DNA功能化MOFs在電化學(xué)發(fā)光傳感的研究進(jìn)展

閆娜瑩

(西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065)

作為電化學(xué)技術(shù)的一個(gè)分支，電化學(xué)發(fā)光(Electrochemi-luminescence，ECL)具有快速的檢測時(shí)間、低標(biāo)本檢測用量等特點(diǎn)。ECL的基本原理是在電極表面發(fā)生電化學(xué)和化學(xué)發(fā)光反應(yīng)后，產(chǎn)生高能的電子轉(zhuǎn)移，形成激發(fā)態(tài)發(fā)光[1]。ECL根據(jù)一般反應(yīng)機(jī)制大致分為兩大類：湮滅型ECL和共反應(yīng)物型ECL。DNA功能化金屬有機(jī)框架生物傳感器主要采用了共反應(yīng)物型ECL，通過發(fā)光體與共反應(yīng)物發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的中間體的物質(zhì)，從而產(chǎn)生發(fā)光。

金屬有機(jī)框架(Metal-organic frameworks，MOFs)由金屬節(jié)點(diǎn)和有機(jī)配體組成，也稱為配位聚合物[2]。因其具有大表面積和高孔隙率，常被用于作為一些物質(zhì)的載體平臺。MOFs在傳感[14]、生物醫(yī)學(xué)[42]等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

DNA具有可編程，特異性識別等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于傳感器系統(tǒng)中。在單鏈DNA兩端修飾上具有特殊功能的物質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的某種作用。DNA可以被核酸酶切斷，從而可以將檢測物遠(yuǎn)離傳感器[3]。DNA功能化MOFs結(jié)合了DNA和MOFs兩者的優(yōu)點(diǎn)，提高了傳感器的可行性。

在這篇綜述中，首先介紹了DNA和MOFs在DNA功能化的MOFs構(gòu)建的生物傳感器所起到的作用，又說明了DNA與MOFs的連接方式，然后介紹DNA功能化MOFs在檢測離子、小分子、蛋白質(zhì)、核酸、外泌體、癌細(xì)胞等方面的應(yīng)用，最后說明了前景與挑戰(zhàn)。

1 DNA與MOFs在傳感器中的作用

1.1 MOFs 的作用

(1)作為發(fā)光體。如有孔洞的ZIF-8可以作為陰極發(fā)光材料，并通過摻雜MoTe2納米粒子催化增強(qiáng)共反應(yīng)器的還原反應(yīng)。

(2)加載發(fā)光體。發(fā)光體可以加載到MOFs的表面和孔隙中，增加檢測的ECL發(fā)射強(qiáng)度。常用的發(fā)光體有釕化合物、魯米諾、量子點(diǎn)、聚集誘導(dǎo)發(fā)光物質(zhì)等，均可以通過不同方式加載到不同的MOFs上。

(3)作為共反應(yīng)物。在ECL生物傳感體系中，共振能量轉(zhuǎn)移(resonance energy transfer，RET)機(jī)理常被用于降低ECL信號。發(fā)光體在激發(fā)態(tài)時(shí)，將能量轉(zhuǎn)移到受體后返回基態(tài)，而不是以輻射能的方式釋放出來。MOFs在此機(jī)制中既可以作為受體，也可以作為供體。

(4)消耗共反應(yīng)物中間體。MOFs的中心金屬粒子可以與共反應(yīng)物中間體相互作用，減少其與發(fā)光體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，降低ECL信號。

(5)法拉第籠。2D MOFs可以作為法拉第籠制備生物傳感器。將發(fā)光體、捕獲單元和檢測物包裹在DNA修飾的2D MOFs形成的法拉第籠內(nèi)，信號單元中的所有發(fā)光團(tuán)都參與電極反應(yīng)，可以增強(qiáng)檢測的靈敏度。

1.2 DNA的作用

(1)識別檢測物。適配體對其靶標(biāo)具有高親和力，可以與靶標(biāo)緊密結(jié)合，并且具有反應(yīng)速度快、可反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。適配體的靶標(biāo)廣泛，例如蛋白質(zhì)、氨基酸、無機(jī)離子和藥物等。

(2)循環(huán)檢測。由不同檢測物適配體的互補(bǔ)DNA連接成環(huán)狀DNA，再利用金屬粒子與發(fā)光體間的RET和表面等離子體共振(surface plasmon resonance，SPR)的轉(zhuǎn)換分別降低和增強(qiáng)ECL信號，實(shí)現(xiàn)多種檢測物的循環(huán)檢測。

