金屬-有機(jī)骨架材料在電化學(xué)適體傳感器中的應(yīng)用進(jìn)展

朱 彤,岑耀穎,謝 智,阮 佳,蘇會(huì)嵐

(成都醫(yī)學(xué)院 公共衛(wèi)生學(xué)院,成都 610000)

適體是指采用配體指數(shù)富集法系統(tǒng)演化技術(shù)從人工合成的寡核苷酸序列庫中篩選到的一段寡核苷酸序列(RNA、單鏈DNA或雙鏈DNA),以高親和力與靶分子特異性結(jié)合。電化學(xué)適體傳感器是以核酸適體為分子識(shí)別元件,根據(jù)適體與目標(biāo)配體結(jié)合前后電化學(xué)信號(hào)差異進(jìn)行檢測(cè)分析,具有成本低、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便、效率高、可自動(dòng)化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)[1]。

金屬-有機(jī)骨架(MOFs)材料是由無機(jī)金屬中心(金屬離子或金屬簇)和橋連的有機(jī)配體通過自組裝相互連接而形成的一類具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料,具有優(yōu)異的物理及化學(xué)特性[2-5],如結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、孔隙率高、金屬位點(diǎn)多、催化能力強(qiáng)等。基于上述特點(diǎn),MOFs材料可用于構(gòu)建電化學(xué)適體傳感器[6-8]。本工作主要綜述了MOFs材料在電化學(xué)適體傳感器中敏感界面的構(gòu)建、信號(hào)標(biāo)簽、酶模擬等方面的應(yīng)用。

1 敏感界面的構(gòu)建

MOFs材料由于具有大表面積、高孔隙率、良好的電催化活性等特點(diǎn),已被用于電化學(xué)適體傳感器中敏感界面的構(gòu)建,以提升其電極性能[9-12]。

1.1 提高電極表面的導(dǎo)電性

電化學(xué)傳感器的檢測(cè)是通過敏感元件識(shí)別待測(cè)物質(zhì)前后電信號(hào)的變化而實(shí)現(xiàn)的。電極表面的導(dǎo)電性對(duì)傳感器性能有直接影響。研究表明,一些MOFs材料具有較高的電導(dǎo)率,可提高電極表面的導(dǎo)電性和檢測(cè)的靈敏度[13-14]。

FU等[15]在適體傳感器的設(shè)計(jì)中,將金納米粒子(Au NPs)原位還原到鈰-有機(jī)骨架(Ce-MOF)表面,在玻碳電極上形成了穩(wěn)定的納米復(fù)合材料Ce-MOF＠Au。結(jié)果表明,當(dāng)電極表面修飾Ce-MOF＠Au時(shí),峰電流強(qiáng)度明顯增大,說明Ce-MOF＠Au具有較強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移能力;利用該適體傳感器對(duì)血小板反應(yīng)蛋白(TSP-1)進(jìn)行檢測(cè),檢出限為0.13 fg·mL－1。SUN 等[16]合成了具有多孔結(jié)構(gòu)超導(dǎo)電炭黑/二茂鐵雙摻雜類沸石MOFs材料(Fc-KB/ZIF-8),其比表面積約362.8 m2·g－1;將該材料用于電化學(xué)適體傳感器的構(gòu)建,可實(shí)現(xiàn)對(duì)白巧克力和牛軋?zhí)侵邢闾m素的檢測(cè),在一定范圍內(nèi)香蘭素的濃度對(duì)數(shù)與其對(duì)應(yīng)的電流強(qiáng)度與呈線性關(guān)系,回收率為96.8%～104%。

