DNA功能化MOFs在电化学发光传感的研究进展

闫娜莹

(西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065)

作为电化学技术的一个分支，电化学发光(Electrochemi-luminescence，ECL)具有快速的检测时间、低标本检测用量等特点。ECL的基本原理是在电极表面发生电化学和化学发光反应后，产生高能的电子转移，形成激发态发光[1]。ECL根据一般反应机制大致分为两大类：湮灭型ECL和共反应物型ECL。DNA功能化金属有机框架生物传感器主要采用了共反应物型ECL，通过发光体与共反应物发生氧化或还原反应，产生激发态的中间体的物质，从而产生发光。

金属有机框架(Metal-organic frameworks，MOFs)由金属节点和有机配体组成，也称为配位聚合物[2]。因其具有大表面积和高孔隙率，常被用于作为一些物质的载体平台。MOFs在传感[14]、生物医学[42]等领域有广泛应用。

DNA具有可编程，特异性识别等优点，被应用于传感器系统中。在单链DNA两端修饰上具有特殊功能的物质，可以实现传感器的某种作用。DNA可以被核酸酶切断，从而可以将检测物远离传感器[3]。DNA功能化MOFs结合了DNA和MOFs两者的优点，提高了传感器的可行性。

在这篇综述中，首先介绍了DNA和MOFs在DNA功能化的MOFs构建的生物传感器所起到的作用，又说明了DNA与MOFs的连接方式，然后介绍DNA功能化MOFs在检测离子、小分子、蛋白质、核酸、外泌体、癌细胞等方面的应用，最后说明了前景与挑战。

1 DNA与MOFs在传感器中的作用

1.1 MOFs 的作用

(1)作为发光体。如有孔洞的ZIF-8可以作为阴极发光材料，并通过掺杂MoTe2纳米粒子催化增强共反应器的还原反应。

(2)加载发光体。发光体可以加载到MOFs的表面和孔隙中，增加检测的ECL发射强度。常用的发光体有钌化合物、鲁米诺、量子点、聚集诱导发光物质等，均可以通过不同方式加载到不同的MOFs上。

(3)作为共反应物。在ECL生物传感体系中，共振能量转移(resonance energy transfer，RET)机理常被用于降低ECL信号。发光体在激发态时，将能量转移到受体后返回基态，而不是以辐射能的方式释放出来。MOFs在此机制中既可以作为受体，也可以作为供体。

(4)消耗共反应物中间体。MOFs的中心金属粒子可以与共反应物中间体相互作用，减少其与发光体发生氧化还原反应，降低ECL信号。

(5)法拉第笼。2D MOFs可以作为法拉第笼制备生物传感器。将发光体、捕获单元和检测物包裹在DNA修饰的2D MOFs形成的法拉第笼内，信号单元中的所有发光团都参与电极反应，可以增强检测的灵敏度。

1.2 DNA的作用

(1)识别检测物。适配体对其靶标具有高亲和力，可以与靶标紧密结合，并且具有反应速度快、可反复使用等优点。适配体的靶标广泛，例如蛋白质、氨基酸、无机离子和药物等。

(2)循环检测。由不同检测物适配体的互补DNA连接成环状DNA，再利用金属粒子与发光体间的RET和表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)的转换分别降低和增强ECL信号，实现多种检测物的循环检测。

(3)负载猝灭剂。在DNA的一端连接二茂铁(Fc)，Fc会猝灭发光，在传感器中一般用于制造低背景信号。

(4) 转换检测物。在DNA上连接检测物的抗体，检测物识别后，再通过核酸外切酶进行选择性裁切出特定的目标DNA片段，即可以将检测物质转换为目标DNA(tDNA)。

2 DNA 与 MOFs的连接方式

2.1 共价键

DNA与MOFs间可以直接利用配位共价键连接。DNA与MOFs连接使用最多的共价键是CO-NH键，形成过程利用酰胺反应，即含有羧基的MOFs和一端修饰氨基的DNA，通过添加1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺和N-羧基琥珀酰亚胺缩合剂，先活化羧基，然后与胺反应得到酰胺共价键。

2.2 吸 附

DNA与MOFs通过其他作用力吸附连接。例如，DNA一端修饰聚合物，聚合物再通过静电吸附在MOFs上。适配体可以通过π-π堆积作用连接合成DNA-MOFs探针。MOFs外包裹一层检测物，通过检测物与适配体的特异性识别作用连接。

