BB: 核酸适配体功能化的金属-有机框架材料在生物传感领域的应用

传感技术 纳米材料技术
秦川    2021-01-22    868

  背景介绍

  有机-金属框架(MOFs)是一类晶型多孔材料,因其具有纳米尺度的框架结构、孔径可控、大比表面积,良好的化学稳定性等优点,被广泛应用于生物传感、生物医药、电催化、能量存储和转化等领域。当此类材料与核酸适配体结合,便可以设计多种多样的高性能生物传感,在临床诊断、食品安全和环境污染等方面有着重要作用。近期,美国德克萨斯大学埃尔帕索分校李秀军教授课题组与青岛大学夏建飞副教授合作在Biosensors and Bioelectronics杂志发表了题为“Aptamer-functionalized Metal-organic frameworks (MOFs) for biosensing”的综述。

  本文介绍了近些年来已报道的基于适配体修饰MOFs 的生物传感器制备及应用,并对此类传感技术的发展进行了展望,主要内容包括:

  (1)适配体与MOFs结合的多种方法;

  (2)MOFs 在生物传感中的作用(作为信号探针或是作为载体);

  (3)此类生物传感在光学、电化学、光电化学等领域的应用;

  (4)MOFs材料与微流控芯片技术的结合。

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  综述内容介绍

  图例:

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  MOFs 是一类由金属离子和有机配体组成的晶型纳米材料,大量的有机配体与无机金属离子相结合,形成了成千上万种不同形貌和组成的MOFs材料。此类材料具有大比表面积,简易的合成方法,富含多种修饰基团和活性位点,以及良好的化学稳定性等优异性能,已被广泛应用于气体吸附、分离、能量存储和催化等领域。近年来,基于其优异特性,大量研究者开始将MOFs应用于生物传感领域。核酸适配体是一类新型的寡核苷酸(或多肽),有合成方式简单,与特定目标物结合,优异的稳定性和无免疫原性等优点。适配体多由25-80个碱基组成,具有高亲和性和特异性结合能力,可通过改变空间构型,芳环堆积,范德华作用,静电作用和氢键等方式区分多种分子如有机染料、细菌细胞、生物标记物和蛋白质等。将适配体与MOFs结合,可发挥MOFs和适配体各自的优势,尤其是核酸适配体功能化MOFs后形成的特殊结构和性质的生物界面,可大大提高生物传感的特异性和灵敏度。因为MOFs和适配体的多样性,大量的基于MOFs的适配体传感被报道,这类生物传感展现出了如高灵敏度、高选择性、微型化和可视化等显著优势。

  1. 核酸适配体在MOFs表面的固定化

  如何有效地将适配体固定在MOFs的表面,是决定后续实验和制作生物传感器不可或缺的一步。同时,将适配体固定在MOFs也可以提高MOFs的生物相容性,可分散性以及传感能力。目前,常用的固定适配体的方式有共价和非共价结合两种方式。

  对于共价结合固定适配体的方法,研究者们通常采用在有机配体和核酸之间形成酰胺键的方式。这种方法非常稳定,是用共价结合的方式制备高灵敏度生物传感的首选。另外,往MOFs表面负载金属纳米颗粒也是一种共价结合MOFs和DNA的方法,可进一步形成共价键实现固定,如Au-S键,Zr-O-P键等。非共价结合是另一种固定适配体的方式。非共价固定的方法主要依靠氢键、静电引力、π-π堆叠等方式。这样的方法使得操作十分简单且不会影响MOFs自身的性质和结构。此外,共价和非共价结合的方式固定适配体也是一种方法。

  2. MOFs作为信号探针构建生物传感器

  MOFs具有优异的光学、催化和电化学性能,所以在生物传感中,其自身可以直接提供信号。基于MOFs的光学适配体传感器主要有四种类型:荧光适配体传感、化学发光适配体传感、电化学发光适配体传感和比色适配体传感。MOFs自身具备的光学性质对于产生发光信号十分重要。MOFs在不同种类的光学传感中可以直接被用于发光信号探针或是信号猝灭剂。

  2.1 MOFs在光学适配体传感中的应用

  荧光共振能量转移(FRET)是一种无辐射能量转移现象,发生在荧光供体和受体都存在的情况下。FRET在供体和受体之间的距离小于10nm,存在足够的光谱重叠的情况下发生。MOFs可以作为猝灭剂,影响荧光信号的产生。化学发光免疫分析法(CLIA)是一种常用的检测分子的方法,这种方法具有高化学发光效率和检测限低等优势。其缺陷在于发光稳定性低,生物相容性差和生物毒性等。为了克服这些缺陷,拓展此类生物传感的应用,研究者们将MOFs应用于化学发光传感器中。MOFs可以用于催化剂,产生或是削弱化学发光信号。鲁米诺-H2O2-MOFs是一种常用的发光体系。电化学发光(ECL)因其具有高灵敏度,低背景信号和操作简单等优势,在临床诊断,分子级别检测和生物传感等领域都有一定程度的应用。在鲁米诺发光体系中,鲁米诺,Ru(bpy)32+和量子点是常用的几种发光材料。MOFs在ECL中多用于催化剂、猝灭剂或信号发生体。

