二維金屬有機框架的制備及其在生物傳感器領(lǐng)域的研究進(jìn)展

陳國珍,趙鍇，張玉娟,黨璐,鄭建斌

( 1.陜西省石油化工研究設(shè)計院，陜西 西安 710054；2.西安和利時系統(tǒng)工程有限公司，陜西 西安 710075；3.陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；4.西北大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710127)

石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，二維納米材料就吸引了大量的研究，石墨烯具有超常的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如比表面積大、優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和超級電容以及熱導(dǎo)性等[1-3]。近年來，過渡金屬二硫化物(TMDs)[4]、石墨相氮化碳(g-C3N4)[5]、六方氮化硼(h-BN)[6]、層狀雙氫氧化物(LDHs)[7]、金屬有機框架(MOF)[8]和貴金屬納米薄片[9]等其他二維納米材料也備受關(guān)注。二維納米材料是一種具有片狀形貌的納米材料，由于不同的晶體結(jié)構(gòu)和組分的差異，而具有性能多樣性。與零維(0D)、一維(1D)、三維(3D)結(jié)構(gòu)的納米材料相比，二維納米材料有許多獨特的性能。

1 二維金屬有機框架簡述

MOF是一種晶體多孔材料，是由含金屬的節(jié)點(如金屬離子和簇)與有機配體(如羧酸鹽配體和其他負(fù)電荷配體)自組裝而成的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體材料[10-11]。MOF相關(guān)研究是近年來化學(xué)和材料領(lǐng)域發(fā)展最快的研究領(lǐng)域之一，因為MOF的三位空洞結(jié)構(gòu)使得其具有大表面積、高孔隙率和結(jié)構(gòu)與功能可調(diào)等優(yōu)點[12]。因此，MOF在催化、傳感、儲能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，已有多種成熟的方法合成形貌各異的MOF，如特定尺寸、形狀和組成的塊狀晶體和納米晶體。但是，目前的研究主要集中在塊狀MOF晶體、0D MOF納米顆粒、3D和1D MOF納米棒/納米線的層面[13]。然而，二維MOF納米片的合成仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

二維MOF納米片的制備方法眾多，超聲剝離[14]、機械剝離[15]、化學(xué)剝離[16]、界面合成[17]、三層合成[18]、表面活性輔助合成[19]、調(diào)節(jié)合成[20]和超聲合成[21]。這些方法可以分為兩大類:自頂向下法和自底向上法。顧名思義，自頂向下方法涉及到層狀結(jié)構(gòu)MOFs的剝離；自底向上法是指由金屬節(jié)點和有機配體直接合成二維MOF納米片。兩類方法各有優(yōu)缺點，頂向下是一種簡單有效制備高結(jié)晶度二維MOF納米片的方法。盡管有很大的前景，自上而下的方法仍然有諸多挑戰(zhàn)。例如，對于實際應(yīng)用來說，產(chǎn)率低，不能用于大規(guī)模的生產(chǎn)。開發(fā)新的方法來提高剝離納米片的產(chǎn)量和維持納米薄片是非常有必要的。對溶劑效應(yīng)的系統(tǒng)研究將有助于為二維MOF納米片的剝落和穩(wěn)定尋找合適的溶劑。層狀結(jié)構(gòu)的MOF在層內(nèi)具有較強的配位鍵，而層間的范德華力或氫鍵較弱。自上而下的方法可以克服層間弱相互作用，從而可以使得MOF剝離，進(jìn)而形成片狀的MOF。另外，也可用自底向上的合成方法來限制垂直方向的層堆積合成二維的層狀MOF納米片。

2 二維金屬有機框架納米材料在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 DNA檢測

Qiu 研究組[22]基于MOF納米薄片與熒光素標(biāo)記的探針DNA之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移，建立了一種“turn-on”均相檢測DNA的熒光方法。利用MOF對單鏈DNA和雙鏈DNA的親和性不同，基于加入待測目標(biāo)DNA前后熒光信號的變化檢測DNA。沙門氏菌、李斯特菌和副溶血性弧菌基因片段的檢測限分別為28,35,15 pmol/L。該方法具有簡單，快速，選擇性好，廉價以及高通量等優(yōu)點。此外，基于MOF納米薄片的納米傳感器還成功地應(yīng)用于致病基因的多重檢測。該研究將二維MOF納米材料用于熒光共振能量轉(zhuǎn)移開辟了新的途徑。

