DNA功能化MOFs在電化學發光傳感的研究進展

閆娜瑩

(西安石油大學化學化工學院，陜西 西安 710065)

作為電化學技術的一個分支，電化學發光(Electrochemi-luminescence，ECL)具有快速的檢測時間、低標本檢測用量等特點。ECL的基本原理是在電極表面發生電化學和化學發光反應后，產生高能的電子轉移，形成激發態發光[1]。ECL根據一般反應機制大致分為兩大類：湮滅型ECL和共反應物型ECL。DNA功能化金屬有機框架生物傳感器主要采用了共反應物型ECL，通過發光體與共反應物發生氧化或還原反應，產生激發態的中間體的物質，從而產生發光。

金屬有機框架(Metal-organic frameworks，MOFs)由金屬節點和有機配體組成，也稱為配位聚合物[2]。因其具有大表面積和高孔隙率，常被用于作為一些物質的載體平臺。MOFs在傳感[14]、生物醫學[42]等領域有廣泛應用。

DNA具有可編程，特異性識別等優點，被應用于傳感器系統中。在單鏈DNA兩端修飾上具有特殊功能的物質，可以實現傳感器的某種作用。DNA可以被核酸酶切斷，從而可以將檢測物遠離傳感器[3]。DNA功能化MOFs結合了DNA和MOFs兩者的優點，提高了傳感器的可行性。

在這篇綜述中，首先介紹了DNA和MOFs在DNA功能化的MOFs構建的生物傳感器所起到的作用，又說明了DNA與MOFs的連接方式，然后介紹DNA功能化MOFs在檢測離子、小分子、蛋白質、核酸、外泌體、癌細胞等方面的應用，最后說明了前景與挑戰。

1 DNA與MOFs在傳感器中的作用

1.1 MOFs 的作用

(1)作為發光體。如有孔洞的ZIF-8可以作為陰極發光材料，并通過摻雜MoTe2納米粒子催化增強共反應器的還原反應。

(2)加載發光體。發光體可以加載到MOFs的表面和孔隙中，增加檢測的ECL發射強度。常用的發光體有釕化合物、魯米諾、量子點、聚集誘導發光物質等，均可以通過不同方式加載到不同的MOFs上。

(3)作為共反應物。在ECL生物傳感體系中，共振能量轉移(resonance energy transfer，RET)機理常被用于降低ECL信號。發光體在激發態時，將能量轉移到受體后返回基態，而不是以輻射能的方式釋放出來。MOFs在此機制中既可以作為受體，也可以作為供體。

(4)消耗共反應物中間體。MOFs的中心金屬粒子可以與共反應物中間體相互作用，減少其與發光體發生氧化還原反應，降低ECL信號。

(5)法拉第籠。2D MOFs可以作為法拉第籠制備生物傳感器。將發光體、捕獲單元和檢測物包裹在DNA修飾的2D MOFs形成的法拉第籠內，信號單元中的所有發光團都參與電極反應，可以增強檢測的靈敏度。

1.2 DNA的作用

(1)識別檢測物。適配體對其靶標具有高親和力，可以與靶標緊密結合，并且具有反應速度快、可反復使用等優點。適配體的靶標廣泛，例如蛋白質、氨基酸、無機離子和藥物等。

(2)循環檢測。由不同檢測物適配體的互補DNA連接成環狀DNA，再利用金屬粒子與發光體間的RET和表面等離子體共振(surface plasmon resonance，SPR)的轉換分別降低和增強ECL信號，實現多種檢測物的循環檢測。

(3)負載猝滅劑。在DNA的一端連接二茂鐵(Fc)，Fc會猝滅發光，在傳感器中一般用于制造低背景信號。

(4) 轉換檢測物。在DNA上連接檢測物的抗體，檢測物識別后，再通過核酸外切酶進行選擇性裁切出特定的目標DNA片段，即可以將檢測物質轉換為目標DNA(tDNA)。

2 DNA 與 MOFs的連接方式

2.1 共價鍵

DNA與MOFs間可以直接利用配位共價鍵連接。DNA與MOFs連接使用最多的共價鍵是CO-NH鍵，形成過程利用酰胺反應，即含有羧基的MOFs和一端修飾氨基的DNA，通過添加1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亞胺和N-羧基琥珀酰亞胺縮合劑，先活化羧基，然后與胺反應得到酰胺共價鍵。

2.2 吸 附

DNA與MOFs通過其他作用力吸附連接。例如，DNA一端修飾聚合物，聚合物再通過靜電吸附在MOFs上。適配體可以通過π-π堆積作用連接合成DNA-MOFs探針。MOFs外包裹一層檢測物，通過檢測物與適配體的特異性識別作用連接。