1.2 固載適體鏈

MOFs材料還可直接用于固載適體鏈等生物分子[17],從而提高適體鏈固載的親合力、穩(wěn)定性和數(shù)量[18-19]。

1.2.1 提高適體鏈固載的親合力

在適體傳感器檢測(cè)中,底物與適體鏈的結(jié)合力會(huì)直接影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏度。如何通過構(gòu)建敏感界面保持或增強(qiáng)適體親合力是研究難點(diǎn)之一。CHEN等[20]利用三聚氰胺氰脲酸鹽(MCA)合成了納米復(fù)合物Ce-MOF＠MCA;并基于Ce-MOF＠MCA優(yōu)異的電化學(xué)活性,構(gòu)建了土霉素(OTC)適體傳感器。結(jié)果表明,適體鏈與MOFs材料可通過π-π堆積、強(qiáng)靜電作用深入固載到Ce-MOF＠MCA網(wǎng)格內(nèi)部,提高其對(duì)OTC的親合力,有效增強(qiáng)了傳感器的檢測(cè)性能,檢出限為17.4 fg·mL－1。SHEN等[21]研究表明,由鐵-有機(jī)骨架(Fe-MOF)和介孔納米膠囊Fe3O4＠C合成的新型核-殼納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料Fe-MOF＠m(xù) Fe3O4＠m(xù) C,能有效增強(qiáng)適體鏈的親合力,所構(gòu)建的適體傳感器在檢測(cè)Pb2＋與As3＋時(shí)具有高靈敏度、高選擇性以及低檢出限的特點(diǎn)。

1.2.2 提高適體鏈固載的穩(wěn)定性

MOFs材料活性位點(diǎn)多,比表面積大,可通過共價(jià)鍵、靜電吸附等作用固定適體鏈,并利用自身的高穩(wěn)定性來提高適體鏈固載的穩(wěn)定性。WU等[22]利用無機(jī)沸石咪唑骨架(ZIF)的高穩(wěn)定性及硫堇(Thi)的電化學(xué)活性,合成了納米粒子ZIF-8-Thi-Au,并固載互補(bǔ)鏈形成信號(hào)探針。將該適體傳感器于4℃儲(chǔ)存28 d,通過直接與間接的方法檢測(cè)其穩(wěn)定性。結(jié)果顯示,采用直接法,適體傳感器在第7,14,21,28 d的響應(yīng)電流值分別為99.2%,98.3%,96.8%,95.1%;采用間接法,適體傳感器在第7,14,21,28 d的響應(yīng)電流值分別為98.5%,94.3%,92.5%,90.6%,表明該適體傳感器具有良好的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[23-25]提出通過“一步法”將核酸序列固定在MOFs材料表面,提高核酸適配體與MOFs材料的穩(wěn)定性和適體探針與目標(biāo)物的親和力,并據(jù)此構(gòu)建了檢測(cè)鮑曼不動(dòng)桿菌與跨膜蛋白MUC1的適體傳感器。

此外,還可通過構(gòu)建雙金屬多層結(jié)構(gòu)來提高固載的穩(wěn)定性。ZHOU等[26]通過 MOF-on-MOF(一種核殼結(jié)構(gòu))方法制備了兩種ZnZr雙金屬結(jié)構(gòu)的MOFs材料Zn-MOF-on-Zr-MOF和Zr-MOF-on-Zn-MOF,前者為層次化葉片結(jié)構(gòu),粒徑約為(10±2)μm;后者為多層納米片結(jié)構(gòu),這種雙金屬M(fèi)OFs材料增強(qiáng)了適體鏈構(gòu)成G-四鏈體的穩(wěn)定性。將Zn-MOF-on-Zr-MOF的適體傳感器于4℃儲(chǔ)存,連續(xù)15 d檢測(cè)分別含有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磷酸鹽緩沖溶液,兩種溶液中均未出現(xiàn)明顯的響應(yīng)變化,測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n＝15)分別為3.38%,1.24%,說明該適體傳感器的穩(wěn)定性較好。在質(zhì)量濃度為0.001μg·L－1和1.0μg·L－1的PTK-7溶液中,采用電化學(xué)阻抗法(EIS)和差分脈沖伏安法(DPV)檢測(cè)PTK-7,兩種方法的檢出限分別為0.84,0.66 ng·L－1。同樣,基于 MOF-on-MOF策略,WANG等[27]合成了雙金屬鋱鐵-有機(jī)骨架(TbFe-MOF)材料,并用于固載碳水化合物抗原125(CA125)適配體,在鋱-有機(jī)骨架(Tb-MOF)與Fe-MOF的共同作用下,適體鏈固載的穩(wěn)定性明顯提高。

