多種檢測(cè)方法可以檢測(cè)腫瘤標(biāo)志物、重金屬、生物小分子,如高效液相色譜法、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法、酶聯(lián)免疫吸附法等[1-3],但因設(shè)備昂貴、過程復(fù)雜、操作技術(shù)專業(yè)化等不足受到限制。比率電化學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的定性、定量分析,且因精度高、易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。比率電化學(xué)傳感器將兩個(gè)獨(dú)立電流信號(hào)的比值作為輸出信號(hào),通過構(gòu)建電流信號(hào)比值與目標(biāo)物濃度水平的線性方程實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測(cè)。這種傳感模式提供的內(nèi)參信號(hào)能校正傳感器自身因素對(duì)檢測(cè)過程的影響,靈敏度、準(zhǔn)確度更高,重現(xiàn)性更好[4]。

比率電化學(xué)傳感器的檢測(cè)效率與電極材料的性能密切相關(guān)[5]。金屬有機(jī)骨架（MOFs）材料是金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體通過配位鍵連接構(gòu)成的晶態(tài)多孔材料。與其他多孔化合物材料相比,MOFs材料因具有孔隙率高、孔隙大小可調(diào)節(jié)、比表面積大、活性位點(diǎn)豐富、化學(xué)性能穩(wěn)定等獨(dú)特性能而備受研究者關(guān)注[6]。MOFs與多種材料復(fù)合形成的功能化MOFs材料具有優(yōu)異的理化性質(zhì),如高導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性和高催化能力等?；贛OFs材料的電化學(xué)傳感器可充分發(fā)揮電極材料的獨(dú)特性能,進(jìn)而拓寬檢測(cè)范圍和提高檢測(cè)靈敏度。近年來,基于功能化MOFs材料構(gòu)建比率電化學(xué)傳感器用于腫瘤標(biāo)志物、重金屬、生物小分子等物質(zhì)的檢測(cè)已引起學(xué)者的普遍關(guān)注。為此,本工作重點(diǎn)綜述了基于功能化MOFs材料的比率電化學(xué)傳感器在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,可為相關(guān)研究者提供參考。

1. 比率電化學(xué)傳感器

1.1 檢測(cè)原理

比率電化學(xué)傳感器的檢測(cè)原理是將比率策略和電化學(xué)傳感器結(jié)合,將兩個(gè)電流信號(hào)的比值作為輸出信號(hào),建立電流信號(hào)比值與目標(biāo)物濃度水平的線性方程,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的分析[7]。

1.2 分類

比率電化學(xué)傳感器分為單信號(hào)依賴型比率電化學(xué)傳感器和雙信號(hào)依賴型比率電化學(xué)傳感器。單信號(hào)依賴型比率電化學(xué)傳感器內(nèi)參物質(zhì)（活性物質(zhì)）的設(shè)計(jì)可以基于溶液環(huán)境,也可以基于電極表面的功能化材料。在檢測(cè)過程中內(nèi)參信號(hào)基本保持不變,另一個(gè)電流信號(hào)作為響應(yīng)信號(hào),隨目標(biāo)物濃度水平的變化而變化。單信號(hào)依賴型比率電化學(xué)傳感器將響應(yīng)信號(hào)與內(nèi)參信號(hào)的比值作為輸出信號(hào),以實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)目標(biāo)物[8]。而雙信號(hào)依賴型比率電化學(xué)傳感器中兩種不同的響應(yīng)信號(hào)均隨目標(biāo)物濃度水平的變化而變化,表現(xiàn)為一個(gè)響應(yīng)信號(hào)增大,另一個(gè)響應(yīng)信號(hào)減小[9]。

1.3 常用的信號(hào)物質(zhì)

1.3.1 亞甲基藍(lán)

亞甲基藍(lán)（MB）,化學(xué)式為C16H18N3ClS,是一種芳香雜環(huán)化合物[10]。MB可以與DNA分子中的鳥嘌呤核苷酸特異性結(jié)合,具有較好的生物親和性。作為氧化還原指示劑,MB可通過嵌入G-C堿基對(duì)、靜電作用和共價(jià)鍵作用等3種方式組裝于比率電化學(xué)傳感器中,產(chǎn)生電化學(xué)信號(hào)[11]。