3 DNA-MOFs傳感器在電化學中的應用

3.1 檢測離子

Hg2+和胸腺嘧啶脫氧核苷酸通過特異性結合形成T-Hg2+-T結構，Pb2+和聚鳥嘌呤脫氧核苷酸形成G-四鏈體[4-5]。Feng等[6]利用這種特性設計了一種檢測這兩種重金屬離子的傳感器。重金屬離子與核苷酸形成的結構，改變發光體與金屬納米離子間的距離，從而改變ECL信號。

Pb2+可以增強DNA酶的活性，使得雙鏈DNA解鏈。Han等人設計了三種嘌呤發光體(TCPP dots)利用Pb2+催化DNA酶活性使得DNA雙鏈解鏈，添加發卡DNA與解鏈中的未被破壞的單鏈進行雜交[7]。TCPP dots會嵌入到雙鏈中，檢測ECL信號。

3.2 檢測小分子

AuNPs和PbNPs擁有強SPR作用，可以增強ECL信號。同時當其距離發光體很近時，會產生RET作用，降低ECL信號。Feng等[8]利用環狀DNA改變AuNPs和PbNPs與發光體的距離，即利用SPR與RET作用，設計了多檢測性的循環檢測傳感器。Li等[9]只利用RET作用設計了一種單檢測傳感器。該傳感器利用MoS2Qds-PATP/PTCA到NH2-UIO-66的RET作用。Su等將AgNPs作為受體，當添加檢測物后，雙鏈解鏈，AgNPs遠離電極，ECL信號上升[10]。

發光體與MOF間利用不同連接策略，建立一種高背景信號的ECL生物傳感器。Chen等[11]利用Au-NH鍵加載馬拉硫磷適配體，合成發光探針。Liu等[12]設計了一種同時檢測兩種農藥的傳感器。添加檢測物后，與適配體結合，發光探針遠離電極，ECL信號降低。Zhou等[13]將苝衍生物作為發光計與銅基金屬有機框架聯用，合成優秀的ECL信號器。Ding等[14]通過π-π堆積作用，將檢測物適配體加載到ZIF-8上。利用適配體能夠阻斷電子轉移，改變ECL實現檢測。

3.3 檢測蛋白質

(1)檢測物-適配體直接識別。在MOF上修飾適配體，直接添加檢測物后，觀察ECL信號變化。Wang等[15]設計了一種檢測淀粉樣β蛋白傳感器。在有無檢測物的情況下，可以分別在460 nm和620 nm處檢測到高ECL信號。Wu等[16]制備了兩種用于檢測α突觸核蛋白低聚物的ECL傳感器。兩種傳感器都是“on-off”信號實現檢測，但傳感器1有更寬的檢測域，傳感器2的制備更簡單。Zhang 等[17]設計了一種卟啉 MOFs-魯米諾競爭機制，以提供一種用于ECL 的雙信號比率傳感器。在有無檢測物情況下，陰極與陽極產生兩種相反狀態的發光信號。Zhao等[18]設計了檢測物尿嘧啶DNA糖基化酶的傳感器。利用了酶與適配體的識別作用和Fc的猝滅作用。

(2)檢測物轉換為目標DNA。利用抗體識別作用和誘導DNA 鏈置換，將檢測物轉換為tDNA。 Hu 等報道了一種檢測粘蛋白的傳感器[19]。他們使用溶劑輔助配體方法合成高度穩定的介孔發光功能化 MOF，在 tDNA存在的情況下，一端連接Fc發夾DNA打開，添加核酸內切酶后，Fc遠離電極，ECL信號升高。

(3)矩陣配位誘導電化學發光。Huang等[20]首先利用發卡DNA和核酸外切酶將目標檢測蛋白轉換成DNA探針(tDNA)。將聚集誘導發光體加載到MOF上，添加tDNA和核酸外切酶后，Fc-H4與tDNA雜交并且部分DNA鏈斷裂，Fc遠離發光體，ECL信號升高。

(4)設計發光體。通過設計不同類型的發光體，如鋅原卟啉、量子點、層狀發光體等，增強ECL發射信號。Wang等[24]將兩對能量供受體添加到量子點中。既縮短了能量傳遞距離，也增加了量子點的局部濃度，構建了靈敏的ECL探針。Fang 等[21]報道了一種利用鋅原卟啉 IX 作為ECL信號裝置，檢測凝血酶的生物傳感器。Huang等[22]將Zn-Bp-MOFs作為共反應加速器，提高ECL信號。Huang等[23]將共反應物和發光體加載到ZIF-8上，合成復合物。利用核酸外切酶和Fc改變ECL信號。Wang等[25]使用2D層狀結構Ti3C2Tx作為ECL信號器，將聚丙烯酸和ZIF-8插入Ti3C2Tx中，以增加表面積和導電性。

(5)中空MOF。利用水熱蝕刻方法制造的中空MOF，既保留了MOFs的原有優勢，又表現了很多優點。Huang等[26]設計了一種空心分層 MOF，它既增加了發光體的負載量，也有利于其在框架內的電子傳遞。

