多種檢測方法可以檢測腫瘤標志物、重金屬、生物小分子,如高效液相色譜法、聚合酶鏈式反應法、酶聯免疫吸附法等[1-3],但因設備昂貴、過程復雜、操作技術專業(yè)化等不足受到限制。比率電化學傳感器可以實現目標物的定性、定量分析,且因精度高、易操作、成本低等優(yōu)點備受關注。比率電化學傳感器將兩個獨立電流信號的比值作為輸出信號,通過構建電流信號比值與目標物濃度水平的線性方程實現目標物的檢測。這種傳感模式提供的內參信號能校正傳感器自身因素對檢測過程的影響,靈敏度、準確度更高,重現性更好[4]。

比率電化學傳感器的檢測效率與電極材料的性能密切相關[5]。金屬有機骨架（MOFs）材料是金屬離子或金屬簇與有機配體通過配位鍵連接構成的晶態(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、孔隙大小可調節(jié)、比表面積大、活性位點豐富、化學性能穩(wěn)定等獨特性能而備受研究者關注[6]。MOFs與多種材料復合形成的功能化MOFs材料具有優(yōu)異的理化性質,如高導電性、高穩(wěn)定性和高催化能力等?；贛OFs材料的電化學傳感器可充分發(fā)揮電極材料的獨特性能,進而拓寬檢測范圍和提高檢測靈敏度。近年來,基于功能化MOFs材料構建比率電化學傳感器用于腫瘤標志物、重金屬、生物小分子等物質的檢測已引起學者的普遍關注。為此,本工作重點綜述了基于功能化MOFs材料的比率電化學傳感器在檢測領域的應用進展,可為相關研究者提供參考。

1. 比率電化學傳感器

1.1 檢測原理

比率電化學傳感器的檢測原理是將比率策略和電化學傳感器結合,將兩個電流信號的比值作為輸出信號,建立電流信號比值與目標物濃度水平的線性方程,實現對目標物的分析[7]。

1.2 分類

比率電化學傳感器分為單信號依賴型比率電化學傳感器和雙信號依賴型比率電化學傳感器。單信號依賴型比率電化學傳感器內參物質（活性物質）的設計可以基于溶液環(huán)境,也可以基于電極表面的功能化材料。在檢測過程中內參信號基本保持不變,另一個電流信號作為響應信號,隨目標物濃度水平的變化而變化。單信號依賴型比率電化學傳感器將響應信號與內參信號的比值作為輸出信號,以實現定量檢測目標物[8]。而雙信號依賴型比率電化學傳感器中兩種不同的響應信號均隨目標物濃度水平的變化而變化,表現為一個響應信號增大,另一個響應信號減小[9]。

1.3 常用的信號物質

1.3.1 亞甲基藍

亞甲基藍（MB）,化學式為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、靜電作用和共價鍵作用等3種方式組裝于比率電化學傳感器中,產生電化學信號[11]。

1.3.2 二茂鐵

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

1.3.3 硫堇

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

1.3.4 量子點

量子點（QD）,又稱作半導體納米晶體,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活性,其具有較強的氧化還原能力,進而容易發(fā)生電子轉移[14-15]。因此,量子點也被用作比率電化學傳感器的信號物質。

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配體通過配位鍵連接構成,是一類具有無限網絡結構的有機-無機雜化晶態(tài)材料。與傳統(tǒng)材料相比,MOFs材料具有比表面積高、結構清晰可設計、孔隙率高、孔徑可調、易于化學功能化、光電特性特殊等優(yōu)點,這促使其在吸附分離、電催化劑、氣體儲存及傳感器等方面均具有良好的應用前景和發(fā)展空間[16]。隨著對MOFs材料的深入研究,研究者發(fā)現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結構和功能更加多元化。此外,MOFs材料的骨架結構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合成法、微波輔助合成法、機械力化學合成法、溶劑熱/水熱法、電化學合成法等[18-21]。

