功能性金屬有機框架在生物傳感器中的應用

葉夢琦

功能性金屬有機框架在生物傳感器中的應用

葉夢琦

（溫州大學， 浙江 溫州 325000）

近年來，金屬有機框架（MOFs）領域的飛速發(fā)展為新型功能MOFs在各種生物傳感領域的應用提供了前所未有的發(fā)展機遇。MOFs與多種功能組分的結合，為基于MOFs的生物傳感應用帶來了新的結構和新的特點，如更高的穩(wěn)定性、更高的靈敏度、更高的靈活性和更高的特異性。本文簡述了近年來功能性MOFs在生物傳感范疇的最新研討進展，在這篇綜述中，根據(jù)MOFs在生物傳感器中的核心作用，簡述了MOFs在生物傳感器中的應用，包括敏感元件的載體、酶模擬元件、電化學信號和光信號等。最后，對功能性MOFs在生物傳感范疇的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨向進行了展望。

金屬有機框架；生物傳感器；敏感元素；ZIF-8；電化學傳感器

金屬有機框架（MOFs）又稱多孔配位聚合物，是由有機連接物和金屬離子或團簇構成的，近年來發(fā)展迅速[1]。MOFs具備大比表面積、高孔隙率、可調(diào)結構和尺寸等優(yōu)勢，在氣體吸附分離、催化、化學傳感器、藥物傳遞和癌癥醫(yī)治等范疇有著寬泛的應用。與基于石墨烯、氧化石墨烯和金納米粒子的生物傳感器相比，基于MOFs的生物傳感器具有高負載能力、共軛π-電子系統(tǒng)、柔性孔隙率和開放的金屬位點等決定性優(yōu)勢[2]。這些優(yōu)點也促進了它們在檢測生物分子、細菌和細胞方面的應用。納米MOFs的制備有多種方式，包括水熱合成法、微波輔助合成、超聲輔助合成和添加劑輔助合成[1]。通過在MOFs合成過程中加入生物活性分子的原位合成方法，可以將生物活性分子與MOFs結合；而后合成是利用生物活性分子修飾MOFs的一種常用方法。

具有大比表面積和可調(diào)尺寸的MOFs成為構建復合材料的理想平臺。MOFs與其他功能材料的可控合成通常會出現(xiàn)具有新性能或集體性能的多功能復合材料，其性能優(yōu)于單個組分的簡單物理混合物[1]。功能性MOFs的顯著特點使其使用寬泛，包含功能性和保護性涂層、儲存和分離、多相催化、傳感和生物醫(yī)學等。MOFs廣泛應用于各種傳感器的開發(fā)，特別是用于生物傳感器。近年來，相關的研究文章呈指數(shù)增長，表明這種新型材料在生物傳感領域的重要作用。

本文簡述了近年來功能性MOFs生物傳感器使用的最新進展。根據(jù)MOFs在敏感元件載體、酶模擬元件、電化學信號、光信號和氣體傳感等生物傳感器中的核心作用，概述了MOFs在生物傳感中的應用。最后，對MOFs在傳感應用中的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)進行了簡單討論。

1 MOFs作為載體及酶模擬元件

1.1 MOFs作為敏感元素的載體

MOFs具備很大的比表面積和吸附能力，使其易于與各種功能材料，如寡核苷酸、抗體、離子、染料和酶等結合。因此，MOFs作為敏感元素的載體被廣泛應用于各種生物傳感器中。

1.1.1 DNA分子載體

1）寡核苷酸可以基于共價結合或配位化學策略修飾到MOFs上。共價結合策略通常需要MOFs和DNA分子中部分結構進行反應。例如，第一個MOFs納米顆粒-核酸復合物是通過附加有二芐基環(huán)辛烯（DBCO）的DNA和疊氮化物功能化的UiO-66-N3之間的點擊反應產(chǎn)生的[3]。此外，富T的ssDNA可以通過π-π堆積和靜電相互作用被負載到ZIF-8的表面上[4]，其他的DNA包被物質(zhì)也可以組裝到MOFs的表面，如ssDNA標記的抗體[5]。

