多种检测方法可以检测肿瘤标志物、重金属、生物小分子,如高效液相色谱法、聚合酶链式反应法、酶联免疫吸附法等[1-3],但因设备昂贵、过程复杂、操作技术专业化等不足受到限制。比率电化学传感器可以实现目标物的定性、定量分析,且因精度高、易操作、成本低等优点备受关注。比率电化学传感器将两个独立电流信号的比值作为输出信号,通过构建电流信号比值与目标物浓度水平的线性方程实现目标物的检测。这种传感模式提供的内参信号能校正传感器自身因素对检测过程的影响,灵敏度、准确度更高,重现性更好[4]。

比率电化学传感器的检测效率与电极材料的性能密切相关[5]。金属有机骨架（MOFs）材料是金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接构成的晶态多孔材料。与其他多孔化合物材料相比,MOFs材料因具有孔隙率高、孔隙大小可调节、比表面积大、活性位点丰富、化学性能稳定等独特性能而备受研究者关注[6]。MOFs与多种材料复合形成的功能化MOFs材料具有优异的理化性质,如高导电性、高稳定性和高催化能力等。基于MOFs材料的电化学传感器可充分发挥电极材料的独特性能,进而拓宽检测范围和提高检测灵敏度。近年来,基于功能化MOFs材料构建比率电化学传感器用于肿瘤标志物、重金属、生物小分子等物质的检测已引起学者的普遍关注。为此,本工作重点综述了基于功能化MOFs材料的比率电化学传感器在检测领域的应用进展,可为相关研究者提供参考。

1. 比率电化学传感器

1.1 检测原理

比率电化学传感器的检测原理是将比率策略和电化学传感器结合,将两个电流信号的比值作为输出信号,建立电流信号比值与目标物浓度水平的线性方程,实现对目标物的分析[7]。

1.2 分类

比率电化学传感器分为单信号依赖型比率电化学传感器和双信号依赖型比率电化学传感器。单信号依赖型比率电化学传感器内参物质（活性物质）的设计可以基于溶液环境,也可以基于电极表面的功能化材料。在检测过程中内参信号基本保持不变,另一个电流信号作为响应信号,随目标物浓度水平的变化而变化。单信号依赖型比率电化学传感器将响应信号与内参信号的比值作为输出信号,以实现定量检测目标物[8]。而双信号依赖型比率电化学传感器中两种不同的响应信号均随目标物浓度水平的变化而变化,表现为一个响应信号增大,另一个响应信号减小[9]。

1.3 常用的信号物质

1.3.1 亚甲基蓝

亚甲基蓝（MB）,化学式为C16H18N3ClS,是一种芳香杂环化合物[10]。MB可以与DNA分子中的鸟嘌呤核苷酸特异性结合,具有较好的生物亲和性。作为氧化还原指示剂,MB可通过嵌入G-C碱基对、静电作用和共价键作用等3种方式组装于比率电化学传感器中,产生电化学信号[11]。

1.3.2 二茂铁

二茂铁（Fc）,化学式为Fe(C5H5)2,是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物。Fc含有两个可以自由旋转的环戊二烯环,能与DNA分子的碱基发生疏水、堆积作用,从而易被标记在核酸链的末端[12]。Fc作为比率电化学传感器的信号物质,出峰位置落在正电位,大部分位于0.1~0.4 V内,操作性和生物选择性低于MB[13]。

1.3.3 硫堇

硫堇（TH）,化学式为C14H13N3O2S,是一种吩噻嗪类染料,具有高稳定性、高电子转移能力、高水溶性、可逆的电化学响应和合适的氧化还原电位等优点,已被广泛用作比率电化学传感器的信号物质[10]。

1.3.4 量子点

量子点（QD）,又称作半导体纳米晶体,是一种粒径小于或接近于激子波尔半径的纳米晶粒,表面原子具有较高的化学活性,其具有较强的氧化还原能力,进而容易发生电子转移[14-15]。因此,量子点也被用作比率电化学传感器的信号物质。

2. MOFs材料

2.1 概述

MOFs材料也称多孔配位聚合物,由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接构成,是一类具有无限网络结构的有机-无机杂化晶态材料。与传统材料相比,MOFs材料具有比表面积高、结构清晰可设计、孔隙率高、孔径可调、易于化学功能化、光电特性特殊等优点,这促使其在吸附分离、电催化剂、气体储存及传感器等方面均具有良好的应用前景和发展空间[16]。随着对MOFs材料的深入研究,研究者发现MOFs之间的键合作用不仅有配位键作用,还包括氢键、范德华力、π-π堆积等其他作用,使得MOFs结构和功能更加多元化。此外,MOFs材料的骨架结构和功能还可以通过不同的制备方法来控制[17]。MOFs材料的制备方法包括声化学合成法、微波辅助合成法、机械力化学合成法、溶剂热/水热法、电化学合成法等[18-21]。

2.2 种类

MOFs材料具有多种类型,可根据配合物框架结构的配体类型、空间维度和中心金属离子等分类。其中MOFs材料按组分单元、合成方式的不同进行分类最为常见,常见MOFs材料种类和特征如表1所示。

2.3 功能化MOFs材料

MOFs材料是金属节点与有机配体通过弱的配位键构成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料,具有柔韧性,电导率大多低于碳质电极材料,在恶劣条件下稳定性较差[32]。基于MOFs材料易功能化的特点,研究者将MOFs材料与导电材料、氧化还原活性中心等结合,形成的功能化MOFs材料可以改善其性能,如良好的导电性和稳定性,较高的水溶性和分散性等[33-34]。常见功能化MOFs材料包括MOFs-碳、MOFs-金属化合物、MOFs-金属纳米粒子、MOFs-酶等[35]。

