金属-有机骨架材料在电化学适体传感器中的应用进展

朱 彤,岑耀颖,谢 智,阮 佳,苏会岚

(成都医学院 公共卫生学院,成都 610000)

适体是指采用配体指数富集法系统演化技术从人工合成的寡核苷酸序列库中筛选到的一段寡核苷酸序列(RNA、单链DNA或双链DNA),以高亲和力与靶分子特异性结合。电化学适体传感器是以核酸适体为分子识别元件,根据适体与目标配体结合前后电化学信号差异进行检测分析,具有成本低、灵敏度高、操作简便、效率高、可自动化、实时监测等优势[1]。

金属-有机骨架(MOFs)材料是由无机金属中心(金属离子或金属簇)和桥连的有机配体通过自组装相互连接而形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料,具有优异的物理及化学特性[2-5],如结构丰富、比表面积大、孔隙率高、金属位点多、催化能力强等。基于上述特点,MOFs材料可用于构建电化学适体传感器[6-8]。本工作主要综述了MOFs材料在电化学适体传感器中敏感界面的构建、信号标签、酶模拟等方面的应用。

1 敏感界面的构建

MOFs材料由于具有大表面积、高孔隙率、良好的电催化活性等特点,已被用于电化学适体传感器中敏感界面的构建,以提升其电极性能[9-12]。

1.1 提高电极表面的导电性

电化学传感器的检测是通过敏感元件识别待测物质前后电信号的变化而实现的。电极表面的导电性对传感器性能有直接影响。研究表明,一些MOFs材料具有较高的电导率,可提高电极表面的导电性和检测的灵敏度[13-14]。

FU等[15]在适体传感器的设计中,将金纳米粒子(Au NPs)原位还原到铈-有机骨架(Ce-MOF)表面,在玻碳电极上形成了稳定的纳米复合材料Ce-MOF＠Au。结果表明,当电极表面修饰Ce-MOF＠Au时,峰电流强度明显增大,说明Ce-MOF＠Au具有较强的电子转移能力;利用该适体传感器对血小板反应蛋白(TSP-1)进行检测,检出限为0.13 fg·mL－1。SUN 等[16]合成了具有多孔结构超导电炭黑/二茂铁双掺杂类沸石MOFs材料(Fc-KB/ZIF-8),其比表面积约362.8 m2·g－1;将该材料用于电化学适体传感器的构建,可实现对白巧克力和牛轧糖中香兰素的检测,在一定范围内香兰素的浓度对数与其对应的电流强度与呈线性关系,回收率为96.8%～104%。

1.2 固载适体链

MOFs材料还可直接用于固载适体链等生物分子[17],从而提高适体链固载的亲合力、稳定性和数量[18-19]。

1.2.1 提高适体链固载的亲合力

在适体传感器检测中,底物与适体链的结合力会直接影响检测的准确度和灵敏度。如何通过构建敏感界面保持或增强适体亲合力是研究难点之一。CHEN等[20]利用三聚氰胺氰脲酸盐(MCA)合成了纳米复合物Ce-MOF＠MCA;并基于Ce-MOF＠MCA优异的电化学活性,构建了土霉素(OTC)适体传感器。结果表明,适体链与MOFs材料可通过π-π堆积、强静电作用深入固载到Ce-MOF＠MCA网格内部,提高其对OTC的亲合力,有效增强了传感器的检测性能,检出限为17.4 fg·mL－1。SHEN等[21]研究表明,由铁-有机骨架(Fe-MOF)和介孔纳米胶囊Fe3O4＠C合成的新型核-壳纳米结构复合材料Fe-MOF＠m Fe3O4＠m C,能有效增强适体链的亲合力,所构建的适体传感器在检测Pb2＋与As3＋时具有高灵敏度、高选择性以及低检出限的特点。