2） DNA/MOFs納米復合材料作為各種敏感材料和信號的放大標簽，在生物傳感器的發(fā)展中得到了廣泛的應用。如圖1所示，dsDNAs通過吸附作用被功能化到MOFs的表面，電活性染料（MB和TMB）被封入MOFs的空腔中。靶miRNAs和探針DNAs的雜交使電活性染料從MOFs中釋放出來，允許同時檢測兩個miRNAs[6]。

1.1.2 酶的載體

在惡劣的環(huán)境條件下保持識別元件的傳感能力，對大部分生物傳感器尤其是在野外應用中具有重大意義。MOFs的可調(diào)孔隙率優(yōu)點使其在封裝各種傳感材料如酶、抗體、納米顆粒（NPs）等方面具有吸引力。

酶是最重要的生物大分子之一，酶法工藝更環(huán)保，更具成本效益和可持續(xù)性。酶的有效固定化已被廣泛研究，來提高酶的可回收性，減少產(chǎn)品中的酶污染，并探索酶在生物醫(yī)學應用中的新領域。MOFs包埋生物酶的過程屬于生物礦化的范疇，在保護酶的生物活性、提高酶在惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定性、提高固定化酶的數(shù)量等方面發(fā)揮著積極的作用。與游離酶相比，MOFs包埋酶具有更好的耐熱性、耐有機溶劑性、pH穩(wěn)定性、貯存穩(wěn)定性和可重復使用性。因此，表面吸附法、共價鍵合法、孔包埋法和共沉淀法被應用于酶的固定化。ZIF-8是最常用的用于生物物質(zhì)封裝的MOFs，因為它可以在溫和的條件下合成，酶/抗體可以直接加入到前體溶液中結晶。據(jù)報道，許多酶被封裝到不同的MOFs中，用于開發(fā)各種類型的生物傳感器，例如ZIF-8中的葡萄糖氧化酶（GOx）和NiPd用于葡萄糖的比色和電化學檢測[7]。

1.2 MOFs作為酶模擬元件

部分MOFs具有催化活性（又稱納米酶），包括Cu-MOFs和Fe-MOFs。這些納米酶具有與天然生物酶相當甚至更強的催化性能，可以在各種生物不友好條件下保持穩(wěn)定。據(jù)報道，二維Cu(bpy)2(OTf)2(bpy =4,4-聯(lián)吡啶，OTf=三氟甲烷磺酸鹽)MOF納米片具有固有的過氧化物酶樣活性，可以用于H2O2和葡萄糖的熒光檢測[8]。

2 MOFs用于電化學信號

2.1 導電材料MOF復合材料

MOFs原有的擴散慢、傳質(zhì)小、導電率低等特點，極大地阻礙了其電化學應用。為了提高它們的電活性，導電材料和其他電活性材料已與MOFs結合。MOFs/石墨烯、MOFs/CNTs、MOFs/導電聚合物、MOFs/多孔炭等是提高傳感器電化學活性的重要途徑。例如，負載在有序介孔碳復合材料上的Cu-MOFs可用于肼的檢測[9]。

圖1 （A）DNA和電活性染料功能化MOFs的制備工藝 （B）同時檢測兩個miRNA的工作原理

3 MOFs用于光學生物信號

3.1 熒光信號

一些MOFs具有優(yōu)良的熒光功能，主要包括Cd-MOFs、Eu-MOFs和Tb-MOFs。這些MOFs的熒光特性可以被調(diào)節(jié)以用于生物傳感器的發(fā)展。例如，魚精蛋白可以有效地抑制Tb-MOF的熒光發(fā)射，以靈敏地檢測魚精蛋白[10]。通過Tb-MOFs的熒光發(fā)射，能夠有效地調(diào)控分散/聚集的AuNPs，可用于適體輔助前列腺特異性抗原（PSA）的檢測。