Zhang研究組[23]采用表面活性劑輔助由下向上合成方法制備了一系列超薄2D M-TCPP(M=Zn、Cu、Cd或Co,TCPP=4-羧基卟啉)納米片。以Cu-TCPP納米片作為典型材料，構(gòu)建DNA檢測平臺?；贑u-TCPP納米片的傳感器顯示出優(yōu)異的熒光傳感性能，可用于同時檢測多個DNA目標(biāo)。 研究表明，制備的2D MOF具有較好的猝滅能力，對ssDNA有很好的吸附能力，結(jié)果表明熒光信號猝滅是由于2D MOF所引起的，進(jìn)而驗證合成過程中所用到的PVP不會引起熒光猝滅。研究結(jié)果表明基于Cu-TCPP 2D MOF對DNA的檢出限為20 pmol/L，線性范圍為0～5×10-9mol/L。這比之前報道的基于MOF粒子的熒光檢測要低得多，并且與基于其他2D納米材料的熒光檢測相媲美。重要的是，我們的2D Cu-TCPP納米薄片熒光傳感器也實現(xiàn)了同時檢測多個DNA。我們的表面活性劑輔助自底向上合成方法可用于設(shè)計和合成其它超薄二維MOF納米材料，在氣體分離、傳感器、催化、儲能和電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 microRNA檢測

Sun 研究組[24]制備Cu-MOF/BP納米復(fù)合物，構(gòu)建電化學(xué)檢測miR3123傳感平臺。通過二茂鐵修飾探針DNA電化學(xué)信號的改變檢測目標(biāo)物，當(dāng)加入探針DNA，由于二茂鐵離電極表面比較近，電化學(xué)信號比較高；當(dāng)加入目標(biāo)物miR3123，探針DNA和目標(biāo)物互補雜交，形成雙鏈DNA，從材料表面脫落，二茂鐵離電極距離變大，因此二茂鐵的電化學(xué)信號降低，達(dá)到間接檢測miR3123的目的。該方法檢出限為0.3 pmol/L，線性范圍為2 pmol/L～2 μmol/L。該方法具有靈敏度高，選擇性好，并且可用于實際樣品的檢測。該研究工作為進(jìn)一步探索先進(jìn)的分析方法高效檢測miRNA，生物醫(yī)學(xué)診斷miRNA相關(guān)疾病以及臨床診斷提供了一個新的思路。

2.3 H2O2檢測

Bai研究組[25]通過原位合成xD-2D雜交納米材料，系統(tǒng)的研究了將2D MOF氧化石墨烯(GO)和碳納米管進(jìn)行復(fù)合雜交，分別形成Cu-TCPP nanofilm/CNT和TCPP nanosheet/GO納米復(fù)合物材料，用合成的納米復(fù)合材料通過循環(huán)伏安法對H2O2進(jìn)行檢測。結(jié)果表明,Cu-TCPP nanofilm/CNT復(fù)合物對H2O2的檢出限為5 nmol/L，線性范圍為0.01～3.75 μmol/L和 3.75～377.75 μmol/L；Cu-TCPP nanosheet/ GO納米復(fù)合物對H2O2的檢出限為50 nmol/L，線性范圍為0.1～57.6,57.6～9 777.6 μmol/L。該研究將2D MOF與GO與CNT結(jié)合，不僅克服了2D MOF在某些特定領(lǐng)域的缺陷，進(jìn)而拓寬了其應(yīng)用，例如H2O2的檢測以及儲能等應(yīng)用。

Ma研究組[26]通過原位合成Ag NPs/Cu-TCPP納米復(fù)合物對H2O2進(jìn)行分析，結(jié)果表明,檢出限為1.2 μmol/L，線性范圍為3.7～5.8 mmol/L。相比較之前的研究，該研究線性范圍寬,選擇性好等優(yōu)點。