1.3.2 二茂鐵

二茂鐵（Fc）,化學(xué)式為Fe(C5H5)2,是一種具有芳香族性質(zhì)的有機(jī)過渡金屬化合物。Fc含有兩個(gè)可以自由旋轉(zhuǎn)的環(huán)戊二烯環(huán),能與DNA分子的堿基發(fā)生疏水、堆積作用,從而易被標(biāo)記在核酸鏈的末端[12]。Fc作為比率電化學(xué)傳感器的信號(hào)物質(zhì),出峰位置落在正電位,大部分位于0.1~0.4 V內(nèi),操作性和生物選擇性低于MB[13]。

1.3.3 硫堇

硫堇（TH）,化學(xué)式為C14H13N3O2S,是一種吩噻嗪類染料,具有高穩(wěn)定性、高電子轉(zhuǎn)移能力、高水溶性、可逆的電化學(xué)響應(yīng)和合適的氧化還原電位等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛用作比率電化學(xué)傳感器的信號(hào)物質(zhì)[10]。

1.3.4 量子點(diǎn)

量子點(diǎn)（QD）,又稱作半導(dǎo)體納米晶體,是一種粒徑小于或接近于激子波爾半徑的納米晶粒,表面原子具有較高的化學(xué)活性,其具有較強(qiáng)的氧化還原能力,進(jìn)而容易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移[14-15]。因此,量子點(diǎn)也被用作比率電化學(xué)傳感器的信號(hào)物質(zhì)。

2. MOFs材料

2.1 概述

MOFs材料也稱多孔配位聚合物,由金屬離子或金屬簇與有機(jī)配體通過配位鍵連接構(gòu)成,是一類具有無限網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化晶態(tài)材料。與傳統(tǒng)材料相比,MOFs材料具有比表面積高、結(jié)構(gòu)清晰可設(shè)計(jì)、孔隙率高、孔徑可調(diào)、易于化學(xué)功能化、光電特性特殊等優(yōu)點(diǎn),這促使其在吸附分離、電催化劑、氣體儲(chǔ)存及傳感器等方面均具有良好的應(yīng)用前景和發(fā)展空間[16]。隨著對(duì)MOFs材料的深入研究,研究者發(fā)現(xiàn)MOFs之間的鍵合作用不僅有配位鍵作用,還包括氫鍵、范德華力、π-π堆積等其他作用,使得MOFs結(jié)構(gòu)和功能更加多元化。此外,MOFs材料的骨架結(jié)構(gòu)和功能還可以通過不同的制備方法來控制[17]。MOFs材料的制備方法包括聲化學(xué)合成法、微波輔助合成法、機(jī)械力化學(xué)合成法、溶劑熱/水熱法、電化學(xué)合成法等[18-21]。

2.2 種類

MOFs材料具有多種類型,可根據(jù)配合物框架結(jié)構(gòu)的配體類型、空間維度和中心金屬離子等分類。其中MOFs材料按組分單元、合成方式的不同進(jìn)行分類最為常見,常見MOFs材料種類和特征如表1所示。

2.3 功能化MOFs材料

MOFs材料是金屬節(jié)點(diǎn)與有機(jī)配體通過弱的配位鍵構(gòu)成的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔材料,具有柔韌性,電導(dǎo)率大多低于碳質(zhì)電極材料,在惡劣條件下穩(wěn)定性較差[32]?；贛OFs材料易功能化的特點(diǎn),研究者將MOFs材料與導(dǎo)電材料、氧化還原活性中心等結(jié)合,形成的功能化MOFs材料可以改善其性能,如良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性,較高的水溶性和分散性等[33-34]。常見功能化MOFs材料包括MOFs-碳、MOFs-金屬化合物、MOFs-金屬納米粒子、MOFs-酶等[35]。