3 DNA-MOFs传感器在电化学中的应用

3.1 检测离子

Hg2+和胸腺嘧啶脱氧核苷酸通过特异性结合形成T-Hg2+-T结构，Pb2+和聚鸟嘌呤脱氧核苷酸形成G-四链体[4-5]。Feng等[6]利用这种特性设计了一种检测这两种重金属离子的传感器。重金属离子与核苷酸形成的结构，改变发光体与金属纳米离子间的距离，从而改变ECL信号。

Pb2+可以增强DNA酶的活性，使得双链DNA解链。Han等人设计了三种嘌呤发光体(TCPP dots)利用Pb2+催化DNA酶活性使得DNA双链解链，添加发卡DNA与解链中的未被破坏的单链进行杂交[7]。TCPP dots会嵌入到双链中，检测ECL信号。

3.2 检测小分子

AuNPs和PbNPs拥有强SPR作用，可以增强ECL信号。同时当其距离发光体很近时，会产生RET作用，降低ECL信号。Feng等[8]利用环状DNA改变AuNPs和PbNPs与发光体的距离，即利用SPR与RET作用，设计了多检测性的循环检测传感器。Li等[9]只利用RET作用设计了一种单检测传感器。该传感器利用MoS2Qds-PATP/PTCA到NH2-UIO-66的RET作用。Su等将AgNPs作为受体，当添加检测物后，双链解链，AgNPs远离电极，ECL信号上升[10]。

发光体与MOF间利用不同连接策略，建立一种高背景信号的ECL生物传感器。Chen等[11]利用Au-NH键加载马拉硫磷适配体，合成发光探针。Liu等[12]设计了一种同时检测两种农药的传感器。添加检测物后，与适配体结合，发光探针远离电极，ECL信号降低。Zhou等[13]将苝衍生物作为发光计与铜基金属有机框架联用，合成优秀的ECL信号器。Ding等[14]通过π-π堆积作用，将检测物适配体加载到ZIF-8上。利用适配体能够阻断电子转移，改变ECL实现检测。

3.3 检测蛋白质

(1)检测物-适配体直接识别。在MOF上修饰适配体，直接添加检测物后，观察ECL信号变化。Wang等[15]设计了一种检测淀粉样β蛋白传感器。在有无检测物的情况下，可以分别在460 nm和620 nm处检测到高ECL信号。Wu等[16]制备了两种用于检测α突触核蛋白低聚物的ECL传感器。两种传感器都是“on-off”信号实现检测，但传感器1有更宽的检测域，传感器2的制备更简单。Zhang 等[17]设计了一种卟啉 MOFs-鲁米诺竞争机制，以提供一种用于ECL 的双信号比率传感器。在有无检测物情况下，阴极与阳极产生两种相反状态的发光信号。Zhao等[18]设计了检测物尿嘧啶DNA糖基化酶的传感器。利用了酶与适配体的识别作用和Fc的猝灭作用。

(2)检测物转换为目标DNA。利用抗体识别作用和诱导DNA 链置换，将检测物转换为tDNA。 Hu 等报道了一种检测粘蛋白的传感器[19]。他们使用溶剂辅助配体方法合成高度稳定的介孔发光功能化 MOF，在 tDNA存在的情况下，一端连接Fc发夹DNA打开，添加核酸内切酶后，Fc远离电极，ECL信号升高。

(3)矩阵配位诱导电化学发光。Huang等[20]首先利用发卡DNA和核酸外切酶将目标检测蛋白转换成DNA探针(tDNA)。将聚集诱导发光体加载到MOF上，添加tDNA和核酸外切酶后，Fc-H4与tDNA杂交并且部分DNA链断裂，Fc远离发光体，ECL信号升高。

(4)设计发光体。通过设计不同类型的发光体，如锌原卟啉、量子点、层状发光体等，增强ECL发射信号。Wang等[24]将两对能量供受体添加到量子点中。既缩短了能量传递距离，也增加了量子点的局部浓度，构建了灵敏的ECL探针。Fang 等[21]报道了一种利用锌原卟啉 IX 作为ECL信号装置，检测凝血酶的生物传感器。Huang等[22]将Zn-Bp-MOFs作为共反应加速器，提高ECL信号。Huang等[23]将共反应物和发光体加载到ZIF-8上，合成复合物。利用核酸外切酶和Fc改变ECL信号。Wang等[25]使用2D层状结构Ti3C2Tx作为ECL信号器，将聚丙烯酸和ZIF-8插入Ti3C2Tx中，以增加表面积和导电性。

(5)中空MOF。利用水热蚀刻方法制造的中空MOF，既保留了MOFs的原有优势，又表现了很多优点。Huang等[26]设计了一种空心分层 MOF，它既增加了发光体的负载量，也有利于其在框架内的电子传递。