4 結論與展望

可調(diào)孔徑、柔性網(wǎng)絡、高比表面積和易于功能化，使MOFs適合于多種生物傳感應用。MOFs與聚合物、碳材料、金屬納米粒子等材料結合，可以在生物傳感應用中實現(xiàn)協(xié)同效應。事實上，近年來國內(nèi)外對MOFs及其復合材料的生物傳感應用進行了大量的研究，顯示出良好的應用前景。

雖然在這一領域已經(jīng)取得了重大發(fā)展，但功能性MOFs的一些局限性已經(jīng)成為MOFs生物傳感器進一步發(fā)展的關鍵挑戰(zhàn)。為了提高基于MOFs的生物傳感器的性能，需要更多的研究工作來解決這些局限性。例如，在應用于生物傳感領域之前，應考慮并提高其穩(wěn)定性和生物相容性。為了減少毒性和提高生物相容性，最合適的金屬是Ca、Cu、Mg、Mn、Zn、Fe或Ti，它們具有生物相容性，適合于細胞和生物分子傳感。為了提高穩(wěn)定性，需要分別考慮金屬鹽、配體和MOFs的毒性，因為有些MOFs在生理條件下并不穩(wěn)定，可能會導致一次毒性效應。因此，實現(xiàn)高穩(wěn)定性、低毒性、高生物相容性的功能性MOFs是MOFs生物傳感器的主要發(fā)展方向之一。

另一方面，因為MOFs的多孔構造和高表面積，使其在酶的固定化和包封方面得到了廣泛的應用。與微孔和納米孔相比，大孔可能更適合酶的裝載。然而，由于有機配體合成的復雜性，制備更大孔徑的MOFs就很有必要。此外，大多數(shù)MOFs是在有機溶劑的高溫高壓下合成的，可以分解酶。將酶包入MOFs后，需要系統(tǒng)地考慮酶的結構、構象和穩(wěn)定性。此外，固定化酶的穩(wěn)定性、環(huán)化性、敏感性等也需要綜合考慮。對于電化學和光學生物傳感器來說，低導電性和光效率是主要的限制。由于MOFs多為非傳導性，其在生物傳感器中的作用主要集中在信號放大、生物分子載體或納米材料載體上。因此，隨著各種直接電化學方法的廣泛應用，導電材料的發(fā)展將為生物傳感器的研究開辟新的途徑。開發(fā)利用新型光學元件獲得光學效率更高的功能MOFs的新方法，將有助于開發(fā)新型基于MOFs的光學生物傳感器。因此，開發(fā)先進的功能化策略，在溫和的條件下更高效、穩(wěn)定地將酶、導電元件或光學元件與MOFs相結合，對改善基于MOFs的生物傳感器的性能具有重大意義。

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Application of Functional Metal-organic Frameworks in Biosensors

（Wenzhou University, Wenzhou Zhejiang 325000, China）

In recent years, the rapid development of metal organic framework (MOFs) provides an unprecedented development opportunity for the application of new functional MOFs in various biosensors. The combination of MOFs with a variety of functional components brings new structures and features for MOFs-based biosensor application, such as higher stability, higher sensitivity, higher flexibility and higher specificity. In this paper, the latest research progress of functional MOFs in the field of biosensing in recent years was introduced. According to the core role of MOFs in biosensors, the application of MOFs in biosensors was discussed, including carrier of sensitive elements, enzyme analog elements, electrochemical signals and optical signals. Finally, the application status and development trend of functional MOFs in biosensors were prospected.

Metal-organic frameworks; Biosensors; Sensitive elements; Zeolitic imidazolate framework-8; Electrochemical sensors

2020-05-07

葉夢琦（1995-），女，碩士學位，浙江省杭州市人，研究方向：生物材料的研究與開發(fā)。

何華成（1985-），男，講師，博士學位，研究方向：生物醫(yī)藥材料。

TQ 050.4+3

A

1004-0935（2020）07-0897-03