(3)負(fù)載猝滅劑。在DNA的一端連接二茂鐵(Fc)，F(xiàn)c會猝滅發(fā)光，在傳感器中一般用于制造低背景信號。

(4) 轉(zhuǎn)換檢測物。在DNA上連接檢測物的抗體，檢測物識別后，再通過核酸外切酶進(jìn)行選擇性裁切出特定的目標(biāo)DNA片段，即可以將檢測物質(zhì)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)DNA(tDNA)。

2 DNA 與 MOFs的連接方式

2.1 共價(jià)鍵

DNA與MOFs間可以直接利用配位共價(jià)鍵連接。DNA與MOFs連接使用最多的共價(jià)鍵是CO-NH鍵，形成過程利用酰胺反應(yīng)，即含有羧基的MOFs和一端修飾氨基的DNA，通過添加1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亞胺和N-羧基琥珀酰亞胺縮合劑，先活化羧基，然后與胺反應(yīng)得到酰胺共價(jià)鍵。

2.2 吸 附

DNA與MOFs通過其他作用力吸附連接。例如，DNA一端修飾聚合物，聚合物再通過靜電吸附在MOFs上。適配體可以通過π-π堆積作用連接合成DNA-MOFs探針。MOFs外包裹一層檢測物，通過檢測物與適配體的特異性識別作用連接。

3 DNA-MOFs傳感器在電化學(xué)中的應(yīng)用

3.1 檢測離子

Hg2+和胸腺嘧啶脫氧核苷酸通過特異性結(jié)合形成T-Hg2+-T結(jié)構(gòu)，Pb2+和聚鳥嘌呤脫氧核苷酸形成G-四鏈體[4-5]。Feng等[6]利用這種特性設(shè)計(jì)了一種檢測這兩種重金屬離子的傳感器。重金屬離子與核苷酸形成的結(jié)構(gòu)，改變發(fā)光體與金屬納米離子間的距離，從而改變ECL信號。

Pb2+可以增強(qiáng)DNA酶的活性，使得雙鏈DNA解鏈。Han等人設(shè)計(jì)了三種嘌呤發(fā)光體(TCPP dots)利用Pb2+催化DNA酶活性使得DNA雙鏈解鏈，添加發(fā)卡DNA與解鏈中的未被破壞的單鏈進(jìn)行雜交[7]。TCPP dots會嵌入到雙鏈中，檢測ECL信號。

3.2 檢測小分子

AuNPs和PbNPs擁有強(qiáng)SPR作用，可以增強(qiáng)ECL信號。同時(shí)當(dāng)其距離發(fā)光體很近時(shí)，會產(chǎn)生RET作用，降低ECL信號。Feng等[8]利用環(huán)狀DNA改變AuNPs和PbNPs與發(fā)光體的距離，即利用SPR與RET作用，設(shè)計(jì)了多檢測性的循環(huán)檢測傳感器。Li等[9]只利用RET作用設(shè)計(jì)了一種單檢測傳感器。該傳感器利用MoS2Qds-PATP/PTCA到NH2-UIO-66的RET作用。Su等將AgNPs作為受體，當(dāng)添加檢測物后，雙鏈解鏈，AgNPs遠(yuǎn)離電極，ECL信號上升[10]。

發(fā)光體與MOF間利用不同連接策略，建立一種高背景信號的ECL生物傳感器。Chen等[11]利用Au-NH鍵加載馬拉硫磷適配體，合成發(fā)光探針。Liu等[12]設(shè)計(jì)了一種同時(shí)檢測兩種農(nóng)藥的傳感器。添加檢測物后，與適配體結(jié)合，發(fā)光探針遠(yuǎn)離電極，ECL信號降低。Zhou等[13]將苝衍生物作為發(fā)光計(jì)與銅基金屬有機(jī)框架聯(lián)用，合成優(yōu)秀的ECL信號器。Ding等[14]通過π-π堆積作用，將檢測物適配體加載到ZIF-8上。利用適配體能夠阻斷電子轉(zhuǎn)移，改變ECL實(shí)現(xiàn)檢測。

3.3 檢測蛋白質(zhì)

