表 1常見MOFs材料的種類和特征
Table 1.Types and characteristics of common MOFs materials
多種檢測方法可以檢測腫瘤標志物、重金屬、生物小分子,如高效液相色譜法、聚合酶鏈式反應法、酶聯(lián)免疫吸附法等[1-3],但因設備昂貴、過程復雜、操作技術專業(yè)化等不足受到限制。比率電化學傳感器可以實現(xiàn)目標物的定性、定量分析,且因精度高、易操作、成本低等優(yōu)點備受關注。比率電化學傳感器將兩個獨立電流信號的比值作為輸出信號,通過構建電流信號比值與目標物濃度水平的線性方程實現(xiàn)目標物的檢測。這種傳感模式提供的內參信號能校正傳感器自身因素對檢測過程的影響,靈敏度、準確度更高,重現(xiàn)性更好[4]。
比率電化學傳感器的檢測效率與電極材料的性能密切相關[5]。金屬有機骨架（MOFs）材料是金屬離子或金屬簇與有機配體通過配位鍵連接構成的晶態(tài)多孔材料。與其他多孔化合物材料相比,MOFs材料因具有孔隙率高、孔隙大小可調節(jié)、比表面積大、活性位點豐富、化學性能穩(wěn)定等獨特性能而備受研究者關注[6]。MOFs與多種材料復合形成的功能化MOFs材料具有優(yōu)異的理化性質,如高導電性、高穩(wěn)定性和高催化能力等?；贛OFs材料的電化學傳感器可充分發(fā)揮電極材料的獨特性能,進而拓寬檢測范圍和提高檢測靈敏度。近年來,基于功能化MOFs材料構建比率電化學傳感器用于腫瘤標志物、重金屬、生物小分子等物質的檢測已引起學者的普遍關注。為此,本工作重點綜述了基于功能化MOFs材料的比率電化學傳感器在檢測領域的應用進展,可為相關研究者提供參考。
1. 比率電化學傳感器
1.1 檢測原理
比率電化學傳感器的檢測原理是將比率策略和電化學傳感器結合,將兩個電流信號的比值作為輸出信號,建立電流信號比值與目標物濃度水平的線性方程,實現(xiàn)對目標物的分析[7]。
1.2 分類
比率電化學傳感器分為單信號依賴型比率電化學傳感器和雙信號依賴型比率電化學傳感器。單信號依賴型比率電化學傳感器內參物質（活性物質）的設計可以基于溶液環(huán)境,也可以基于電極表面的功能化材料。在檢測過程中內參信號基本保持不變,另一個電流信號作為響應信號,隨目標物濃度水平的變化而變化。單信號依賴型比率電化學傳感器將響應信號與內參信號的比值作為輸出信號,以實現(xiàn)定量檢測目標物[8]。而雙信號依賴型比率電化學傳感器中兩種不同的響應信號均隨目標物濃度水平的變化而變化,表現(xiàn)為一個響應信號增大,另一個響應信號減小[9]。
1.3 常用的信號物質
1.3.1 亞甲基藍
亞甲基藍（MB）,化學式為C16H18N3ClS,是一種芳香雜環(huán)化合物[10]。MB可以與DNA分子中的鳥嘌呤核苷酸特異性結合,具有較好的生物親和性。作為氧化還原指示劑,MB可通過嵌入G-C堿基對、靜電作用和共價鍵作用等3種方式組裝于比率電化學傳感器中,產生電化學信號[11]。
1.3.2 二茂鐵
二茂鐵（Fc）,化學式為Fe(C5H5)2,是一種具有芳香族性質的有機過渡金屬化合物。Fc含有兩個可以自由旋轉的環(huán)戊二烯環(huán),能與DNA分子的堿基發(fā)生疏水、堆積作用,從而易被標記在核酸鏈的末端[12]。Fc作為比率電化學傳感器的信號物質,出峰位置落在正電位,大部分位于0.1~0.4 V內,操作性和生物選擇性低于MB[13]。