1.2.3 提高適體鏈的固載量

MOFs材料比表面積通常達(dá)4 000 m2·g－1以上[28],其表面大量的活性位點(diǎn)可提高對(duì)金屬離子、適配體的固載量。CHEN等[20]合成了一種名為氨基UiO-66(UiO-66-NH2)的MOFs材料,其比表面積為992.5 m2·g－1,孔徑約為2.8 nm,可固載大量的Pb2＋、Cd2＋等金屬離子以及待測(cè)物的適配體。采用該MOFs材料所構(gòu)建的電化學(xué)適體傳感器可檢測(cè)卡那霉素(KANA)與OTC,檢出限(3S/N)分別為0.15,0.18 pmol·L－1。SHEN等[21]合成了具有棒狀結(jié)構(gòu)的Ce-MOF,其粒徑為4～5μm,寬度為400～500 nm,可固載大量的核酸鏈。采用Au NPs包裹Ce-MOF,構(gòu)建了檢測(cè)脂多糖(LPS)的電化學(xué)適體傳感器,利用該適體傳感器對(duì)LPS進(jìn)行測(cè)定,線性范圍在100μg·L－1以內(nèi),檢出限為3.3 fg·mL－1。

2 信號(hào)標(biāo)簽

常采用包埋法、共價(jià)結(jié)合等方式將電活性物質(zhì)[如Thi、亞甲基藍(lán)(MB)、二茂鐵等]修飾在電極上,其電信號(hào)強(qiáng)度易受固載方式和電極材料的影響。研究發(fā)現(xiàn),部分MOFs材料可直接產(chǎn)生電信號(hào)[29-31],因而可作為電活性物質(zhì)用于電化學(xué)傳感器的構(gòu)建[32-33]。

WU等[34]用氧化還原活性配體4,4′,4″-三羧基三苯胺組裝電活性物質(zhì)鎳-有機(jī)骨架(Ni-MOF),發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)具有氧化還原活性以及良好的磁性有序中間體,可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)源性氧化還原。用Ni-MOF固載凝血酶分子的一條適配體,與電極表面固載的適配體形成了一種“三明治”式檢測(cè)結(jié)構(gòu)。利用該適體傳感器對(duì)凝血酶進(jìn)行檢測(cè),線性范圍為5×10－2～5×104pmol·L－1,檢出限為 0.016 pmol·L－1。楊陽[35]制備了鉑納米粒子(Pt NPs)功能化的復(fù)合材料Pt NPs＠Co(II)MOFs＠Pt NPs,并基于該材料的氧化還原和催化活性,建立了凝血酶適體傳感器檢測(cè)凝血酶的方法,該方法具有檢出限低(0.33 fmol·L－1)、靈敏度高的特點(diǎn)。

MOFs材料還可固載電活性物質(zhì)來組成信號(hào)標(biāo)簽。CHEN等[36]用胺功能化的MOFs材料NMOF在靜電作用下固載大量金屬離子Pb2＋或Cd2＋,用于對(duì)KANA和氯霉素(CAP)的檢測(cè)。接著,用該材料固載KANA、CAP適配體的互補(bǔ)DNA(c DNA),構(gòu)成了兩種信號(hào)標(biāo)簽 NMOF＠Mn＋/cDNA,目標(biāo)物濃度在一定范圍內(nèi)與其對(duì)應(yīng)的方波伏安信號(hào)成正比。HE等[37]用鋯-有機(jī)骨架(Zr-MOFs)固載MB,然后連接適配體(Apt)檢測(cè)棒曲霉毒素(PAT),當(dāng)MB＠MOF-Apt與電極上Apt的互補(bǔ)鏈雜交后,電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Ret)值增大至2 000Ω,當(dāng)檢測(cè)到PAT時(shí),信號(hào)標(biāo)簽脫落,Ret值減小至1 172Ω,并且該適體傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性與重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。

