基于微納米金屬有機框架的汗液生物傳感研究

陳至威 陳艷霞＊ 秦雷

北京信息科技大學傳感器北京市重點實驗室，北京 100101

0 前言

目前，人們越來越重視自身的健康狀況，血液也一直被認為是檢測人體健康的首選分析物。但是，抽血檢查容易受到感染，具有一定的創傷性。相比之下，汗液檢測是一種非侵入性的分析手段，汗液較容易在表皮上獲取和收集，而且汗液中含有多種與健康評估和疾病診斷有關的生物標志物[1]，如pH、葡萄糖、乳酸、蛋白質、鈣離子、氯離子等。因此，汗液傳感分析作為一種無創檢測方式，對于疾病診斷有著極其重大的意義。

隨著納米材料的引入，基于納米材料的新型生物傳感界面發展迅速[2]。金屬有機框架（metal-organic framework，MOF）材料是一類新型多孔晶體材料[3]，是由金屬離子/團簇和有機橋接配體配位而成的一維、二維或三維結構。金屬有機框架具有結構與孔道尺寸可調控性、多孔性、比表面積大、組成多樣、金屬位點不飽和性等特點[4-5]。近年來，金屬有機框架也作為一種新興傳感材料被廣泛應用于食品、環境、重金屬、有毒氣體等檢測[6-11]。郭穎等人[6]利用分子印跡聚合物、石墨烯量子點以及金屬有機框架制備了一種熒光傳感器，用于檢測食品中的強力霉素，其檢出限低至0.029 mg/L。劉娜等人[7]利用金屬有機框架材料摻雜的水凝膠（PAAM-SA/MOF）快速萃取和檢測養殖水體中孔雀石綠。韓璐等人[8]利用3種鑭系元素Ce、Tb、Gd合成了金屬有機框架納米酶，并將其用于多巴胺（DA）的快速、靈敏檢測，其檢出限為6.47×10-8M。趙吉星等人[9]以Zn/Co-ZIF為前驅體，制備了雙金屬MOF衍生ZnCo多孔碳骨架，并用它來修飾電極，制備出一種新型的電化學傳感器，用于水環境中Hg(Ⅱ)的檢測，具有較好的靈敏度和較低的檢測限。DANG W等人[10]制備出AuNPs-NH2/Cu-MOF復合材料，用其修飾玻碳電極（GCE），用于H2O2的電化學檢測。劉金彤等人[11]設計了一種多功能的金屬有機框架發光探針，用于對烯啶蟲胺的高靈敏檢測，檢測限可達0.16 μg/mL。

目前，基于金屬有機框架材料的熒光生物傳感器、電化學生物傳感器等，多借助外用精密設備，檢測流程較為復雜，且其在汗液生物傳感中的應用較少。本研究設計了一種基于微納米金屬有機框架的汗液生物傳感界面，用于人體汗液的比色檢測。這種微納米金屬有機框架制備方法簡單，成本低廉，穩定性好，可以長時間保存。本研究通過比色法對汗液中的葡萄糖、pH進行檢測，可以較為直觀地觀察到反應過程中的顏色變化，操作方便，檢測快速、靈敏。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

1.1.1 試劑與材料

載玻片（25.4 mm×76.2 mm×1 mm，帆船牌）、六水合硝酸鋅（（Zn(NO3)2·6H2O，99%，國藥集團化學試劑有限公司）、三乙胺鹽酸鹽（C6H16ClN，99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）、2-甲基咪唑（C4H6N2，98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）、乙醇（75%，Sigma-Aldrich公司）、甲苯（C7H8，Sigma-Aldrich公司）、十八烷基三氯硅烷（OTS，95%，Sigma-Aldrich公司）。

葡萄糖標準溶液（5 mmol/L）、葡萄糖檢測試劑盒、紫色石蕊指示劑、酸堿溶液（pH為5.0～8.0）均購自伊勢久生物科技有限公司。實驗所用的水為去離子水、超純水，其他試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器

數控超聲波清洗機（KQ3200DE）、電熱恒溫干燥箱（DHG-9031A）、電熱鼓風干燥箱（DHG-9075A）、等離子清洗機（CPC-A）、紫外臭氧清洗機、光學接觸角張力測試儀（LSA-100）、掃描電子顯微鏡（SEM）、智能手機（Android）。

1.2 實驗部分

1.2.1 微納米金屬有機框架的制備

將載玻片用超聲波清洗器清洗后，放入40 ℃的鼓風干燥箱中烘干，然后將烘干的載玻片放置在玻璃培養皿中，用等離子清洗機清洗，用乙醇清洗稱量瓶，并自然晾干。

稱取150 mg六水合硝酸鋅，70 mg三乙胺鹽酸鹽，120 mg二甲基咪唑，將其倒入盛有50 mL超純水的離心管中混勻。將清洗干凈的載玻片放置在稱量瓶中，取25 mL配制好的溶液倒入稱量瓶中，用封口膜密封好，將其放到80 ℃的恒溫干燥箱中沉積24小時，制得微納米金屬有機框架基底。

1.2.2 表面改性

用乙醇將稱量瓶清洗干凈，自然晾干，將所制得的微納米金屬有機框架基底用等離子清洗機處理5分鐘。

用移液槍分別取10 mL的甲苯與100 μL的十八烷基三氯硅烷，加入稱量瓶中混勻；然后將潔凈的載玻片放入稱量瓶中，用封口膜密封好，在避光處靜置30分鐘；半小時后取出載玻片，用無水乙醇輕輕沖洗，然后放入120 ℃的鼓風干燥箱中烘干10分鐘或自然晾干，以獲得表面改性的樣品；接著，在樣品表面覆蓋上定制的掩模板，置于紫外臭氧清洗機中圖案化處理10分鐘，得到超浸潤微孔傳感界面。