1.3.3 硫堇
硫堇（TH）,化學式為C14H13N3O2S,是一種吩噻嗪類染料,具有高穩(wěn)定性、高電子轉移能力、高水溶性、可逆的電化學響應和合適的氧化還原電位等優(yōu)點,已被廣泛用作比率電化學傳感器的信號物質[10]。
1.3.4 量子點
量子點（QD）,又稱作半導體納米晶體,是一種粒徑小于或接近于激子波爾半徑的納米晶粒,表面原子具有較高的化學活性,其具有較強的氧化還原能力,進而容易發(fā)生電子轉移[14-15]。因此,量子點也被用作比率電化學傳感器的信號物質。
2. MOFs材料
2.1 概述
MOFs材料也稱多孔配位聚合物,由金屬離子或金屬簇與有機配體通過配位鍵連接構成,是一類具有無限網(wǎng)絡結構的有機-無機雜化晶態(tài)材料。與傳統(tǒng)材料相比,MOFs材料具有比表面積高、結構清晰可設計、孔隙率高、孔徑可調、易于化學功能化、光電特性特殊等優(yōu)點,這促使其在吸附分離、電催化劑、氣體儲存及傳感器等方面均具有良好的應用前景和發(fā)展空間[16]。隨著對MOFs材料的深入研究,研究者發(fā)現(xiàn)MOFs之間的鍵合作用不僅有配位鍵作用,還包括氫鍵、范德華力、π-π堆積等其他作用,使得MOFs結構和功能更加多元化。此外,MOFs材料的骨架結構和功能還可以通過不同的制備方法來控制[17]。MOFs材料的制備方法包括聲化學合成法、微波輔助合成法、機械力化學合成法、溶劑熱/水熱法、電化學合成法等[18-21]。
2.2 種類
MOFs材料具有多種類型,可根據(jù)配合物框架結構的配體類型、空間維度和中心金屬離子等分類。其中MOFs材料按組分單元、合成方式的不同進行分類最為常見,常見MOFs材料種類和特征如表1所示。
2.3 功能化MOFs材料
MOFs材料是金屬節(jié)點與有機配體通過弱的配位鍵構成的具有周期性網(wǎng)絡結構的晶態(tài)多孔材料,具有柔韌性,電導率大多低于碳質電極材料,在惡劣條件下穩(wěn)定性較差[32]?；贛OFs材料易功能化的特點,研究者將MOFs材料與導電材料、氧化還原活性中心等結合,形成的功能化MOFs材料可以改善其性能,如良好的導電性和穩(wěn)定性,較高的水溶性和分散性等[33-34]。常見功能化MOFs材料包括MOFs-碳、MOFs-金屬化合物、MOFs-金屬納米粒子、MOFs-酶等[35]。
2.4 MOFs基電化學傳感器
電化學傳感器基于目標物與電極表面修飾物質的特異識別作用,通過不同電化學分析方法實現(xiàn)目標物的定量或定性分析[36]。MOFs材料具有獨特的理化性質,有助于提升電化學傳感器的性能,可根據(jù)傳感器或目標物的不同,調節(jié)孔徑的大小及比表面積[37]。因此,MOFs基電化學傳感器能充分發(fā)揮電極材料的獨特性能,拓寬檢測范圍和降低檢出限。雖然MOFs基電化學傳感器具有靈敏度高、成本低、操作簡單、便攜等優(yōu)點,但單信號傳感策略易受環(huán)境變化的影響,抗干擾能力弱,限制了實際應用。
3. 基于功能化MOFs材料的比率電化學傳感器在檢測領域的應用
3.1 抗生素的檢測