1.2.2 提高适体链固载的稳定性

MOFs材料活性位点多,比表面积大,可通过共价键、静电吸附等作用固定适体链,并利用自身的高稳定性来提高适体链固载的稳定性。WU等[22]利用无机沸石咪唑骨架(ZIF)的高稳定性及硫堇(Thi)的电化学活性,合成了纳米粒子ZIF-8-Thi-Au,并固载互补链形成信号探针。将该适体传感器于4℃储存28 d,通过直接与间接的方法检测其稳定性。结果显示,采用直接法,适体传感器在第7,14,21,28 d的响应电流值分别为99.2%,98.3%,96.8%,95.1%;采用间接法,适体传感器在第7,14,21,28 d的响应电流值分别为98.5%,94.3%,92.5%,90.6%,表明该适体传感器具有良好的稳定性。文献[23-25]提出通过“一步法”将核酸序列固定在MOFs材料表面,提高核酸适配体与MOFs材料的稳定性和适体探针与目标物的亲和力,并据此构建了检测鲍曼不动杆菌与跨膜蛋白MUC1的适体传感器。

此外,还可通过构建双金属多层结构来提高固载的稳定性。ZHOU等[26]通过 MOF-on-MOF(一种核壳结构)方法制备了两种ZnZr双金属结构的MOFs材料Zn-MOF-on-Zr-MOF和Zr-MOF-on-Zn-MOF,前者为层次化叶片结构,粒径约为(10±2)μm;后者为多层纳米片结构,这种双金属MOFs材料增强了适体链构成G-四链体的稳定性。将Zn-MOF-on-Zr-MOF的适体传感器于4℃储存,连续15 d检测分别含有0.001μg·L－1和1.0μg·L－1蛋白酪氨酸激酶-7(PTK-7)的0.1 mol·L－1磷酸盐缓冲溶液,两种溶液中均未出现明显的响应变化,测定值的相对标准偏差(RSD,n＝15)分别为3.38%,1.24%,说明该适体传感器的稳定性较好。在质量浓度为0.001μg·L－1和1.0μg·L－1的PTK-7溶液中,采用电化学阻抗法(EIS)和差分脉冲伏安法(DPV)检测PTK-7,两种方法的检出限分别为0.84,0.66 ng·L－1。同样,基于 MOF-on-MOF策略,WANG等[27]合成了双金属铽铁-有机骨架(TbFe-MOF)材料,并用于固载碳水化合物抗原125(CA125)适配体,在铽-有机骨架(Tb-MOF)与Fe-MOF的共同作用下,适体链固载的稳定性明显提高。

1.2.3 提高适体链的固载量

MOFs材料比表面积通常达4 000 m2·g－1以上[28],其表面大量的活性位点可提高对金属离子、适配体的固载量。CHEN等[20]合成了一种名为氨基UiO-66(UiO-66-NH2)的MOFs材料,其比表面积为992.5 m2·g－1,孔径约为2.8 nm,可固载大量的Pb2＋、Cd2＋等金属离子以及待测物的适配体。采用该MOFs材料所构建的电化学适体传感器可检测卡那霉素(KANA)与OTC,检出限(3S/N)分别为0.15,0.18 pmol·L－1。SHEN等[21]合成了具有棒状结构的Ce-MOF,其粒径为4～5μm,宽度为400～500 nm,可固载大量的核酸链。采用Au NPs包裹Ce-MOF,构建了检测脂多糖(LPS)的电化学适体传感器,利用该适体传感器对LPS进行测定,线性范围在100μg·L－1以内,检出限为3.3 fg·mL－1。

2 信号标签

常采用包埋法、共价结合等方式将电活性物质[如Thi、亚甲基蓝(MB)、二茂铁等]修饰在电极上,其电信号强度易受固载方式和电极材料的影响。研究发现,部分MOFs材料可直接产生电信号[29-31],因而可作为电活性物质用于电化学传感器的构建[32-33]。

WU等[34]用氧化还原活性配体4,4′,4″-三羧基三苯胺组装电活性物质镍-有机骨架(Ni-MOF),发现该物质具有氧化还原活性以及良好的磁性有序中间体,可以实现内源性氧化还原。用Ni-MOF固载凝血酶分子的一条适配体,与电极表面固载的适配体形成了一种“三明治”式检测结构。利用该适体传感器对凝血酶进行检测,线性范围为5×10－2～5×104pmol·L－1,检出限为 0.016 pmol·L－1。杨阳[35]制备了铂纳米粒子(Pt NPs)功能化的复合材料Pt NPs＠Co(II)MOFs＠Pt NPs,并基于该材料的氧化还原和催化活性,建立了凝血酶适体传感器检测凝血酶的方法,该方法具有检出限低(0.33 fmol·L－1)、灵敏度高的特点。

