功能性金属有机框架在生物传感器中的应用

叶梦琦

功能性金属有机框架在生物传感器中的应用

叶梦琦

（温州大学， 浙江 温州 325000）

近年来，金属有机框架（MOFs）领域的飞速发展为新型功能MOFs在各种生物传感领域的应用提供了前所未有的发展机遇。MOFs与多种功能组分的结合，为基于MOFs的生物传感应用带来了新的结构和新的特点，如更高的稳定性、更高的灵敏度、更高的灵活性和更高的特异性。本文简述了近年来功能性MOFs在生物传感范畴的最新研讨进展，在这篇综述中，根据MOFs在生物传感器中的核心作用，简述了MOFs在生物传感器中的应用，包括敏感元件的载体、酶模拟元件、电化学信号和光信号等。最后，对功能性MOFs在生物传感范畴的应用现状和发展趋向进行了展望。

金属有机框架；生物传感器；敏感元素；ZIF-8；电化学传感器

金属有机框架（MOFs）又称多孔配位聚合物，是由有机连接物和金属离子或团簇构成的，近年来发展迅速[1]。MOFs具备大比表面积、高孔隙率、可调结构和尺寸等优势，在气体吸附分离、催化、化学传感器、药物传递和癌症医治等范畴有着宽泛的应用。与基于石墨烯、氧化石墨烯和金纳米粒子的生物传感器相比，基于MOFs的生物传感器具有高负载能力、共轭π-电子系统、柔性孔隙率和开放的金属位点等决定性优势[2]。这些优点也促进了它们在检测生物分子、细菌和细胞方面的应用。纳米MOFs的制备有多种方式，包括水热合成法、微波辅助合成、超声辅助合成和添加剂辅助合成[1]。通过在MOFs合成过程中加入生物活性分子的原位合成方法，可以将生物活性分子与MOFs结合；而后合成是利用生物活性分子修饰MOFs的一种常用方法。

具有大比表面积和可调尺寸的MOFs成为构建复合材料的理想平台。MOFs与其他功能材料的可控合成通常会出现具有新性能或集体性能的多功能复合材料，其性能优于单个组分的简单物理混合物[1]。功能性MOFs的显著特点使其使用宽泛，包含功能性和保护性涂层、储存和分离、多相催化、传感和生物医学等。MOFs广泛应用于各种传感器的开发，特别是用于生物传感器。近年来，相关的研究文章呈指数增长，表明这种新型材料在生物传感领域的重要作用。

本文简述了近年来功能性MOFs生物传感器使用的最新进展。根据MOFs在敏感元件载体、酶模拟元件、电化学信号、光信号和气体传感等生物传感器中的核心作用，概述了MOFs在生物传感中的应用。最后，对MOFs在传感应用中的发展前景和面临的挑战进行了简单讨论。

1 MOFs作为载体及酶模拟元件

1.1 MOFs作为敏感元素的载体

MOFs具备很大的比表面积和吸附能力，使其易于与各种功能材料，如寡核苷酸、抗体、离子、染料和酶等结合。因此，MOFs作为敏感元素的载体被广泛应用于各种生物传感器中。

1.1.1 DNA分子载体

1）寡核苷酸可以基于共价结合或配位化学策略修饰到MOFs上。共价结合策略通常需要MOFs和DNA分子中部分结构进行反应。例如，第一个MOFs纳米颗粒-核酸复合物是通过附加有二苄基环辛烯（DBCO）的DNA和叠氮化物功能化的UiO-66-N3之间的点击反应产生的[3]。此外，富T的ssDNA可以通过π-π堆积和静电相互作用被负载到ZIF-8的表面上[4]，其他的DNA包被物质也可以组装到MOFs的表面，如ssDNA标记的抗体[5]。

2） DNA/MOFs纳米复合材料作为各种敏感材料和信号的放大标签，在生物传感器的发展中得到了广泛的应用。如图1所示，dsDNAs通过吸附作用被功能化到MOFs的表面，电活性染料（MB和TMB）被封入MOFs的空腔中。靶miRNAs和探针DNAs的杂交使电活性染料从MOFs中释放出来，允许同时检测两个miRNAs[6]。

1.1.2 酶的载体

在恶劣的环境条件下保持识别元件的传感能力，对大部分生物传感器尤其是在野外应用中具有重大意义。MOFs的可调孔隙率优点使其在封装各种传感材料如酶、抗体、纳米颗粒（NPs）等方面具有吸引力。