2.4 MOFs基電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器基于目標(biāo)物與電極表面修飾物質(zhì)的特異識(shí)別作用,通過不同電化學(xué)分析方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的定量或定性分析[36]。MOFs材料具有獨(dú)特的理化性質(zhì),有助于提升電化學(xué)傳感器的性能,可根據(jù)傳感器或目標(biāo)物的不同,調(diào)節(jié)孔徑的大小及比表面積[37]。因此,MOFs基電化學(xué)傳感器能充分發(fā)揮電極材料的獨(dú)特性能,拓寬檢測(cè)范圍和降低檢出限。雖然MOFs基電化學(xué)傳感器具有靈敏度高、成本低、操作簡(jiǎn)單、便攜等優(yōu)點(diǎn),但單信號(hào)傳感策略易受環(huán)境變化的影響,抗干擾能力弱,限制了實(shí)際應(yīng)用。

3. 基于功能化MOFs材料的比率電化學(xué)傳感器在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 抗生素的檢測(cè)

阿霉素屬于蒽環(huán)類抗生素,具有抑制DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的功能,被廣泛應(yīng)用于腫瘤的治療,但劑量不合理會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重副作用（如累積劑量依賴性不可逆慢性心肌病、組織損傷、過敏反應(yīng)等）。因此,定量分析阿霉素對(duì)臨床上腫瘤治療非常重要[38]。YANG等[39]將硫納米粒子（SNPs）封裝的MOFs復(fù)合材料（SNPs@MOFs）和負(fù)載Fc的硼納米片（BNSs）復(fù)合物（BNSs-Fc）依次修飾在玻碳電極（GCE）表面,形成SNPs@MOFs/BNSs-Fc/GCE。其中,阿霉素的電流I阿霉素為響應(yīng)信號(hào),Fc的電流IFc為內(nèi)參信號(hào),I阿霉素/IFc隨著阿霉素濃度增大而增大,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)阿霉素的檢測(cè),線性范圍為0.01~10 μmol·L?1,檢出限為2 nmol·L?1。RONG等[40]基于MB、多壁碳納米管（MWCNTs）和氨基功能化MOFs（NH2-UiO-66）制備了MB@MWCNTs/UiO-66-NH2復(fù)合材料,構(gòu)建了一種可定量檢測(cè)阿霉素的比率電化學(xué)傳感器。該傳感器將阿霉素和MB作為信號(hào)物質(zhì),在最佳時(shí)間和溫度下,隨著阿霉素濃度的增大,NH2-UiO-66催化阿霉素發(fā)生氧化還原反應(yīng),阿霉素的電流I阿霉素增大,MB的電流IMB基本保持穩(wěn)定,即I阿霉素/IMB與阿霉素濃度成正比,線性范圍為0.1~75 μmol·L?1,檢出限為0.051 μmol·L?1。

3.2 腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè)

腫瘤標(biāo)志物存在于腫瘤患者的組織、體液和排泄物中,可提示腫瘤的性質(zhì),反應(yīng)腫瘤發(fā)生發(fā)展進(jìn)程,因此腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè)意義重大。

3.2.1 端粒酶

端粒酶是腫瘤標(biāo)志物之一[41]。DONG等[42]制備了用金納米粒子（AuNPs）功能化的鈰基金屬有機(jī)骨架（CeMOFs）材料,并用捕獲DNA（cDNA）對(duì)其進(jìn)行修飾,形成復(fù)合材料Au@CeMOFs-cDNA,同時(shí)將MB修飾的發(fā)夾DNA探針通過金硫鍵（Au—S）固定在電極表面。當(dāng)端粒酶和脫氧核苷酸存在時(shí),發(fā)夾DNA探針中的端粒酶引物（TP）被延長,發(fā)夾DNA打開,MB與電極表面分離,IMB減?。籧DNA與TP雜交,使Au@CeMOFs-cDNA接近電極表面,高效催化信號(hào)物質(zhì)對(duì)苯二酚氧化,對(duì)苯二酚的電流I對(duì)苯二酚增大?；诖?構(gòu)建了一種檢測(cè)端粒酶活性的比率電化學(xué)傳感器,線性范圍為2×102~2×106 cells·mL?1,檢出限為27 cells·mL?1。