阿霉素屬于蒽環(huán)類抗生素,具有抑制DNA復制和轉錄的功能,被廣泛應用于腫瘤的治療,但劑量不合理會出現(xiàn)嚴重副作用（如累積劑量依賴性不可逆慢性心肌病、組織損傷、過敏反應等）。因此,定量分析阿霉素對臨床上腫瘤治療非常重要[38]。YANG等[39]將硫納米粒子（SNPs）封裝的MOFs復合材料（SNPs@MOFs）和負載Fc的硼納米片（BNSs）復合物（BNSs-Fc）依次修飾在玻碳電極（GCE）表面,形成SNPs@MOFs/BNSs-Fc/GCE。其中,阿霉素的電流I阿霉素為響應信號,Fc的電流IFc為內參信號,I阿霉素/IFc隨著阿霉素濃度增大而增大,從而實現(xiàn)對阿霉素的檢測,線性范圍為0.01~10 μmol·L−1,檢出限為2 nmol·L−1。RONG等[40]基于MB、多壁碳納米管（MWCNTs）和氨基功能化MOFs（NH2-UiO-66）制備了MB@MWCNTs/UiO-66-NH2復合材料,構建了一種可定量檢測阿霉素的比率電化學傳感器。該傳感器將阿霉素和MB作為信號物質,在最佳時間和溫度下,隨著阿霉素濃度的增大,NH2-UiO-66催化阿霉素發(fā)生氧化還原反應,阿霉素的電流I阿霉素增大,MB的電流IMB基本保持穩(wěn)定,即I阿霉素/IMB與阿霉素濃度成正比,線性范圍為0.1~75μmol·L−1,檢出限為0.051μmol·L−1。
3.2 腫瘤標志物的檢測
腫瘤標志物存在于腫瘤患者的組織、體液和排泄物中,可提示腫瘤的性質,反應腫瘤發(fā)生發(fā)展進程,因此腫瘤標志物的檢測意義重大。
3.2.1 端粒酶
端粒酶是腫瘤標志物之一[41]。DONG等[42]制備了用金納米粒子（AuNPs）功能化的鈰基金屬有機骨架（CeMOFs）材料,并用捕獲DNA（cDNA）對其進行修飾,形成復合材料Au@CeMOFs-cDNA,同時將MB修飾的發(fā)夾DNA探針通過金硫鍵（Au—S）固定在電極表面。當端粒酶和脫氧核苷酸存在時,發(fā)夾DNA探針中的端粒酶引物（TP）被延長,發(fā)夾DNA打開,MB與電極表面分離,IMB減?。籧DNA與TP雜交,使Au@CeMOFs-cDNA接近電極表面,高效催化信號物質對苯二酚氧化,對苯二酚的電流I對苯二酚增大。基于此,構建了一種檢測端粒酶活性的比率電化學傳感器,線性范圍為2×102~2×106cells·mL−1,檢出限為27cells·mL−1。
3.2.2 MicroRNA
MicroRNA屬于內源性非編碼RNA,是重要腫瘤標志物之一[43]。SUN等[44]用二維黑磷納米片（BPNSs）、銅（Cu）修飾的MOFs（Cu-MOFs）和TH,制備了BPNSs/TH/Cu-MOFs復合材料,并將該復合材料和Fc標記的單鏈DNA（ssDNA）順序組裝在電極上,形成適配體（aptamer）-BPNSs/TH/Cu-MOFs/GCE。該傳感器將IFc作為響應信號,TH的電流ITH作為內參信號,當miR-3123存在時,Fc標記的aptamer通過堿基互補配對與miR-3123競爭性結合,使Fc遠離GCE,IFc降低,ITH基本保持穩(wěn)定,進而實現(xiàn)對miR-3123的定量檢測,線性范圍為2mol·L−1~2μmol·L−1,檢出限為0.3pmol·L−1。XIE等[45]基于二維納米材料（AuNPs@MXene）和DNA四面體納米結構（NTH）,構建了一種檢測miRNA-21的超靈敏比率電化學傳感器,miRNA-21不存在時,大量鏈霉親和素（SA）標記的UiO-66信號探針與電極表面NTH結合,產生強烈電流信號,UiO-66的電流IUiO-66增大。由于NTH阻礙電子轉移,溶液中的內參信號