  2.2 MOFs在电化学适配体传感中的应用

  MOFs可以通过两种主要途径提供电信号。一种是依靠其自身的性质,如对氧化还原反应的催化来提供电信号,附着在MOFs上的金属和溶液中的物质都可以通过催化作用起到信号放大的作用;另一种方法是直接利用MOFs来降低阻抗。当目标物与适配体结合,电阻就会迅速增大,以此来造成信号增强。通过这两种方式,越来越多的电化学传感器被制造出来,其灵敏度和稳定性也有提升。这为电化学传感在临床诊断方面的应用奠定了坚实的基础。

  2.3 MOFs在光电化学适配体传感中的应用

  多类光活性纳米颗粒都具有光电化学(PEC)性质,如CdS,TiO2和ZnO。这些活性物质具有刺激信号和响应信号的性质,在生物传感中引用PEC技术可以提高灵敏度和选择性。MOFs自身的性质可以通过光捕获和减少电荷积聚等方式提高光活性物质的性能。基本上将MOFs应用于PEC可以对光活性物质提供协同作用,加速电子传递,从而提高光电强度。因为光和电信号的结合,这种传感具有不可避免的缺陷,如较高的成本和复杂的操作过程。

  3. MOFs作为载体构建生物传感器

  由于大的比表面积和多孔结构,MOFs可以提供大的界面和活性位点为材料和分析物的相互作用做准备,同时,富足的官能团提供了大量的修饰位点,因此,MOFs可以作为载体负载多种信号探针。一方面,MOFs可作为小分子信号探针的载体,如MOFs负载亚甲基蓝、二茂铁和一些常用的荧光信号材料,再结合核酸适配体的识别作用,从而实现目标物的灵敏传感分析等。另外,MOFs也可以载体固定天然酶,用MOFs固定酶可以保证酶的活性,弥补生物酶易失活的缺陷,通过核酸适配体识别目标物的行为将酶引入传感体系,利用酶催化底物产生信号,实现目标物的传感分析。此外,金属纳米颗粒如金,银纳米颗粒等,自身具有一定的催化活性、生物相容性、电化学和光学活性,可以通过自组装负载在MOFs的表面或嵌入MOFs的孔洞之中,从而形成复合信号探针,实现目标物的传感分析。

  4. 基于核酸适配体功能化的刺激-响应型MOFs

  刺激-响应多孔材料,有大比表面积和独特的孔结构,在药物运载及生物传感等领域有较好的应用前景。MOFs具有负载能力大,孔径规则且可调,具有大量的核酸修饰位点等优势,是设计制备刺激-响应体系的理想材料。研究者们利用MOFs的孔结构负载药物、信号探针等物质,并通过核酸适配体在MOFs表面的固定化实现负载物的封装。在目标物存在或其他刺激条件出现时,通过核酸适配体的结构和空间构象改变,实现负载物的控制释放,从而完成药物运载以及生物传感。

  5. MOFs与微流控技术的结合

  虽然在近几年,对MOFs的合成和应用有了较为深入的研究,但想要通过不产生污染的合成方式对其形状和尺寸有效控制仍然是一个棘手的问题。现阶段制造的基于MOFs的生物传感器由于缺乏便携性、操作过程冗杂、不能达到快速诊断的效果等问题,此类传统的生物传感在许多方面还是难以应用。微流控技术在二十世纪九十年代发展起来,有低试剂品消耗、快速分析、高便携性等诸多优势,为生物、环境等领域提供了一种更为便捷的实验平台。微流控技术十分有潜力成为控制合成MOFs,提供快速和高通量分析测试的主要手段。一方面,微流控技术可以精准控制MOFs合成过程中的反应常数,所以可以控制MOFs的合成过程。许多微流控过程控制MOFs的合成能力超越了传统水热合成法,尤其是在合成MOFs薄膜和MOFs复合物的过程中有着明显的优势。另一方面,可将MOFs引入微流控设备实现生物传感,此类研究发挥了微流控技术便携化、集成化以及MOFs材料可放大信号从而提高检测灵敏度的优势,对于高性能生物传感器,尤其是即时检测(POC)装置的开发具有重要意义。

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  结论及展望

  核酸适配体的功能化可以高效实现目标物识别,而MOFs不仅可以直接作为信号探针,还可以作为载体负载其他类型的信号探针,因此,核酸适配体功能化MOFs在发展新型传感方法方面具有重大潜力,并且将MOFs与微流控设备相结合可以控制MOFs的精准合成和制造出高效率的生物传感。然而,这类生物传感方法的发展仍然存在着一些局限性,如MOFs的结构和形貌能直接影响传感器的性能,但控制MOFs的形貌和尺寸有一定难度;如何精确控制适配体与MOFs的固定影响着传感器的重复性,因此功能化的方式和在每一个MOF材料上适配体固定的比例还需要被精准确定。为了改进这些缺陷,微流控技术对于MOFs形貌和尺寸的调控是一个潜在的有效手段,而发展理论模型和计算分析功能化的适配体数量是一种很好的方式,这能够有效促进功能化效率、传感准确度和重复性。此外,基于MOFs的适配体传感器还具有不够便携、制备方式复杂等缺陷,难以满足病毒、疾病等快速检测筛查,环境及食品安全领域快速实时监测等需求。而与微流控技术结合是拓宽此类传感器应用范围的重要方法。在未来,发展新型基于MOFs的适配体传感器需要结合多学科共同发展,如材料科学、工程学、纳米科学技术、微流控技术、分析化学、生物传感、生物医药科学等。

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