(6)2D MOF。与3D块状MOF相比，2D MOF有更容易获得修饰位点、缩短电子传输距离等特点。Hu等[27]采用2D MOF加载发光体合成复合物。再利用抗体的识别作用，改变ECL信号。Yang等[28]将发光体加载到2D MOL上，再利用Au-S键修饰适配体，合成发光探针。同时，他们也设计了一种聚集诱导发光复合物作为信号标签，将信号标签修饰到电极上，再利用Au-S键将捕获探针修饰到信号标签上，可以检测到高ECL信号[29]。

(7)“双脚DNA”。将检测物质利用发起DNA转换为中间双链两端单链的“双脚DNA”。 Yao等[30]利用催化发夹自组装将检测物转换为DNA探针(H1-H2)。添加H1-H2后，会通过碱基互补配对连接到电极上的单链DNA上。添加核酸外切酶和氯化血红素后，阻碍电子转移，ECL信号降低。Yao等[31]利用适配体和蛋白的特异性识别制作双足行走分子机。当添加分子机后，部分DNA双链解链，再利用Fc降低ECL信号。

3.4 检测核苷酸

微小RNAs(miRNAs)常被用于作为肿瘤分子检测的生物标志物。Bai等[32]将Ru(bpy)32+封装到MOF中合成Ru@MOF作为发光体。Wang等[33]利用螯合作用制备ZnMOF-Ru复合物，再ZnMOF-Ru表面修饰链霉亲和素合成发光探针。Jian等[34]利用Hg2+对特定MOF的破坏作用，改变ECL信号。Zhang等[35]利用Fe-MIL-88 消耗共反应物中间体，导致ECL信号改变，合成检测miRNAs的生物传感器。

将2D MOF作为法拉第笼，同时具有ECL发光器的功能。DNA用于对法拉第笼的固定，同时具有检测的功能。Shao等[36]设计了一种检测miRNA-141的法拉第笼生物传感器。捕获探针部分与miRNA-141杂交，其余部分与Ru-MOF上的信号DNA连接，形成法拉第笼形状。他们还利用同一概念，设计了同时检测两种miDNA的法拉第笼生物传感器[37]。

3.5 检测外泌体

前列腺特异性抗原 (PSA) 是检测前列腺癌最重要的生物标志物[38]。Shao等[39]设计了一种检测PSA的传感器。由于探针Fe-MIL-88 MOF对发光体NIR QDs有猝灭作用，导致阴极上ECL信号降低。

利用2D MOF可以加载较多聚集诱导发光物质(AIE luminogen，AIEgen)而具有更高的ECL信号。Yang等[40]利用这一概念设计了一种Hf-ETTC-MOL复合物作为传感器的发光体。由于2D MOF通过配位键限制AIE配体的分子内运动和缩短反应路径，所以Hf-ETTC-MOL可以表现出优异的ECL性能。

3.6 检测癌细胞

在癌细胞中，端粒酶不随细胞分裂而失活。所以将端粒酶认为是细胞癌变的生物标志物[41]。Xiong等[42]利用端粒酶和脱氧核糖核苷三磷酸会在Fe3O4纳米粒子表面形成重复核苷酸序列的功能，并在添加发卡DNA和核酸外切酶后，将端粒酶活性信号转换成ECL信号。其检测限为11个海拉细胞。

3.7 ATP

三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)水平与生物系统的紊乱和功能障碍密切相关[43]。Nie等[44]设计了一种利用纳米表面能量转移(nanosurface energy transfer，NSET)策略测定ATP的生物传感器。将量子点与铁基MOF利用透明质酸连接到电极上，再添加一端修饰AuNPs的适配体，通过碱基互补配对，导致AuNPs接近量子点产生NSET作用，从而检测到低背景信号。当添加检测物ATP后，双链解链，ECL信号升高。

4 结 语

回顾了基于DNA功能化MOFs传感器在电化学发光检测方法上的生物应用的最新进展。MOFs的元素组成和结构的可变性，DNA的可编程、特异性，使得将DNA与MOFs结合使用下，构造的生物传感器具有高灵敏度和高特异性。

然而，为了获得更高效、更稳定的生物传感器，仍面临一些挑战。首先，MOFs的结构和形态会影响传感器的性能。而且，大部分MOFs的水稳定性都不是很好。因此，需要设计水稳定性好，结构稳固的MOFs。还需要增强DNA功能化MOFs在复杂环境下的稳定性。例如，在全血环境下，血液中包含各种核酸酶，可能会对DNA或适配体进行切割，导致传感器失去作用。总体来说，DNA功能化MOFs传感器在许多方面仍有广泛前景。