3.3 重金屬的檢測
重金屬是原子密度大于或等于5kg·dm−3的金屬,具有高毒性,在人體中積累會引起各種急性或慢性疾病。因此,準確、快速檢測重金屬離子意義重大。WAN等[46]基于二茂鐵羧酸（Fc-COOH）功能化的鎳基金屬有機骨架（Fc-NH2-Ni-MOFs）材料,構建了一種可同時檢測Cu2+、Pb2+和Cd2+的比率電化學傳感器。該傳感器將Fc作為內參信號,被測金屬離子電流I金屬離子作為響應信號,I金屬離子/IFc隨著金屬離子濃度的增大而增大。Pb2+、Cu2+和Cd2+的線性范圍分別為0.001~2.0μmol·L−1、0.01~2.0μmol·L−1、0.01~2.0μmol·L−1,Cu2+、Pb2+、Cd2+的檢出限分別為6.3,0.2,7.1nmol·L−1。HU等[47]構建了一種檢測多種金屬離子的比率電化學傳感器,以Cu-MOFs為修飾電極,Cu2+電流
3.4 生物小分子的檢測
生物小分子為相對分子質量為500以下的生物分子,比如單糖、氨基酸和維生素等。生物小分子與人體多種疾病有關,因此對人體中生物小分子的水平進行檢測可作為疾病早期診斷的依據(jù)。
3.4.1 多巴胺
多巴胺是酪氨酸代謝產生的一種神經遞質,含量異常時會出現(xiàn)神經系統(tǒng)疾病,如肝豆狀核變性、帕金森等。LUO等[48]將Cu2+作為中心離子,四羥基-1,4-苯醌水合物（THQ）作為配體,合成了一種具有氧化還原活性的MOFs材料（Cu-THQ MOFs）,再結合羧基功能化的多壁碳納米管（MWCNTs-COOH）,構建了Cu-THQ MOFs-MWCNTs/GCE比率電化學傳感器,用于多巴胺的檢測。該傳感器將MOFs的電流IMOFs作為內參信號,多巴胺的電流I多巴胺作為響應信號,Cu-THQ MOFs催化氧化多巴胺的同時,MOFs中的Cu+被氧化為Cu2+,I多巴胺/IMOFs隨多巴胺濃度的增大而增大,進而實現(xiàn)對多巴胺的檢測,線性范圍為3.0×10−7~4.0×10−5mol·L−1,檢出限為2.6×10−8mol·L−1。林小鳳[49]基于AuNPs修飾MOF-74形成的復合材料Au/MOF-74構建了一種新型比率電化學傳感器。AuNPs可以化學沉積在MOF-74孔道及表面上,避免AuNPs團聚,提高AuNPs催化活性。多巴胺存在時,MOF-74的金屬中心（Cu2+）的電流作為內參信號幾乎保持不變,多巴胺電流作為響應信號,隨著多巴胺濃度的增大而增大,線性范圍為0.001~100μmol·L−1,檢出限為0.12nmol·L−1。
3.4.2 葡萄糖
葡萄糖能在體內水解并儲存為糖原,具有營養(yǎng)、解毒、強心、利尿、促進毒物代謝等作用。SONG等[50]依次將三甲酸銅金屬有機骨架(Cu-BTC MOFs)、AuNPs、葡萄糖氧化酶（GOD）修飾在三維大孔碳集成的電極上,該傳感器將Cu-BTC MOFs電流ICu-BTC作為內參信號,氧氣（O2）電流
3.4.3 降鈣素原