1.2.3 工作液及濃度梯度溶液配制

配制葡萄糖氧化酶-過氧化物酶（GOD-POD）工作液；另外，利用雙蒸水（ddH2O）配制濃度梯度為 0 mmol/L、1.25 mmol/L、2.5 mmol/L、3.75 mmol/L、 5 mmol/L的葡萄糖梯度溶液，備用。

1.2.4 功能化底物修飾

用移液槍取1 μL GOD-POD工作液滴加在微孔中進行功能化修飾，待溶劑揮發后（室溫下自然靜置10分鐘），用于檢測葡萄糖的活性成分會負載到微孔中，以獲得用于檢測汗液中葡萄糖的檢測區域。

用移液槍取1 μL紫色石蕊指示劑滴加在微孔中進行功能化修飾，待溶劑揮發后（室溫下自然靜置10分鐘），用于檢測pH的活性成分會負載到微孔中，以獲得用于檢測汗液pH的檢測區域。

1.2.5 檢測

用移液槍取1 μL待測液滴加在功能化修飾過的微孔檢測區，觀察顏色反應變化。

1.3 表征

1.3.1 樣品表征

樣品的表面微觀形貌采用掃描電子顯微鏡進行表征，樣品的接觸角采用LSA-100光學接觸角張力測試儀進行測量。

1.3.2 傳感器比色表征

用手機拍攝相同反應時間的不同濃度葡萄糖及不同pH值的比色圖像，并用分析軟件將其數值化為RGB信號的變化趨勢，作出檢測柱狀圖。

RGB，指的是常用的RGB模型，它以R（Red，紅）、G（Green，綠）、B（Blue，藍）3個通道為基礎，且這3個組分的值的范圍均為0到255。當這3種基本色以不同比例進行混合時，會產生不同的顏色。這意味著，在一般情況下，每種顏色均可由其對應的RGB值進行數值化表示。

2 結果與討論

2.1 樣品表征

圖1為微納米金屬有機框架在掃描電子顯微鏡下的表面微觀形貌圖像。從圖中可以看出，金屬有機框架呈大小均勻的米粒狀，參差不齊，相互交疊，孔隙較多，具有較高的粗糙度及較大的比表面積，有利于待測物的牢固吸附與富集，可以提高檢測靈敏度。

圖2（a）為制備出的微納米金屬有機框架在光學接觸角張力測試儀下的圖像，當2 μL的液滴觸碰到微納米界面后會完全鋪展，接觸角接近于0°，呈超親水性；圖2（b）為微納米金屬有機框架經表面改性后在光學接觸角張力測試儀下的圖像，接觸角為154.3±3.0°，呈超疏水性，因此，通過圖案化處理形成的超疏水-超親水傳感界面能夠使待測液滴完全限制在超親水區域內；圖2（c）為2 μL不同濃度的紫色染料滴加到圖案化傳感界面的實物圖，從圖中可以看出，由于浸潤性差異，液滴完全位于超親水微孔中且沒有溢出，液滴之間不會互相干擾，這使得待測液滴能夠富集在檢測區域內，有利于后續樣本的分析檢測。

2.2 檢測性能

2.2.1 葡萄糖檢測

葡萄糖氧化酶能夠催化葡萄糖氧化成葡萄糖酸，繼而產生紅棕色絡合物。圖3是葡萄糖溶液在濃度梯度為0 mmol/L、1.25 mmol/L、2.5 mmol/L、3.75 mmol/L、5 mmol/L的檢測柱狀圖，從圖中可以看出，隨著葡萄糖溶液濃度的增加，其對應的R、G、B值有著明顯的變化趨勢，都隨著葡萄糖溶液濃度的增加而顯著降低。

2.2.2 pH檢測

紫色石蕊試劑是一種常用的酸堿指示劑，遇酸變紅，遇堿變藍。圖4是pH為6、6.5、7、7.5、8的檢測柱狀圖，從圖中可以看出，隨著pH值的變大，溶液由酸性變為堿性，其對應的R值逐漸減小，G、B值的整體趨勢呈先增大后減小。

2.3 人體汗液檢測

收集志愿者有氧運動半小時后的汗液，取1 μL滴加在基于微納米金屬有機框架的功能化微孔中，進行實際人體汗液的葡萄糖與pH檢測，分別進行6組檢測。

圖5（a）是實際汗液的葡萄糖檢測柱狀圖，與圖3進行比對，可以得出，該志愿者的汗液中幾乎沒有葡萄糖，健康狀況良好。

由于出汗率的差異，人體汗液的pH值正常范圍一般為4.2～7.5。圖5（b）是實際汗液的pH檢測柱狀圖，與圖4進行比對，可以得出，該志愿者的汗液pH值在6.5～7之間。

上述檢測結果可以得出，本研究的基于微納米金屬有機框架的生物傳感界面可實現人體汗液的高靈敏、可靠檢測，具有一定的實際應用價值。

3 結束語

本研究制備了微納米金屬有機框架，對其進行表面改性、圖案化處理以及功能化修飾，設計出了一種制備簡單、成本低、穩定性好的汗液生物傳感界面。這種基于微納米金屬有機框架的汗液生物傳感界面實現了葡萄糖、pH的準確比色分析，可用于實際人體汗液檢測。本研究的基于微納米金屬有機框架的汗液生物傳感界面，在多組分生物傳感和生物醫學等領域具有巨大的潛在應用前景。