WANG等[38]基于氨基-鈷-有機(jī)骨架(NH2-Co-MOF)合成了鈷/鐵-有機(jī)骨架(Co/Fe-MOFs),并利用其催化Thi進(jìn)行信號(hào)放大,構(gòu)建了檢測(cè)赭曲霉毒素的電化學(xué)適體傳感器,并且Co/Fe-MOFs對(duì)Thi的還原具有電催化活性。HE等[39]合成了鉑、鎳摻雜的鈷-有機(jī)骨架(Pt Ni＠Co-MOF),通過Pt－N鍵、Pt－S鍵在Pt Ni＠Co-MOF上固載DNA鏈,構(gòu)成了3D結(jié)構(gòu)化的DNA-Pt Ni＠Co-MOF,然后用信號(hào)標(biāo)簽Thi標(biāo)記。當(dāng)待測(cè)物玉米赤霉烯酮(ZEN)出現(xiàn)時(shí),閉合的適體鏈識(shí)別ZEN后打開,并與電極探針雜交,觸發(fā)酶切循環(huán),DNA-Pt Ni＠Co-MOF與切割后的電極探針雜交,使DPV響應(yīng)電流顯著增高,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ZEN的高靈敏檢測(cè)。

3 酶模擬

催化放大是適體傳感器中常用的信號(hào)放大策略之一,通過催化底物、提高電子轉(zhuǎn)移效率來增強(qiáng)響應(yīng)信號(hào),但天然酶類成本高,催化效果易受反應(yīng)條件和固載酶量的影響。近年來,有研究發(fā)現(xiàn)MOFs材料具有模擬酶的功能,可通過對(duì)底物的催化來提高適體傳感器的檢測(cè)性能。

WANG等[40]發(fā)現(xiàn)鐵-萊瓦希爾骨架材料(Fe-MIL-88A)對(duì)3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)具有較強(qiáng)的催化活性,當(dāng)TMB溶液中加入Fe-MIL-88A后,溶液顏色變?yōu)榱了{(lán)色,紫外光譜出現(xiàn)了明顯的吸收峰,表明Fe-MIL-88A對(duì)TMB具有良好的催化效果;將該材料固載適體鏈,當(dāng)適體鏈與凝血酶分子結(jié)合后,催化被阻斷。從Zeta電位可知,Fe-MIL-88A電位值為＋40.2 m V,當(dāng)固載適體鏈結(jié)合凝血酶分子后,Fe-MIL-88A電位值降至－9.57 m V。禹華[41]基于Ce(Ⅲ,Ⅳ)-MOF對(duì)Thi較高的催化作用,構(gòu)建了凝血酶適體傳感器,其檢出限低至0.06 fmol·L－1。進(jìn)一步研究表明,可通過調(diào)控MOFs材料表面的電荷狀態(tài)來改善其催化性能,為MOFs材料的模擬酶領(lǐng)域研究提供了思路[42]。

4 結(jié)論

本工作綜述了MOFs材料及其復(fù)合物在電化學(xué)適體傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。MOFs材料具有比表面積大、孔徑可調(diào)、孔隙率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),可從敏感界面的構(gòu)建、信號(hào)標(biāo)簽、酶模擬幾個(gè)方面來提高電化學(xué)適體傳感器的檢測(cè)性能:如通過合成導(dǎo)電性能良好的MOFs材料,提高電子轉(zhuǎn)移效率;對(duì)MOFs材料表面改性來提高模擬酶性能,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的催化放大;通過改良MOFs材料提高其對(duì)適體鏈固載的親合力、穩(wěn)定性和數(shù)量等,從而增強(qiáng)適體傳感器的檢測(cè)性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的快速、高靈敏度、高特異性檢測(cè),以期在食品安全、臨床診斷等領(lǐng)域充分發(fā)揮MOFs材料的價(jià)值。