降鈣素原是細菌感染后細胞釋放的蛋白質,作為血液感染的標志物可以輔助判斷是否使用抗生素,還可以輔助判斷敗血癥的發(fā)生,因此檢測人體降鈣素原含量對疾病早期診斷有重要意義。YUE等[51]在電極上修飾了石墨相氮化碳-銀納米粒子（g-C3N4-AgNPs）,通過Ag—N鍵固定一抗,二抗（Ab2）裝載在經尼羅河藍A（NBA）標記的UiO-67上,NBA作為響應物質具有優(yōu)異的電子傳遞能力和電催化活性。當pH大于6時,NBA可發(fā)生氧化還原反應,當降鈣素原濃度增大時,Ab2濃度升高,NBA電流INBA升高,AgNPs作為另一個響應物質,其電流IAgNPs降低,INBA/IAgNPs值升高,進而實現(xiàn)降鈣素原的檢測,線性范圍為0.005~50μg·L−1,檢出限為1.67ng·L−1。
3.4.4 脂多糖
脂多糖是革蘭氏陰性菌外膜的主要成分,由類脂A、核心多糖和O-特異性鏈等3部分組成。脂多糖具有免疫激活作用,可以抗腫瘤、抗輻射、抗感染。SHEN等[52]構建了一種可二次循環(huán)放大信號的比率電化學傳感器,該傳感器將Cu-MOFs和Fc作為響應物質,當脂多糖存在時,phi29 DNA聚合酶輔助觸發(fā)循環(huán)I誘導聚合,產生輸出DNA,輸出DNA與核酸內切酶輔助觸發(fā)循環(huán)II,該循環(huán)產生大量捕獲探針,導致IFc降低,捕獲探針與電極表面發(fā)夾探針3/AuNPs/Cu-MOFs雜交,將Cu-MOFs封閉在電極上,ICu-MOFs增高,基于ICu-MOFs/IFc與脂多糖濃度的線性回歸方程,實現(xiàn)對脂多糖的檢測,線性范圍為1.0pg·L−1~100μg·L−1,檢出限為0.33 pg·L−1。
3.4.5 維生素C
維生素C在生物代謝中起關鍵作用,可用于治療精神疾病、癌癥、普通感冒、不孕癥和提高免疫力,所以開發(fā)一種靈敏、選擇性高的維生素C檢測方法意義重大。WANG等[53]構建了一種基于金屬有機骨架[PCN-333(Al)]MOFs-科琴黑（KB）-TH/GCE的傳感器,用于維生素C的檢測。將KB和TH封裝在[PCN-333（Al）]MOFs的孔隙中,可有效避免KB和TH的富集,提高材料利用率和傳感器的穩(wěn)定性,KB可催化維生素C和內參物質TH,隨著維生素C濃度增大,維生素C的電流I維生素C增大,TH的電流ITH基本保持不變,該傳感器將I維生素C/ITH作為輸出信號,線性范圍為（14.1±0.2）~（5.5±0.1）×103μmol·L−1,檢出限為（4.6±0.1）μmol·L−1。
3.5 赭曲霉毒素A的檢測
赭曲霉毒素A是由曲霉菌和青霉菌產生的霉菌毒素,廣泛分布于農產品中,有劇毒,能造成腎毒性、肝毒性、致突變性和免疫抑制,因此赭曲霉毒素A的定量檢測十分重要。GUAN等[54]基于AuNPs@碳化鈦納米片（Ti3C2MXene）、NTH、DNA2標記的鈷金屬有機骨架（Co-MOFs）構建了一種比率電化學傳感器,用于赭曲霉毒素A的檢測。當赭曲霉毒素A不存在時,Co-MOFs作為響應物質,其電流ICo-MOFs很大；因電極固定了大量DNA,能抑制電子轉移,甲苯胺藍（TB）作為另一種響應物質,其電流ITB相對較小。當赭曲霉毒素A存在時,赭曲霉毒素A適配體特異性識別赭曲霉毒素A,Co-MOFs與電極分離,ICo-MOFs減小,電極導電率增加,ITB增大,ITB/ICo-MOFs作為輸出信號也增大,線性范圍為1pg·L−1~50μg·L−1,檢出限為0.31 pg·L−1。LI等[55]制備了AuNPs@MXene、NTH,其中MXene可提高NTH的固定率,NTH末端可以與赭曲霉毒素A適配體或響應物質雜交。該傳感器將AuNPs@UiO-66作為響應信號,溶液中的[K3Fe(CN)6]/[K4Fe(CN)6]作為內參物質,當赭曲霉毒素A不存在時,赭曲霉毒素A適配體與NTH末端雜交,響應物質遠離NTH,