MOFs材料还可固载电活性物质来组成信号标签。CHEN等[36]用胺功能化的MOFs材料NMOF在静电作用下固载大量金属离子Pb2＋或Cd2＋,用于对KANA和氯霉素(CAP)的检测。接着,用该材料固载KANA、CAP适配体的互补DNA(c DNA),构成了两种信号标签 NMOF＠Mn＋/cDNA,目标物浓度在一定范围内与其对应的方波伏安信号成正比。HE等[37]用锆-有机骨架(Zr-MOFs)固载MB,然后连接适配体(Apt)检测棒曲霉毒素(PAT),当MB＠MOF-Apt与电极上Apt的互补链杂交后,电荷转移阻抗(Ret)值增大至2 000Ω,当检测到PAT时,信号标签脱落,Ret值减小至1 172Ω,并且该适体传感器具有灵敏度高、稳定性与重现性好的优点。

WANG等[38]基于氨基-钴-有机骨架(NH2-Co-MOF)合成了钴/铁-有机骨架(Co/Fe-MOFs),并利用其催化Thi进行信号放大,构建了检测赭曲霉毒素的电化学适体传感器,并且Co/Fe-MOFs对Thi的还原具有电催化活性。HE等[39]合成了铂、镍掺杂的钴-有机骨架(Pt Ni＠Co-MOF),通过Pt－N键、Pt－S键在Pt Ni＠Co-MOF上固载DNA链,构成了3D结构化的DNA-Pt Ni＠Co-MOF,然后用信号标签Thi标记。当待测物玉米赤霉烯酮(ZEN)出现时,闭合的适体链识别ZEN后打开,并与电极探针杂交,触发酶切循环,DNA-Pt Ni＠Co-MOF与切割后的电极探针杂交,使DPV响应电流显著增高,从而实现对ZEN的高灵敏检测。

3 酶模拟

催化放大是适体传感器中常用的信号放大策略之一,通过催化底物、提高电子转移效率来增强响应信号,但天然酶类成本高,催化效果易受反应条件和固载酶量的影响。近年来,有研究发现MOFs材料具有模拟酶的功能,可通过对底物的催化来提高适体传感器的检测性能。

WANG等[40]发现铁-莱瓦希尔骨架材料(Fe-MIL-88A)对3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)具有较强的催化活性,当TMB溶液中加入Fe-MIL-88A后,溶液颜色变为亮蓝色,紫外光谱出现了明显的吸收峰,表明Fe-MIL-88A对TMB具有良好的催化效果;将该材料固载适体链,当适体链与凝血酶分子结合后,催化被阻断。从Zeta电位可知,Fe-MIL-88A电位值为＋40.2 m V,当固载适体链结合凝血酶分子后,Fe-MIL-88A电位值降至－9.57 m V。禹华[41]基于Ce(Ⅲ,Ⅳ)-MOF对Thi较高的催化作用,构建了凝血酶适体传感器,其检出限低至0.06 fmol·L－1。进一步研究表明,可通过调控MOFs材料表面的电荷状态来改善其催化性能,为MOFs材料的模拟酶领域研究提供了思路[42]。

4 结论

本工作综述了MOFs材料及其复合物在电化学适体传感器领域的应用。MOFs材料具有比表面积大、孔径可调、孔隙率高、稳定性好等特点,可从敏感界面的构建、信号标签、酶模拟几个方面来提高电化学适体传感器的检测性能:如通过合成导电性能良好的MOFs材料,提高电子转移效率;对MOFs材料表面改性来提高模拟酶性能,实现信号的催化放大;通过改良MOFs材料提高其对适体链固载的亲合力、稳定性和数量等,从而增强适体传感器的检测性能,实现对目标物的快速、高灵敏度、高特异性检测,以期在食品安全、临床诊断等领域充分发挥MOFs材料的价值。