(6)2D MOF。與3D塊狀MOF相比，2D MOF有更容易獲得修飾位點、縮短電子傳輸距離等特點。Hu等[27]采用2D MOF加載發光體合成復合物。再利用抗體的識別作用，改變ECL信號。Yang等[28]將發光體加載到2D MOL上，再利用Au-S鍵修飾適配體，合成發光探針。同時，他們也設計了一種聚集誘導發光復合物作為信號標簽，將信號標簽修飾到電極上，再利用Au-S鍵將捕獲探針修飾到信號標簽上，可以檢測到高ECL信號[29]。

(7)“雙腳DNA”。將檢測物質利用發起DNA轉換為中間雙鏈兩端單鏈的“雙腳DNA”。 Yao等[30]利用催化發夾自組裝將檢測物轉換為DNA探針(H1-H2)。添加H1-H2后，會通過堿基互補配對連接到電極上的單鏈DNA上。添加核酸外切酶和氯化血紅素后，阻礙電子轉移，ECL信號降低。Yao等[31]利用適配體和蛋白的特異性識別制作雙足行走分子機。當添加分子機后，部分DNA雙鏈解鏈，再利用Fc降低ECL信號。

3.4 檢測核苷酸

微小RNAs(miRNAs)常被用于作為腫瘤分子檢測的生物標志物。Bai等[32]將Ru(bpy)32+封裝到MOF中合成Ru@MOF作為發光體。Wang等[33]利用螯合作用制備ZnMOF-Ru復合物，再ZnMOF-Ru表面修飾鏈霉親和素合成發光探針。Jian等[34]利用Hg2+對特定MOF的破壞作用，改變ECL信號。Zhang等[35]利用Fe-MIL-88 消耗共反應物中間體，導致ECL信號改變，合成檢測miRNAs的生物傳感器。

將2D MOF作為法拉第籠，同時具有ECL發光器的功能。DNA用于對法拉第籠的固定，同時具有檢測的功能。Shao等[36]設計了一種檢測miRNA-141的法拉第籠生物傳感器。捕獲探針部分與miRNA-141雜交，其余部分與Ru-MOF上的信號DNA連接，形成法拉第籠形狀。他們還利用同一概念，設計了同時檢測兩種miDNA的法拉第籠生物傳感器[37]。

3.5 檢測外泌體

前列腺特異性抗原 (PSA) 是檢測前列腺癌最重要的生物標志物[38]。Shao等[39]設計了一種檢測PSA的傳感器。由于探針Fe-MIL-88 MOF對發光體NIR QDs有猝滅作用，導致陰極上ECL信號降低。

利用2D MOF可以加載較多聚集誘導發光物質(AIE luminogen，AIEgen)而具有更高的ECL信號。Yang等[40]利用這一概念設計了一種Hf-ETTC-MOL復合物作為傳感器的發光體。由于2D MOF通過配位鍵限制AIE配體的分子內運動和縮短反應路徑，所以Hf-ETTC-MOL可以表現出優異的ECL性能。

3.6 檢測癌細胞

在癌細胞中，端粒酶不隨細胞分裂而失活。所以將端粒酶認為是細胞癌變的生物標志物[41]。Xiong等[42]利用端粒酶和脫氧核糖核苷三磷酸會在Fe3O4納米粒子表面形成重復核苷酸序列的功能，并在添加發卡DNA和核酸外切酶后，將端粒酶活性信號轉換成ECL信號。其檢測限為11個海拉細胞。

3.7 ATP

三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)水平與生物系統的紊亂和功能障礙密切相關[43]。Nie等[44]設計了一種利用納米表面能量轉移(nanosurface energy transfer，NSET)策略測定ATP的生物傳感器。將量子點與鐵基MOF利用透明質酸連接到電極上，再添加一端修飾AuNPs的適配體，通過堿基互補配對，導致AuNPs接近量子點產生NSET作用，從而檢測到低背景信號。當添加檢測物ATP后，雙鏈解鏈，ECL信號升高。

4 結 語

回顧了基于DNA功能化MOFs傳感器在電化學發光檢測方法上的生物應用的最新進展。MOFs的元素組成和結構的可變性，DNA的可編程、特異性，使得將DNA與MOFs結合使用下，構造的生物傳感器具有高靈敏度和高特異性。

然而，為了獲得更高效、更穩定的生物傳感器，仍面臨一些挑戰。首先，MOFs的結構和形態會影響傳感器的性能。而且，大部分MOFs的水穩定性都不是很好。因此，需要設計水穩定性好，結構穩固的MOFs。還需要增強DNA功能化MOFs在復雜環境下的穩定性。例如，在全血環境下，血液中包含各種核酸酶，可能會對DNA或適配體進行切割，導致傳感器失去作用。總體來說，DNA功能化MOFs傳感器在許多方面仍有廣泛前景。