Chen課題組[27]基于金屬鎳-有機骨架二維納米片具有增強過氧化物酶納米酶活性，構(gòu)建H2O2比色傳感器。催化機理研究表明，Ni-MOF納米片與辣根過氧化物酶(HRP)相比，Ni-MOF納米片對兩種底物(TMB和H2O2)具有更高的親和力。此外，該傳感器簡單、靈敏、檢出限低等優(yōu)點。檢出限8 nmol/L，線性范圍0.04～160 μmol/L。該方法試劑成本低，操作簡單，適用于POC測試。因為目標(biāo)可以用比色法或肉眼檢測，而不需要復(fù)雜的儀器。但是，與POC器件的要求相比，樣品的體積、體積、體積都有較大的提高，在降至微升或納升的水平上有較大的提高。此外，該傳感器可用于人血清和消毒劑H2O2的檢測，并且該比色體系在臨床醫(yī)學(xué)和食品環(huán)境分析中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 重金屬離子檢測

Hu研究組[28]基于2D MOF1與探針F-DNA之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移，建立了一種均相高靈敏檢測Hg2+和I-的熒光方法。Hg2+可以與T堿基特異性的結(jié)合，形成T-Hg2+-T堿基對。該工作以P-DNA(富T堿基DNA)作為核酸探針，2D MOF1作為熒光猝滅劑，設(shè)計了一種基于2D MOF1的FRET分析Hg2+和 I-的方法。當(dāng)探針DNA加入2D MOF1 時，由于P-DNA吸附在2D MOF1表明，熒光素和2D MOF1發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，熒光信號降低；當(dāng)加入Hg2+，由于Hg2+與T堿基的特異性作用，形成類似發(fā)夾狀T-Hg2+-T雙鏈DNA(dsDNA)，由于dsDNA的剛性結(jié)構(gòu)，dsDNA從2D MOF1上脫離下來，熒光信號恢復(fù)；當(dāng)加入I-至上述溶液，由于I-與Hg2+的結(jié)合能力強于T-Hg2+-T，Hg2+從dsDNA@Hg2+中分離，釋放的P-DNA又被吸附于2D MOF 1，熒光信號又被猝滅，導(dǎo)致熒光信號降低。基于探針P-DNA與Hg2+和 I-作用前后熒光信號的差異，檢測Hg2+和 I-。在最優(yōu)條件下，該傳感器通過熒光“開-關(guān)”機制依次檢測Hg2+和 I-，檢測限分別為3.2,3.3 nmol/L。采用圓二色光譜、熒光各向異性、結(jié)合常數(shù)和各階段結(jié)合自由能的模擬等手段對作用方式進(jìn)行研究，研究表明該方法基本可靠。該傳感器為多元傳感生物相關(guān)陰陽離子的選擇性檢測研究提供了新的思路。

2.5 生物分子檢測

Zhu 研究組[29]建立了一種簡便、靈敏的血糖測定方法，對糖尿病的早期臨床診斷和治療具有重要意義。針對當(dāng)前分析方法的缺陷，該研究組提出一步快速檢測尿液中葡萄糖的化學(xué)發(fā)光方法?；谛滦?D-MOF納米片的催化作用，開發(fā)了一種簡單、靈敏的化學(xué)發(fā)光傳感器，用于快速、高通量的葡萄糖分析。該研究基于2D MOF通過檢測H2O2間接檢測葡萄糖。該工作首先合成了具有過氧化物酶活性的二維金屬-有機骨架(2D MOF)納米片，該納米片可以催化過氧化氫(H2O2)的分解，進(jìn)一步氧化魯米諾產(chǎn)生強的化學(xué)發(fā)光信號。然后，在2D-MOF納米薄片上依次標(biāo)記發(fā)光氨和葡萄糖氧化酶(GOD)，得到一個簡單的化學(xué)發(fā)光功能化傳感器(CoTCPP(Fe)@luminol@GOD)。當(dāng)Co-TCPP(Fe)@luminol@GOD被引入到含葡萄糖的檢測系統(tǒng)中，在GOD的催化下Co-TCPP(Fe)釋放出大量的H2O2。然后，利用2D-MOF納米薄片對生成的H2O2進(jìn)行分解，對CoTCPP(Fe)@luminol@GOD上的發(fā)光氨進(jìn)行進(jìn)一步氧化，產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光信號，最終實現(xiàn)對葡萄糖的快速測定。該方法檢出限為10.667 μg/L，線性范圍為32～5 500 μg/L。該方法具有簡單，靈敏等優(yōu)點，并且能夠用于實際樣品的檢測，對檢測人體血液或尿液及其他樣本中的葡萄糖方面有很大的潛力。

