金屬-有機骨架材料在電化學適體傳感器中的應用進展

朱 彤,岑耀穎,謝 智,阮 佳,蘇會嵐

(成都醫學院 公共衛生學院,成都 610000)

適體是指采用配體指數富集法系統演化技術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合。電化學適體傳感器是以核酸適體為分子識別元件,根據適體與目標配體結合前后電化學信號差異進行檢測分析,具有成本低、靈敏度高、操作簡便、效率高、可自動化、實時監測等優勢[1]。

金屬-有機骨架(MOFs)材料是由無機金屬中心(金屬離子或金屬簇)和橋連的有機配體通過自組裝相互連接而形成的一類具有周期性網絡結構的晶態多孔材料,具有優異的物理及化學特性[2-5],如結構豐富、比表面積大、孔隙率高、金屬位點多、催化能力強等。基于上述特點,MOFs材料可用于構建電化學適體傳感器[6-8]。本工作主要綜述了MOFs材料在電化學適體傳感器中敏感界面的構建、信號標簽、酶模擬等方面的應用。

1 敏感界面的構建

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,已被用于電化學適體傳感器中敏感界面的構建,以提升其電極性能[9-12]。

1.1 提高電極表面的導電性

電化學傳感器的檢測是通過敏感元件識別待測物質前后電信號的變化而實現的。電極表面的導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率,可提高電極表面的導電性和檢測的靈敏度[13-14]。

FU等[15]在適體傳感器的設計中,將金納米粒子(Au NPs)原位還原到鈰-有機骨架(Ce-MOF)表面,在玻碳電極上形成了穩定的納米復合材料Ce-MOF＠Au。結果表明,當電極表面修飾Ce-MOF＠Au時,峰電流強度明顯增大,說明Ce-MOF＠Au具有較強的電子轉移能力;利用該適體傳感器對血小板反應蛋白(TSP-1)進行檢測,檢出限為0.13 fg·mL－1。SUN 等[16]合成了具有多孔結構超導電炭黑/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適體傳感器的構建,可實現對白巧克力和牛軋糖中香蘭素的檢測,在一定范圍內香蘭素的濃度對數與其對應的電流強度與呈線性關系,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、穩定性和數量[18-19]。

1.2.1 提高適體鏈固載的親合力

在適體傳感器檢測中,底物與適體鏈的結合力會直接影響檢測的準確度和靈敏度。如何通過構建敏感界面保持或增強適體親合力是研究難點之一。CHEN等[20]利用三聚氰胺氰脲酸鹽(MCA)合成了納米復合物Ce-MOF＠MCA;并基于Ce-MOF＠MCA優異的電化學活性,構建了土霉素(OTC)適體傳感器。結果表明,適體鏈與MOFs材料可通過π-π堆積、強靜電作用深入固載到Ce-MOF＠MCA網格內部,提高其對OTC的親合力,有效增強了傳感器的檢測性能,檢出限為17.4 fg·mL－1。SHEN等[21]研究表明,由鐵-有機骨架(Fe-MOF)和介孔納米膠囊Fe3O4＠C合成的新型核-殼納米結構復合材料Fe-MOF＠m Fe3O4＠m C,能有效增強適體鏈的親合力,所構建的適體傳感器在檢測Pb2＋與As3＋時具有高靈敏度、高選擇性以及低檢出限的特點。

1.2.2 提高適體鏈固載的穩定性

MOFs材料活性位點多,比表面積大,可通過共價鍵、靜電吸附等作用固定適體鏈,并利用自身的高穩定性來提高適體鏈固載的穩定性。WU等[22]利用無機沸石咪唑骨架(ZIF)的高穩定性及硫堇(Thi)的電化學活性,合成了納米粒子ZIF-8-Thi-Au,并固載互補鏈形成信號探針。將該適體傳感器于4℃儲存28 d,通過直接與間接的方法檢測其穩定性。結果顯示,采用直接法,適體傳感器在第7,14,21,28 d的響應電流值分別為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定性。文獻[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材料的穩定性和適體探針與目標物的親和力,并據此構建了檢測鮑曼不動桿菌與跨膜蛋白MUC1的適體傳感器。

此外,還可通過構建雙金屬多層結構來提高固載的穩定性。ZHOU等[26]通過 MOF-on-MOF(一種核殼結構)方法制備了兩種ZnZr雙金屬結構的MOFs材料Zn-MOF-on-Zr-MOF和Zr-MOF-on-Zn-MOF,前者為層次化葉片結構,粒徑約為(10±2)μm;后者為多層納米片結構,這種雙金屬MOFs材料增強了適體鏈構成G-四鏈體的穩定性。將Zn-MOF-on-Zr-MOF的適體傳感器于4℃儲存,連續15 d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 mol·L－1磷酸鹽緩沖溶液,兩種溶液中均未出現明顯的響應變化,測定值的相對標準偏差(RSD,n＝15)分別為3.38%,1.24%,說明該適體傳感器的穩定性較好。在質量濃度為0.001μg·L－1和1.0μg·L－1的PTK-7溶液中,采用電化學阻抗法(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0.84,0.66 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-有機骨架(Tb-MOF)與Fe-MOF的共同作用下,適體鏈固載的穩定性明顯提高。