(1)檢測物-適配體直接識別。在MOF上修飾適配體，直接添加檢測物后，觀察ECL信號變化。Wang等[15]設(shè)計(jì)了一種檢測淀粉樣β蛋白傳感器。在有無檢測物的情況下，可以分別在460 nm和620 nm處檢測到高ECL信號。Wu等[16]制備了兩種用于檢測α突觸核蛋白低聚物的ECL傳感器。兩種傳感器都是“on-off”信號實(shí)現(xiàn)檢測，但傳感器1有更寬的檢測域，傳感器2的制備更簡單。Zhang 等[17]設(shè)計(jì)了一種卟啉 MOFs-魯米諾競爭機(jī)制，以提供一種用于ECL 的雙信號比率傳感器。在有無檢測物情況下，陰極與陽極產(chǎn)生兩種相反狀態(tài)的發(fā)光信號。Zhao等[18]設(shè)計(jì)了檢測物尿嘧啶DNA糖基化酶的傳感器。利用了酶與適配體的識別作用和Fc的猝滅作用。

(2)檢測物轉(zhuǎn)換為目標(biāo)DNA。利用抗體識別作用和誘導(dǎo)DNA 鏈置換，將檢測物轉(zhuǎn)換為tDNA。 Hu 等報(bào)道了一種檢測粘蛋白的傳感器[19]。他們使用溶劑輔助配體方法合成高度穩(wěn)定的介孔發(fā)光功能化 MOF，在 tDNA存在的情況下，一端連接Fc發(fā)夾DNA打開，添加核酸內(nèi)切酶后，F(xiàn)c遠(yuǎn)離電極，ECL信號升高。

(3)矩陣配位誘導(dǎo)電化學(xué)發(fā)光。Huang等[20]首先利用發(fā)卡DNA和核酸外切酶將目標(biāo)檢測蛋白轉(zhuǎn)換成DNA探針(tDNA)。將聚集誘導(dǎo)發(fā)光體加載到MOF上，添加tDNA和核酸外切酶后，F(xiàn)c-H4與tDNA雜交并且部分DNA鏈斷裂，F(xiàn)c遠(yuǎn)離發(fā)光體，ECL信號升高。

(4)設(shè)計(jì)發(fā)光體。通過設(shè)計(jì)不同類型的發(fā)光體，如鋅原卟啉、量子點(diǎn)、層狀發(fā)光體等，增強(qiáng)ECL發(fā)射信號。Wang等[24]將兩對能量供受體添加到量子點(diǎn)中。既縮短了能量傳遞距離，也增加了量子點(diǎn)的局部濃度，構(gòu)建了靈敏的ECL探針。Fang 等[21]報(bào)道了一種利用鋅原卟啉 IX 作為ECL信號裝置，檢測凝血酶的生物傳感器。Huang等[22]將Zn-Bp-MOFs作為共反應(yīng)加速器，提高ECL信號。Huang等[23]將共反應(yīng)物和發(fā)光體加載到ZIF-8上，合成復(fù)合物。利用核酸外切酶和Fc改變ECL信號。Wang等[25]使用2D層狀結(jié)構(gòu)Ti3C2Tx作為ECL信號器，將聚丙烯酸和ZIF-8插入Ti3C2Tx中，以增加表面積和導(dǎo)電性。

(5)中空MOF。利用水熱蝕刻方法制造的中空MOF，既保留了MOFs的原有優(yōu)勢，又表現(xiàn)了很多優(yōu)點(diǎn)。Huang等[26]設(shè)計(jì)了一種空心分層 MOF，它既增加了發(fā)光體的負(fù)載量，也有利于其在框架內(nèi)的電子傳遞。

(6)2D MOF。與3D塊狀MOF相比，2D MOF有更容易獲得修飾位點(diǎn)、縮短電子傳輸距離等特點(diǎn)。Hu等[27]采用2D MOF加載發(fā)光體合成復(fù)合物。再利用抗體的識別作用，改變ECL信號。Yang等[28]將發(fā)光體加載到2D MOL上，再利用Au-S鍵修飾適配體，合成發(fā)光探針。同時(shí)，他們也設(shè)計(jì)了一種聚集誘導(dǎo)發(fā)光復(fù)合物作為信號標(biāo)簽，將信號標(biāo)簽修飾到電極上，再利用Au-S鍵將捕獲探針修飾到信號標(biāo)簽上，可以檢測到高ECL信號[29]。

(7)“雙腳DNA”。將檢測物質(zhì)利用發(fā)起DNA轉(zhuǎn)換為中間雙鏈兩端單鏈的“雙腳DNA”。 Yao等[30]利用催化發(fā)夾自組裝將檢測物轉(zhuǎn)換為DNA探針(H1-H2)。添加H1-H2后，會通過堿基互補(bǔ)配對連接到電極上的單鏈DNA上。添加核酸外切酶和氯化血紅素后，阻礙電子轉(zhuǎn)移，ECL信號降低。Yao等[31]利用適配體和蛋白的特異性識別制作雙足行走分子機(jī)。當(dāng)添加分子機(jī)后，部分DNA雙鏈解鏈，再利用Fc降低ECL信號。

