二維金屬有機(jī)框架的制備及其在生物傳感器領(lǐng)域的研究進(jìn)展

陳國(guó)珍,趙鍇，張玉娟,黨璐,鄭建斌

( 1.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054；2.西安和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司，陜西 西安 710075；3.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))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(lái)，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(jí)電容以及熱導(dǎo)性等[1-3]。近年來(lái)，過(guò)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(jī)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(dú)特的性能。

1 二維金屬有機(jī)框架簡(jiǎn)述

MOF是一種晶體多孔材料，是由含金屬的節(jié)點(diǎn)(如金屬離子和簇)與有機(jī)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(lái)化學(xué)和材料領(lǐng)域發(fā)展最快的研究領(lǐng)域之一，因?yàn)镸OF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(diǎn)[12]。因此，MOF在催化、傳感、儲(chǔ)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(gè)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(jī)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(diǎn)和有機(jī)配體直接合成二維MOF納米片。兩類方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，頂向下是一種簡(jiǎn)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(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，產(chǎn)率低，不能用于大規(guī)模的生產(chǎn)。開發(fā)新的方法來(lái)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(duì)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(qiáng)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(lái)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(jī)框架納米材料在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 DNA檢測(cè)

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(cè)DNA的熒光方法。利用MOF對(duì)單鏈DNA和雙鏈DNA的親和性不同，基于加入待測(cè)目標(biāo)DNA前后熒光信號(hào)的變化檢測(cè)DNA。沙門氏菌、李斯特菌和副溶血性弧菌基因片段的檢測(cè)限分別為28,35,15 pmol/L。該方法具有簡(jiǎn)單，快速，選擇性好，廉價(jià)以及高通量等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)。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(cè)平臺(tái)。基于Cu-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(shí)檢測(cè)多個(gè)DNA目標(biāo)。 研究表明，制備的2D MOF具有較好的猝滅能力，對(duì)ssDNA有很好的吸附能力，結(jié)果表明熒光信號(hào)猝滅是由于2D MOF所引起的，進(jìn)而驗(yàn)證合成過(guò)程中所用到的PVP不會(huì)引起熒光猝滅。研究結(jié)果表明基于Cu-TCPP 2D MOF對(duì)DNA的檢出限為20 pmol/L，線性范圍為0～5×10-9mol/L。這比之前報(bào)道的基于MOF粒子的熒光檢測(cè)要低得多，并且與基于其他2D納米材料的熒光檢測(cè)相媲美。重要的是，我們的2D Cu-TCPP納米薄片熒光傳感器也實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)多個(gè)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(jì)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(chǔ)能和電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 microRNA檢測(cè)

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(cè)miR3123傳感平臺(tái)。通過(guò)二茂鐵修飾探針DNA電化學(xué)信號(hào)的改變檢測(cè)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(hào)比較高；當(dāng)加入目標(biāo)物miR3123，探針DNA和目標(biāo)物互補(bǔ)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(hào)降低，達(dá)到間接檢測(cè)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(shí)際樣品的檢測(cè)。該研究工作為進(jìn)一步探索先進(jìn)的分析方法高效檢測(cè)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(gè)新的思路。

2.3 H2O2檢測(cè)

Bai研究組[25]通過(guò)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(guò)循環(huán)伏安法對(duì)H2O2進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明,Cu-TCPP nanofilm/CNT復(fù)合物對(duì)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(duì)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(cè)以及儲(chǔ)能等應(yīng)用。

Ma研究組[26]通過(guò)原位合成Ag NPs/Cu-TCPP納米復(fù)合物對(duì)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(diǎn)。

Chen課題組[27]基于金屬鎳-有機(jī)骨架二維納米片具有增強(qiáng)過(guò)氧化物酶納米酶活性，構(gòu)建H2O2比色傳感器。催化機(jī)理研究表明，Ni-MOF納米片與辣根過(guò)氧化物酶(HRP)相比，Ni-MOF納米片對(duì)兩種底物(TMB和H2O2)具有更高的親和力。此外，該傳感器簡(jiǎn)單、靈敏、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)。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(jiǎn)單，適用于POC測(cè)試。因?yàn)槟繕?biāo)可以用比色法或肉眼檢測(cè)，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(cè)，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(cè)