2.2 種類

MOFs材料具有多種類型,可根據配合物框架結構的配體類型、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)點與有機配體通過弱的配位鍵構成的具有周期性網絡結構的晶態(tài)多孔材料,具有柔韌性,電導率大多低于碳質電極材料,在惡劣條件下穩(wěn)定性較差[32]?；贛OFs材料易功能化的特點,研究者將MOFs材料與導電材料、氧化還原活性中心等結合,形成的功能化MOFs材料可以改善其性能,如良好的導電性和穩(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基電化學傳感器

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

3. 基于功能化MOFs材料的比率電化學傳感器在檢測領域的應用

3.1 抗生素的檢測

阿霉素屬于蒽環(huán)類抗生素,具有抑制DNA復制和轉錄的功能,被廣泛應用于腫瘤的治療,但劑量不合理會出現嚴重副作用（如累積劑量依賴性不可逆慢性心肌病、組織損傷、過敏反應等）。因此,定量分析阿霉素對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復合材料（SNPs@MOFs）和負載Fc的硼納米片（BNSs）復合物（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阿霉素為響應信號,Fc的電流IFc為內參信號,I阿霉素/IFc隨著阿霉素濃度增大而增大,從而實現對阿霉素的檢測,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復合材料,構建了一種可定量檢測阿霉素的比率電化學傳感器。該傳感器將阿霉素和MB作為信號物質,在最佳時間和溫度下,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,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 腫瘤標志物的檢測

腫瘤標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,反應腫瘤發(fā)生發(fā)展進程,因此腫瘤標志物的檢測意義重大。

3.2.1 端粒酶

端粒酶是腫瘤標志物之一[41]。DONG等[42]制備了用金納米粒子（AuNPs）功能化的鈰基金屬有機骨架（CeMOFs）材料,并用捕獲DNA（cDNA）對其進行修飾,形成復合材料Au@CeMOFs-cDNA,同時將MB修飾的發(fā)夾DNA探針通過金硫鍵（Au—S）固定在電極表面。當端粒酶和脫氧核苷酸存在時,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,高效催化信號物質對苯二酚氧化,對苯二酚的電流I對苯二酚增大?；诖?構建了一種檢測端粒酶活性的比率電化學傳感器,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屬于內源性非編碼RNA,是重要腫瘤標志物之一[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復合材料,并將該復合材料和Fc標記的單鏈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作為響應信號,TH的電流ITH作為內參信號,當miR-3123存在時,Fc標記的aptamer通過堿基互補配對與miR-3123競爭性結合,使Fc遠離GCE,IFc降低,ITH基本保持穩(wěn)定,進而實現對miR-3123的定量檢測,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四面體納米結構（NTH）,構建了一種檢測miRNA-21的超靈敏比率電化學傳感器,miRNA-21不存在時,大量鏈霉親和素（SA）標記的UiO-66信號探針與電極表面NTH結合,產生強烈電流信號,UiO-66的電流IUiO-66增大。由于NTH阻礙電子轉移,溶液中的內參信號?[K3Fe(CN)6]/[K4Fe(CN)6]降低。miRNA-21存在時,DNA序列DNA Walker被啟動,SA修飾的片段被裂解釋放,UiO-66遠離電極表面,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

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,在人體中積累會引起各種急性或慢性疾病。因此,準確、快速檢測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骨架（Fc-NH2-Ni-MOFs）材料,構建了一種可同時檢測Cu2+、Pb2+和Cd2+的比率電化學傳感器。該傳感器將Fc作為內參信號,被測金屬離子電流I金屬離子作為響應信號,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]構建了一種檢測多種金屬離子的比率電化學傳感器,以Cu-MOFs為修飾電極,Cu2+電流?Cu2+為內參信號,I金屬離子作為響應信號,I金屬離子/?Cu2+作為輸出信號。當被測金屬離子存在時,被測金屬離子進入MOFs孔道,通過離子交換反應取代MOFs中的Cu2+,Cu2+電流隨之降低,而Pb2+或Cd2+的電流增加,進而實現對Pb2+或Cd2+的檢測,線性范圍分別為10 nmol·L?1~10 mmol·L?1