光猝灭剂，建立了非标记、均匀、信号放大检测抗生素的荧光传感器。为了实现这一策略，设计了一种发夹探针(HP)作为信号转换器，SG直接与dsDNA结合的非标记抗生素检测方法。Cu-TCPP纳米薄片对HP/SG复合物具有良好的亲和力和淬灭能力。比较了Cu-TCPP纳米片与氧化石墨烯纳米片的猝灭效果，结果表明以Cu-TCPP纳米片作为猝灭剂信噪比比GO的高7.5倍。该方法的检出限为0.3 pg/mL，线性范围为0.001～10 ng/mL。该研究为食品中抗生素简单灵敏的检测提供了一种新的途径。

3 结束语

综上所述，以二维金属有机框架为基体制备纳米复合物材料的实验和理论研究拓展了二维金属有机框架的应用。二维金属有机框架在催化、光学、电学、生物传感器、超级电容器等方面有着非常重要的应用潜力，成为近年来材料领域中的研究热点。目前二维金属有机框架材料的研究还面临着许多问题和挑战，例如二维金属有机框架与无机纳米颗粒的作用机理、活性位点、复合材料应用的拓展与深入等，亟待进一步深入研究。二维金属有机框架材料的出现，为研究工作者提供了一个充满魅力和无限想象空间的研究对象，相信在不久的将来，二维金属有机框架定会在更多的领域得到更为广泛和深入的应用。