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(cè)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(duì)。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(jì)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(shí)，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(hào)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(lái)，熒光信號(hào)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(qiáng)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(hào)又被猝滅，導(dǎo)致熒光信號(hào)降低。基于探針P-DNA與Hg2+和 I-作用前后熒光信號(hào)的差異，檢測(cè)Hg2+和 I-。在最優(yōu)條件下，該傳感器通過(guò)熒光“開-關(guān)”機(jī)制依次檢測(cè)Hg2+和 I-，檢測(cè)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(duì)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(yáng)離子的選擇性檢測(cè)研究提供了新的思路。

2.5 生物分子檢測(cè)

Zhu 研究組[29]建立了一種簡(jiǎn)便、靈敏的血糖測(cè)定方法，對(duì)糖尿病的早期臨床診斷和治療具有重要意義。針對(duì)當(dāng)前分析方法的缺陷，該研究組提出一步快速檢測(cè)尿液中葡萄糖的化學(xué)發(fā)光方法。基于新型2D-MOF納米片的催化作用，開發(fā)了一種簡(jiǎn)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(guò)檢測(cè)H2O2間接檢測(cè)葡萄糖。該工作首先合成了具有過(guò)氧化物酶活性的二維金屬-有機(jī)骨架(2D MOF)納米片，該納米片可以催化過(guò)氧化氫(H2O2)的分解，進(jìn)一步氧化魯米諾產(chǎn)生強(qiáng)的化學(xué)發(fā)光信號(hào)。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(gè)簡(jiǎn)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(cè)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(duì)生成的H2O2進(jìn)行分解，對(duì)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(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的快速測(cè)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(jiǎn)單，靈敏等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠用于實(shí)際樣品的檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)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(cè)具有重要的意義，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟鞣N生物過(guò)程和許多疾病中起著至關(guān)重要的作用。與單個(gè)傳感器一次檢測(cè)一個(gè)特定磷酸鹽相比，傳感器陣列能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)磷酸鹽。雖然納米材料的傳感器陣列在識(shí)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(bǔ)這一空白，Qin研究組[30]構(gòu)建了二維金屬-有機(jī)骨架(2D-MOF)納米酶?jìng)鞲衅麝嚵校ㄟ^(guò)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(guò)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(shí)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(shí)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(guò)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(guò)程被傳感器陣列清晰地監(jiān)控。該項(xiàng)研究為磷酸鹽檢測(cè)及相關(guān)酶解過(guò)程提供了方便可靠的分析平臺(tái)，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(hào)放大檢測(cè)抗生素的熒光傳感器。為了實(shí)現(xiàn)這一策略，設(shè)計(jì)了一種發(fā)夾探針(HP)作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器，SG直接與dsDNA結(jié)合的非標(biāo)記抗生素檢測(cè)方法。Cu-TCPP納米薄片對(duì)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(jiǎn)單靈敏的檢測(cè)提供了一種新的途徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，以二維金屬有機(jī)框架為基體制備納米復(fù)合物材料的實(shí)驗(yàn)和理論研究拓展了二維金屬有機(jī)框架的應(yīng)用。二維金屬有機(jī)框架在催化、光學(xué)、電學(xué)、生物傳感器、超級(jí)電容器等方面有著非常重要的應(yīng)用潛力，成為近年來(lái)材料領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。目前二維金屬有機(jī)框架材料的研究還面臨著許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，例如二維金屬有機(jī)框架與無(wú)機(jī)納米顆粒的作用機(jī)理、活性位點(diǎn)、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(jī)框架材料的出現(xiàn)，為研究工作者提供了一個(gè)充滿魅力和無(wú)限想象空間的研究對(duì)象，相信在不久的將來(lái)，二維金屬有機(jī)框架定會(huì)在更多的領(lǐng)域得到更為廣泛和深入的應(yīng)用。