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    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)行檢測分析，具有成本低、靈敏度高、操作簡便、效率高、可自動(dòng)化、實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)勢。

 

     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，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?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，MOFs材料可用于構(gòu)建電化學(xué)適體傳感器。來自成都醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院的朱彤、岑耀穎等研究人員主要綜述了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。

 

1.1 提高電極表面的導(dǎo)電性

 

     電化學(xué)傳感器的檢測是通過敏感元件識(shí)別待測物質(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)電性和檢測的靈敏度。

 

     FU等在適體傳感器的設(shè)計(jì)中，將金納米粒子(AuNPs)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血小板反應(yīng)蛋白(TSP-1)進(jìn)行檢測，檢出限為0.13fg·mL-1。

 

     SUN 等合成了具有多孔結(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362.8m2·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)對白巧克力和牛軋?zhí)侵邢闾m素的檢測，在一定范圍內(nèi)香蘭素的濃度對數(shù)與其對應(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，從而提高適體鏈固載的親合力、穩(wěn)定性和數(shù)量。

 

1.2.1 提高適體鏈固載的親合力

 

     在適體傳感器檢測中，底物與適體鏈的結(jié)合力會(huì)直接影響檢測的準(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OTC的親合力，有效增強(qiáng)了傳感器的檢測性能，檢出限為17.4fg·mL-1。

 

     SHEN等研究表明，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28d，通過直接與間接的方法檢測其穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，采用直接法，適體傳感器在第7，14，21，28d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7，14，21，28d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。根據(jù)文獻(xiàn)提出的通過“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)15d檢測分別含有0.001μg·L-1和1.0μg·L-1蛋白酪氨酸激酶-7(PTK-7)的0.1·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，測定值的相對標(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PTK-7，兩種方法的檢出限分別為0.84，0.66ng·L-1。

 

     同樣，基于MOF-on-MOF策略，WANG等合成了雙金屬鋱鐵-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)4000m2·g-1以上，其表面大量的活性位點(diǎn)可提高對金屬離子、適配體的固載量。

 

     CHEN等合成了一種名為氨基UiO-66(UiO-66-NH2)的MOFs材料，其比表面積為992.5m2·g-1，孔徑約為2.8nm，可固載大量的Pb2+、Cd2+等金屬離子以及待測物的適配體。采用該MOFs材料所構(gòu)建的電化學(xué)適體傳感器可檢測卡那霉素(KANA)與OTC，檢出限(3S/N)分別為0.15，0.18pmol·L-1。

 

     SHEN等合成了具有棒狀結(jié)構(gòu)的Ce-MOF，其粒徑為４~5μm，寬度為400~500nm，可固載大量的核酸鏈。采用AuNPs包裹Ce-MOF，構(gòu)建了檢測脂多糖(LPS)的電化學(xué)適體傳感器，利用該適體傳感器對LPS進(jìn)行測定，線性范圍在100μg·L-1以內(nèi)，檢出限為3.3fg·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)，因而可作為電活性物質(zhì)用于電化學(xué)傳感器的構(gòu)建。

 

     WU等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”式檢測結(jié)構(gòu)。利用該適體傳感器對凝血酶進(jìn)行檢測，線性范圍為5×10-2~5×104pmol·L-1，檢出限為0.016pmol·L-1。

 

     楊陽制備了鉑納米粒子(PtNPs)功能化的復(fù)合材料PtNPs＠Co(II)MOFs＠PtNPs，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凝血酶的方法，該方法具有檢出限低(0.33fmol·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KANA 和氯霉素(CAP)的檢測。接著，用該材料固載KANA、CAP適配體的互補(bǔ)DNA(cDNA)，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)與其對應(yīng)的方波伏安信號(hào)成正比。

 

    HE等用鋯-有機(jī)骨架(Zr-MOFs)固載MB，然后連接適配體(Apt)檢測棒曲霉毒素(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2000Ω，當(dāng)檢測到PAT時(shí)，信號(hào)標(biāo)簽脫落，Ret值減小至1172Ω，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)建了檢測赭曲霉毒素的電化學(xué)適體傳感器，并且Co/Fe-MOFs對Thi的還原具有電催化活性。

 

     HE等合成了鉑、鎳摻雜的鈷-有機(jī)骨架(PtNi＠Co-MOF)，通過Pt-N鍵、Pt-S鍵在PtNi＠Co-MOF上固載DNA鏈，構(gòu)成了3D結(jié)構(gòu)化的DNA-PtNi＠Co-MOF，然后用信號(hào)標(biāo)簽Thi標(biāo)記。當(dāng)待測物玉米赤霉烯酮(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-PtNi＠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ZEN的高靈敏檢測。

 

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，可通過對底物的催化來提高適體傳感器的檢測性能。

 

     WANG等發(fā)現(xiàn)鐵-萊瓦希爾骨架材料(Fe-MIL-88A)對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，F(xiàn)e-MIL-88A電位值為＋40.2mV，當(dāng)固載適體鏈結(jié)合凝血酶分子后，F(xiàn)e-MIL-88A電位值降至-9.57mV。

 

    禹華基于Ce(Ⅲ,Ⅳ)-MOF對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0.06fmol·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。

 

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)適體傳感器的檢測性能，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的快速、高靈敏度、高特異性檢測，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。