1.2.3 提高適體鏈的固載量

MOFs材料比表面積通常達4 000 m2·g－1以上[28],其表面大量的活性位點可提高對金屬離子、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物的適配體。采用該MOFs材料所構建的電化學適體傳感器可檢測卡那霉素(KANA)與OTC,檢出限(3S/N)分別為0.15,0.18 pmol·L－1。SHEN等[21]合成了具有棒狀結構的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,構建了檢測脂多糖(LPS)的電化學適體傳感器,利用該適體傳感器對LPS進行測定,線性范圍在100μg·L－1以內,檢出限為3.3 fg·mL－1。

2 信號標簽

常采用包埋法、共價結合等方式將電活性物質[如Thi、亞甲基藍(MB)、二茂鐵等]修飾在電極上,其電信號強度易受固載方式和電極材料的影響。研究發現,部分MOFs材料可直接產生電信號[29-31],因而可作為電活性物質用于電化學傳感器的構建[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鎳-有機骨架(Ni-MOF),發現該物質具有氧化還原活性以及良好的磁性有序中間體,可以實現內源性氧化還原。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”式檢測結構。利用該適體傳感器對凝血酶進行檢測,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。

MOFs材料還可固載電活性物質來組成信號標簽。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DNA(c DNA),構成了兩種信號標簽 NMOF＠Mn＋/cDNA,目標物濃度在一定范圍內與其對應的方波伏安信號成正比。HE等[37]用鋯-有機骨架(Zr-MOFs)固載MB,然后連接適配體(Apt)檢測棒曲霉毒素(PAT),當MB＠MOF-Apt與電極上Apt的互補鏈雜交后,電荷轉移阻抗(Ret)值增大至2 000Ω,當檢測到PAT時,信號標簽脫落,Ret值減小至1 172Ω,并且該適體傳感器具有靈敏度高、穩定性與重現性好的優點。

WANG等[38]基于氨基-鈷-有機骨架(NH2-Co-MOF)合成了鈷/鐵-有機骨架(Co/Fe-MOFs),并利用其催化Thi進行信號放大,構建了檢測赭曲霉毒素的電化學適體傳感器,并且Co/Fe-MOFs對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,構成了3D結構化的DNA-Pt Ni＠Co-MOF,然后用信號標簽Thi標記。當待測物玉米赤霉烯酮(ZEN)出現時,閉合的適體鏈識別ZEN后打開,并與電極探針雜交,觸發酶切循環,DNA-Pt Ni＠Co-MOF與切割后的電極探針雜交,使DPV響應電流顯著增高,從而實現對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放大策略之一,通過催化底物、提高電子轉移效率來增強響應信號,但天然酶類成本高,催化效果易受反應條件和固載酶量的影響。近年來,有研究發現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[40]發現鐵-萊瓦希爾骨架材料(Fe-MIL-88A)對3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)具有較強的催化活性,當TMB溶液中加入Fe-MIL-88A后,溶液顏色變為亮藍色,紫外光譜出現了明顯的吸收峰,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,當適體鏈與凝血酶分子結合后,催化被阻斷。從Zeta電位可知,Fe-MIL-88A電位值為＋40.2 m V,當固載適體鏈結合凝血酶分子后,Fe-MIL-88A電位值降至－9.57 m V。禹華[41]基于Ce(Ⅲ,Ⅳ)-MOF對Thi較高的催化作用,構建了凝血酶適體傳感器,其檢出限低至0.06 fmol·L－1。進一步研究表明,可通過調控MOFs材料表面的電荷狀態來改善其催化性能,為MOFs材料的模擬酶領域研究提供了思路[42]。

4 結論

本工作綜述了MOFs材料及其復合物在電化學適體傳感器領域的應用。MOFs材料具有比表面積大、孔徑可調、孔隙率高、穩定性好等特點,可從敏感界面的構建、信號標簽、酶模擬幾個方面來提高電化學適體傳感器的檢測性能:如通過合成導電性能良好的MOFs材料,提高電子轉移效率;對MOFs材料表面改性來提高模擬酶性能,實現信號的催化放大;通過改良MOFs材料提高其對適體鏈固載的親合力、穩定性和數量等,從而增強適體傳感器的檢測性能,實現對目標物的快速、高靈敏度、高特異性檢測,以期在食品安全、臨床診斷等領域充分發揮MOFs材料的價值。