磷酸鹽及其酶解作用的檢測具有重要的意義，因為它們在各種生物過程和許多疾病中起著至關(guān)重要的作用。與單個傳感器一次檢測一個特定磷酸鹽相比，傳感器陣列能夠同時識別多個磷酸鹽。雖然納米材料的傳感器陣列在識別磷酸鹽方面顯示出了很大的潛力，但很少有研究涉及酶解的磷酸鹽。為了填補這一空白，Qin研究組[30]構(gòu)建了二維金屬-有機骨架(2D-MOF)納米酶傳感器陣列，通過調(diào)節(jié)其與各種磷酸鹽(AMP、ADP、ATP、焦磷酸鹽(PPi)和磷酸鹽(Pi))的過氧化物酶模擬活性。該傳感器陣列不僅能夠區(qū)分水溶液中的5種磷酸鹽，而且可以區(qū)分生物樣品中的5種磷酸鹽，并成功用于實際樣品的分析。此外，將傳感器陣列與鉬藍(lán)比色法相結(jié)合，可以準(zhǔn)確識別未知濃度的盲樣。本研究不僅為探索磷酸鹽及其相關(guān)的酶學(xué)過程提供了方便的工具，而且拓寬了納米酶和傳感器陣列的應(yīng)用范圍。最值得注意的是，ATP和PPi相關(guān)的酶解過程被傳感器陣列清晰地監(jiān)控。該項研究為磷酸鹽檢測及相關(guān)酶解過程提供了方便可靠的分析平臺，為其他分析物及酶反應(yīng)提供了一種新的思路。

Yang研究組[31]以Cu-TCPP納米片作為熒光猝滅劑，建立了非標(biāo)記、均勻、信號放大檢測抗生素的熒光傳感器。為了實現(xiàn)這一策略，設(shè)計了一種發(fā)夾探針(HP)作為信號轉(zhuǎn)換器，SG直接與dsDNA結(jié)合的非標(biāo)記抗生素檢測方法。Cu-TCPP納米薄片對HP/SG復(fù)合物具有良好的親和力和淬滅能力。比較了Cu-TCPP納米片與氧化石墨烯納米片的猝滅效果，結(jié)果表明以Cu-TCPP納米片作為猝滅劑信噪比比GO的高7.5倍。該方法的檢出限為0.3 pg/mL，線性范圍為0.001～10 ng/mL。該研究為食品中抗生素簡單靈敏的檢測提供了一種新的途徑。

3 結(jié)束語

綜上所述，以二維金屬有機框架為基體制備納米復(fù)合物材料的實驗和理論研究拓展了二維金屬有機框架的應(yīng)用。二維金屬有機框架在催化、光學(xué)、電學(xué)、生物傳感器、超級電容器等方面有著非常重要的應(yīng)用潛力，成為近年來材料領(lǐng)域中的研究熱點。目前二維金屬有機框架材料的研究還面臨著許多問題和挑戰(zhàn)，例如二維金屬有機框架與無機納米顆粒的作用機理、活性位點、復(fù)合材料應(yīng)用的拓展與深入等，亟待進(jìn)一步深入研究。二維金屬有機框架材料的出現(xiàn)，為研究工作者提供了一個充滿魅力和無限想象空間的研究對象，相信在不久的將來，二維金屬有機框架定會在更多的領(lǐng)域得到更為廣泛和深入的應(yīng)用。