3.6 水楊酸的檢測
水楊酸是一種植物柳樹皮提取的脂溶性有機酸,有消炎的作用。YANG等[56]基于Cu-MOFs和碳黑（CB）的復合材料構建了一種檢測水楊酸的比率電化學傳感器。Cu-MOFs和CB的復合材料可催化水楊酸氧化,當水楊酸濃度增大時,ICu-MOFs作為內參信號,電流基本保持不變,I水楊酸作為響應信號,電流增大,I水楊酸/ICu-MOFs增大,從而實現(xiàn)對水楊酸的檢測,線性范圍為100~900μmol·L−1,檢出限為12.50μmol·L−1。
3.7 香蘭素的檢測
香蘭素又稱為香草醛,是一種重要的可食用香料,被廣泛應用于食品添加劑行業(yè)。SUN等[57]通過溶劑熱反應制備了科琴黑/二茂鐵雙摻雜類沸石MOFs材料(Fc-KB/ZIF-8),然后將aptamer通過Au—S與AuNPs結合,最終形成aptamer-AuNPs/Fc-KB/ZIF-8@GCE,香蘭素的電流I香蘭素作為響應信號,隨著香蘭素濃度的增大而增大,摻雜到ZIF-8中的Fc電流IFc作為內參信號,其隨著香蘭素濃度的增大僅表現(xiàn)出細微的變化,基于I香蘭素/IFc與c香蘭素的對數(shù)的線性回歸方程實現(xiàn)對香蘭素的檢測,線性范圍為10nmol·L−1~0.2mmol·L−1,檢出限為3nmol·L−1。
3.8 有機磷農藥的檢測
有機磷農藥是磷酸酯或硫代磷酸酯類有機化合物,因具有高效防治農作物蟲害和低廉的價格而被廣泛應用[58]。但有機磷農藥的過度使用會抑制乙酰膽堿酯酶活性,導致神經系統(tǒng)中毒,對人類健康造成嚴重威脅[59]。因此,靈敏、可靠檢測有機磷農藥十分重要。LI等[60]在裸電極上順序組裝Au@ZIF-8、TH標記的HP-TDN（HP-TDNTH）、Pb2+標記的馬拉硫磷（MAL）適配體（Pb2+-APT1）、Cd2+標記的丙諾福斯（PRO）適配體（Cd2+-APT2）,形成能夠同時檢測MAL和PRO的比率電化學免疫傳感平臺。當目標農藥存在時,適配體與目標農藥的特異結合強于適配體與HP-TDN互補鏈的結合,Pb2+-APT1和Cd2+-APT2被釋放,Pb2+的電流和Cd2+的電流減小,ITH基本保持不變。因此,基于/ITH和/ITH分別實現(xiàn)對MAL和PRO的定量檢測,MAL和PRO的線性范圍分別為5~50000ng·L−1和50~50000ng·L−1,檢出限分別為4.3ng·L−1和13.3ng·L−1。
4. 總結和展望
基于功能化MOFs材料的比率電化學傳感器既具有內置校準能力,又充分利用功能化MOFs材料的優(yōu)點,提高了傳感器的靈敏度?；诠δ芑疢OFs材料的比率電化學傳感器雖然在檢測領域表現(xiàn)出良好的應用前景,但是仍存在可標記信號物質有限、標記成本高等缺點。今后的研究可以關注提高功能化MOFs材料的耐酸堿能力、科學設計MOFs材料的孔徑；開發(fā)新的納米材料,用于MOFs材料的功能化,實現(xiàn)更好的生物相容性；尋找其他成本低、標記過程簡潔的標記物質或者研究新的免標記型比率電化學傳感器；構建便攜式比率電化學傳感器的研發(fā),以實現(xiàn)小型便攜、快速準確地實時檢測目標物。
文章來源——材料與測試網(wǎng)