3.4 檢測核苷酸

微小RNAs(miRNAs)常被用于作為腫瘤分子檢測的生物標(biāo)志物。Bai等[32]將Ru(bpy)32+封裝到MOF中合成Ru@MOF作為發(fā)光體。Wang等[33]利用螯合作用制備ZnMOF-Ru復(fù)合物，再ZnMOF-Ru表面修飾鏈霉親和素合成發(fā)光探針。Jian等[34]利用Hg2+對特定MOF的破壞作用，改變ECL信號。Zhang等[35]利用Fe-MIL-88 消耗共反應(yīng)物中間體，導(dǎo)致ECL信號改變，合成檢測miRNAs的生物傳感器。

將2D MOF作為法拉第籠，同時(shí)具有ECL發(fā)光器的功能。DNA用于對法拉第籠的固定，同時(shí)具有檢測的功能。Shao等[36]設(shè)計(jì)了一種檢測miRNA-141的法拉第籠生物傳感器。捕獲探針部分與miRNA-141雜交，其余部分與Ru-MOF上的信號DNA連接，形成法拉第籠形狀。他們還利用同一概念，設(shè)計(jì)了同時(shí)檢測兩種miDNA的法拉第籠生物傳感器[37]。

3.5 檢測外泌體

前列腺特異性抗原 (PSA) 是檢測前列腺癌最重要的生物標(biāo)志物[38]。Shao等[39]設(shè)計(jì)了一種檢測PSA的傳感器。由于探針Fe-MIL-88 MOF對發(fā)光體NIR QDs有猝滅作用，導(dǎo)致陰極上ECL信號降低。

利用2D MOF可以加載較多聚集誘導(dǎo)發(fā)光物質(zhì)(AIE luminogen，AIEgen)而具有更高的ECL信號。Yang等[40]利用這一概念設(shè)計(jì)了一種Hf-ETTC-MOL復(fù)合物作為傳感器的發(fā)光體。由于2D MOF通過配位鍵限制AIE配體的分子內(nèi)運(yùn)動和縮短反應(yīng)路徑，所以Hf-ETTC-MOL可以表現(xiàn)出優(yōu)異的ECL性能。

3.6 檢測癌細(xì)胞

在癌細(xì)胞中，端粒酶不隨細(xì)胞分裂而失活。所以將端粒酶認(rèn)為是細(xì)胞癌變的生物標(biāo)志物[41]。Xiong等[42]利用端粒酶和脫氧核糖核苷三磷酸會在Fe3O4納米粒子表面形成重復(fù)核苷酸序列的功能，并在添加發(fā)卡DNA和核酸外切酶后，將端粒酶活性信號轉(zhuǎn)換成ECL信號。其檢測限為11個(gè)海拉細(xì)胞。

3.7 ATP

三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)水平與生物系統(tǒng)的紊亂和功能障礙密切相關(guān)[43]。Nie等[44]設(shè)計(jì)了一種利用納米表面能量轉(zhuǎn)移(nanosurface energy transfer，NSET)策略測定ATP的生物傳感器。將量子點(diǎn)與鐵基MOF利用透明質(zhì)酸連接到電極上，再添加一端修飾AuNPs的適配體，通過堿基互補(bǔ)配對，導(dǎo)致AuNPs接近量子點(diǎn)產(chǎn)生NSET作用，從而檢測到低背景信號。當(dāng)添加檢測物ATP后，雙鏈解鏈，ECL信號升高。

4 結(jié) 語

回顧了基于DNA功能化MOFs傳感器在電化學(xué)發(fā)光檢測方法上的生物應(yīng)用的最新進(jìn)展。MOFs的元素組成和結(jié)構(gòu)的可變性，DNA的可編程、特異性，使得將DNA與MOFs結(jié)合使用下，構(gòu)造的生物傳感器具有高靈敏度和高特異性。

然而，為了獲得更高效、更穩(wěn)定的生物傳感器，仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，MOFs的結(jié)構(gòu)和形態(tài)會影響傳感器的性能。而且，大部分MOFs的水穩(wěn)定性都不是很好。因此，需要設(shè)計(jì)水穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的MOFs。還需要增強(qiáng)DNA功能化MOFs在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。例如，在全血環(huán)境下，血液中包含各種核酸酶，可能會對DNA或適配體進(jìn)行切割，導(dǎo)致傳感器失去作用?？傮w來說，DNA功能化MOFs傳感器在許多方面仍有廣泛前景。