酶是最重要的生物大分子之一，酶法工艺更环保，更具成本效益和可持续性。酶的有效固定化已被广泛研究，来提高酶的可回收性，减少产品中的酶污染，并探索酶在生物医学应用中的新领域。MOFs包埋生物酶的过程属于生物矿化的范畴，在保护酶的生物活性、提高酶在恶劣环境中的稳定性、提高固定化酶的数量等方面发挥着积极的作用。与游离酶相比，MOFs包埋酶具有更好的耐热性、耐有机溶剂性、pH稳定性、贮存稳定性和可重复使用性。因此，表面吸附法、共价键合法、孔包埋法和共沉淀法被应用于酶的固定化。ZIF-8是最常用的用于生物物质封装的MOFs，因为它可以在温和的条件下合成，酶/抗体可以直接加入到前体溶液中结晶。据报道，许多酶被封装到不同的MOFs中，用于开发各种类型的生物传感器，例如ZIF-8中的葡萄糖氧化酶（GOx）和NiPd用于葡萄糖的比色和电化学检测[7]。

1.2 MOFs作为酶模拟元件

部分MOFs具有催化活性（又称纳米酶），包括Cu-MOFs和Fe-MOFs。这些纳米酶具有与天然生物酶相当甚至更强的催化性能，可以在各种生物不友好条件下保持稳定。据报道，二维Cu(bpy)2(OTf)2(bpy =4,4-联吡啶，OTf=三氟甲烷磺酸盐)MOF纳米片具有固有的过氧化物酶样活性，可以用于H2O2和葡萄糖的荧光检测[8]。

2 MOFs用于电化学信号

2.1 导电材料MOF复合材料

MOFs原有的扩散慢、传质小、导电率低等特点，极大地阻碍了其电化学应用。为了提高它们的电活性，导电材料和其他电活性材料已与MOFs结合。MOFs/石墨烯、MOFs/CNTs、MOFs/导电聚合物、MOFs/多孔炭等是提高传感器电化学活性的重要途径。例如，负载在有序介孔碳复合材料上的Cu-MOFs可用于肼的检测[9]。

图1 （A）DNA和电活性染料功能化MOFs的制备工艺 （B）同时检测两个miRNA的工作原理

3 MOFs用于光学生物信号

3.1 荧光信号

一些MOFs具有优良的荧光功能，主要包括Cd-MOFs、Eu-MOFs和Tb-MOFs。这些MOFs的荧光特性可以被调节以用于生物传感器的发展。例如，鱼精蛋白可以有效地抑制Tb-MOF的荧光发射，以灵敏地检测鱼精蛋白[10]。通过Tb-MOFs的荧光发射，能够有效地调控分散/聚集的AuNPs，可用于适体辅助前列腺特异性抗原（PSA）的检测。

4 结论与展望

可调孔径、柔性网络、高比表面积和易于功能化，使MOFs适合于多种生物传感应用。MOFs与聚合物、碳材料、金属纳米粒子等材料结合，可以在生物传感应用中实现协同效应。事实上，近年来国内外对MOFs及其复合材料的生物传感应用进行了大量的研究，显示出良好的应用前景。

虽然在这一领域已经取得了重大发展，但功能性MOFs的一些局限性已经成为MOFs生物传感器进一步发展的关键挑战。为了提高基于MOFs的生物传感器的性能，需要更多的研究工作来解决这些局限性。例如，在应用于生物传感领域之前，应考虑并提高其稳定性和生物相容性。为了减少毒性和提高生物相容性，最合适的金属是Ca、Cu、Mg、Mn、Zn、Fe或Ti，它们具有生物相容性，适合于细胞和生物分子传感。为了提高稳定性，需要分别考虑金属盐、配体和MOFs的毒性，因为有些MOFs在生理条件下并不稳定，可能会导致一次毒性效应。因此，实现高稳定性、低毒性、高生物相容性的功能性MOFs是MOFs生物传感器的主要发展方向之一。