3.2.2 MicroRNA

MicroRNA屬于內(nèi)源性非編碼RNA,是重要腫瘤標(biāo)志物之一[43]。SUN等[44]用二維黑磷納米片（BPNSs）、銅（Cu）修飾的MOFs（Cu-MOFs）和TH,制備了BPNSs/TH/Cu-MOFs復(fù)合材料,并將該復(fù)合材料和Fc標(biāo)記的單鏈DNA（ssDNA）順序組裝在電極上,形成適配體（aptamer）-BPNSs/TH/Cu-MOFs/GCE。該傳感器將IFc作為響應(yīng)信號(hào),TH的電流ITH作為內(nèi)參信號(hào),當(dāng)miR-3123存在時(shí),Fc標(biāo)記的aptamer通過堿基互補(bǔ)配對(duì)與miR-3123競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,使Fc遠(yuǎn)離GCE,IFc降低,ITH基本保持穩(wěn)定,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)miR-3123的定量檢測(cè),線性范圍為2 mol·L?1~2 μmol·L?1,檢出限為0.3 pmol·L?1。XIE等[45]基于二維納米材料（AuNPs@MXene）和DNA四面體納米結(jié)構(gòu)（NTH）,構(gòu)建了一種檢測(cè)miRNA-21的超靈敏比率電化學(xué)傳感器,miRNA-21不存在時(shí),大量鏈霉親和素（SA）標(biāo)記的UiO-66信號(hào)探針與電極表面NTH結(jié)合,產(chǎn)生強(qiáng)烈電流信號(hào),UiO-66的電流IUiO-66增大。由于NTH阻礙電子轉(zhuǎn)移,溶液中的內(nèi)參信號(hào)?[K3Fe(CN)6]/[K4Fe(CN)6]降低。miRNA-21存在時(shí),DNA序列DNA Walker被啟動(dòng),SA修飾的片段被裂解釋放,UiO-66遠(yuǎn)離電極表面,IUiO-66降低,?[K3Fe(CN)6]/[K4Fe(CN)6]增大,線性范圍為0.5 fmol·L?1~5 nmol·L?1,檢出限為0.17 fmol·L?1。

3.3 重金屬的檢測(cè)

重金屬是原子密度大于或等于5 kg·dm?3的金屬,具有高毒性,在人體中積累會(huì)引起各種急性或慢性疾病。因此,準(zhǔn)確、快速檢測(cè)重金屬離子意義重大。WAN等[46]基于二茂鐵羧酸（Fc-COOH）功能化的鎳基金屬有機(jī)骨架（Fc-NH2-Ni-MOFs）材料,構(gòu)建了一種可同時(shí)檢測(cè)Cu2+、Pb2+和Cd2+的比率電化學(xué)傳感器。該傳感器將Fc作為內(nèi)參信號(hào),被測(cè)金屬離子電流I金屬離子作為響應(yīng)信號(hào),I金屬離子/IFc隨著金屬離子濃度的增大而增大。Pb2+、Cu2+和Cd2+的線性范圍分別為0.001~2.0 μmol·L?1、0.01~2.0 μmol·L?1、0.01~2.0 μmol·L?1,Cu2+、Pb2+、Cd2+的檢出限分別為6.3,0.2,7.1 nmol·L?1。HU等[47]構(gòu)建了一種檢測(cè)多種金屬離子的比率電化學(xué)傳感器,以Cu-MOFs為修飾電極,Cu2+電流?Cu2+為內(nèi)參信號(hào),I金屬離子作為響應(yīng)信號(hào),I金屬離子/?Cu2+作為輸出信號(hào)。當(dāng)被測(cè)金屬離子存在時(shí),被測(cè)金屬離子進(jìn)入MOFs孔道,通過離子交換反應(yīng)取代MOFs中的Cu2+,Cu2+電流隨之降低,而Pb2+或Cd2+的電流增加,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)Pb2+或Cd2+的檢測(cè),線性范圍分別為10 nmol·L?1~10 mmol·L?1