另一方面，因为MOFs的多孔构造和高表面积，使其在酶的固定化和包封方面得到了广泛的应用。与微孔和纳米孔相比，大孔可能更适合酶的装载。然而，由于有机配体合成的复杂性，制备更大孔径的MOFs就很有必要。此外，大多数MOFs是在有机溶剂的高温高压下合成的，可以分解酶。将酶包入MOFs后，需要系统地考虑酶的结构、构象和稳定性。此外，固定化酶的稳定性、环化性、敏感性等也需要综合考虑。对于电化学和光学生物传感器来说，低导电性和光效率是主要的限制。由于MOFs多为非传导性，其在生物传感器中的作用主要集中在信号放大、生物分子载体或纳米材料载体上。因此，随着各种直接电化学方法的广泛应用，导电材料的发展将为生物传感器的研究开辟新的途径。开发利用新型光学元件获得光学效率更高的功能MOFs的新方法，将有助于开发新型基于MOFs的光学生物传感器。因此，开发先进的功能化策略，在温和的条件下更高效、稳定地将酶、导电元件或光学元件与MOFs相结合，对改善基于MOFs的生物传感器的性能具有重大意义。

［1］JIAO L, SEOW J Y R, SKINNER W S. Metal organic frameworks Structures and functional applications［J］., 2019, 27: 43-68.

［2］OSMAN D I, EL-SHEIKH S M, SHETA S M, Nucleic acids biosensors based on metal-organic framework (MOF): Paving the way to clinical laboratory diagnosis［J］., 2019, 141: 111451.

［3］MORRIS W, BRILEY W E, AUYEUNG E. Nucleic Acid-Metal Organic Framework (MOF) Nanoparticle Conjugates［J］., 2014, 136 (20): 7261-7264.

［4］WANG L, ZHI W J, LAN D S, HRP@ZIF-8/DNA Hybrids: Functionality Integration of ZIF-8 via Biomineralization and Surface Absorption［J］., 2019, 7 (17): 14611-14620.

［5］ZHANG G Y, SHAN D, DONG H F, DNA-Mediated Nanoscale Metal- Organic Frameworks for Ultrasensitive Photoelectrochemical Enzyme-Free Immunoassay［J］., 2018, 90 (20): 12284-12291.

［6］CHANG J F, WANG X, Wang J. Nucleic Acid-Functionalized Metal- Organic Framework-Based Homogeneous Electrochemical Biosensor for Simultaneous Detection of Multiple Tumor Biomarkers［J］. Analytical Chemistry, 2019, 91 (5): 3604-3610.

［7］WANG Q, ZHANG X, HUANG L. GOx@ZIF-8(NiPd) Nanoflower: An Artificial Enzyme System for Tandem Catalysis, Angewandte Chemie- International Edition, 2017, 56 (50): 16082-16085.

［8］SHI M Y, XU M, GU Z Y. Copper-based two-dimensional metal-organic framework nanosheets as horseradish peroxidase mimics for glucose fluorescence sensing［J］., 2019, 1079: 164-170.

［9］WANG L, TENG Q, SUN X. Facile synthesis of metal-organic frameworks/ ordered mesoporous carbon composites with enhanced electrocatalytic ability for hydrazine［J］., 2018, 512: 127-133.

［10］QU F, LI X N, LV X X, Highly selective metal-organic framework- based sensor for protamine through photoinduced electron transfer［J］., 2019, 54 (4): 3144-3155.

Application of Functional Metal-organic Frameworks in Biosensors

（Wenzhou University, Wenzhou Zhejiang 325000, China）

In recent years, the rapid development of metal organic framework (MOFs) provides an unprecedented development opportunity for the application of new functional MOFs in various biosensors. The combination of MOFs with a variety of functional components brings new structures and features for MOFs-based biosensor application, such as higher stability, higher sensitivity, higher flexibility and higher specificity. In this paper, the latest research progress of functional MOFs in the field of biosensing in recent years was introduced. According to the core role of MOFs in biosensors, the application of MOFs in biosensors was discussed, including carrier of sensitive elements, enzyme analog elements, electrochemical signals and optical signals. Finally, the application status and development trend of functional MOFs in biosensors were prospected.

Metal-organic frameworks; Biosensors; Sensitive elements; Zeolitic imidazolate framework-8; Electrochemical sensors

2020-05-07

叶梦琦（1995-），女，硕士学位，浙江省杭州市人，研究方向：生物材料的研究与开发。

何华成（1985-），男，讲师，博士学位，研究方向：生物医药材料。

TQ 050.4+3

A

1004-0935（2020）07-0897-03