2.4 MOFs基电化学传感器

电化学传感器基于目标物与电极表面修饰物质的特异识别作用,通过不同电化学分析方法实现目标物的定量或定性分析[36]。MOFs材料具有独特的理化性质,有助于提升电化学传感器的性能,可根据传感器或目标物的不同,调节孔径的大小及比表面积[37]。因此,MOFs基电化学传感器能充分发挥电极材料的独特性能,拓宽检测范围和降低检出限。虽然MOFs基电化学传感器具有灵敏度高、成本低、操作简单、便携等优点,但单信号传感策略易受环境变化的影响,抗干扰能力弱,限制了实际应用。

3. 基于功能化MOFs材料的比率电化学传感器在检测领域的应用

3.1 抗生素的检测

阿霉素属于蒽环类抗生素,具有抑制DNA复制和转录的功能,被广泛应用于肿瘤的治疗,但剂量不合理会出现严重副作用（如累积剂量依赖性不可逆慢性心肌病、组织损伤、过敏反应等）。因此,定量分析阿霉素对临床上肿瘤治疗非常重要[38]。YANG等[39]将硫纳米粒子（SNPs）封装的MOFs复合材料（SNPs@MOFs）和负载Fc的硼纳米片（BNSs）复合物（BNSs-Fc）依次修饰在玻碳电极（GCE）表面,形成SNPs@MOFs/BNSs-Fc/GCE。其中,阿霉素的电流I阿霉素为响应信号,Fc的电流IFc为内参信号,I阿霉素/IFc随着阿霉素浓度增大而增大,从而实现对阿霉素的检测,线性范围为0.01~10 μmol·L−1,检出限为2 nmol·L−1。RONG等[40]基于MB、多壁碳纳米管（MWCNTs）和氨基功能化MOFs（NH2-UiO-66）制备了MB@MWCNTs/UiO-66-NH2复合材料,构建了一种可定量检测阿霉素的比率电化学传感器。该传感器将阿霉素和MB作为信号物质,在最佳时间和温度下,随着阿霉素浓度的增大,NH2-UiO-66催化阿霉素发生氧化还原反应,阿霉素的电流I阿霉素增大,MB的电流IMB基本保持稳定,即I阿霉素/IMB与阿霉素浓度成正比,线性范围为0.1~75 μmol·L−1,检出限为0.051 μmol·L−1。

3.2 肿瘤标志物的检测

肿瘤标志物存在于肿瘤患者的组织、体液和排泄物中,可提示肿瘤的性质,反应肿瘤发生发展进程,因此肿瘤标志物的检测意义重大。

3.2.1 端粒酶

端粒酶是肿瘤标志物之一[41]。DONG等[42]制备了用金纳米粒子（AuNPs）功能化的铈基金属有机骨架（CeMOFs）材料,并用捕获DNA（cDNA）对其进行修饰,形成复合材料Au@CeMOFs-cDNA,同时将MB修饰的发夹DNA探针通过金硫键（Au—S）固定在电极表面。当端粒酶和脱氧核苷酸存在时,发夹DNA探针中的端粒酶引物（TP）被延长,发夹DNA打开,MB与电极表面分离,IMB减小；cDNA与TP杂交,使Au@CeMOFs-cDNA接近电极表面,高效催化信号物质对苯二酚氧化,对苯二酚的电流I对苯二酚增大。基于此,构建了一种检测端粒酶活性的比率电化学传感器,线性范围为2×102~2×106 cells·mL−1,检出限为27 cells·mL−1。

3.2.2 MicroRNA

MicroRNA属于内源性非编码RNA,是重要肿瘤标志物之一[43]。SUN等[44]用二维黑磷纳米片（BPNSs）、铜（Cu）修饰的MOFs（Cu-MOFs）和TH,制备了BPNSs/TH/Cu-MOFs复合材料,并将该复合材料和Fc标记的单链DNA（ssDNA）顺序组装在电极上,形成适配体（aptamer）-BPNSs/TH/Cu-MOFs/GCE。该传感器将IFc作为响应信号,TH的电流ITH作为内参信号,当miR-3123存在时,Fc标记的aptamer通过碱基互补配对与miR-3123竞争性结合,使Fc远离GCE,IFc降低,ITH基本保持稳定,进而实现对miR-3123的定量检测,线性范围为2 mol·L−1~2 μmol·L−1,检出限为0.3 pmol·L−1。XIE等[45]基于二维纳米材料（AuNPs@MXene）和DNA四面体纳米结构（NTH）,构建了一种检测miRNA-21的超灵敏比率电化学传感器,miRNA-21不存在时,大量链霉亲和素（SA）标记的UiO-66信号探针与电极表面NTH结合,产生强烈电流信号,UiO-66的电流IUiO-66增大。由于NTH阻碍电子转移,溶液中的内参信号�[K3Fe(CN)6]/[K4Fe(CN)6]降低。miRNA-21存在时,DNA序列DNA Walker被启动,SA修饰的片段被裂解释放,UiO-66远离电极表面,IUiO-66降低,�[K3Fe(CN)6]/[K4Fe(CN)6]增大,线性范围为0.5 fmol·L−1~5 nmol·L−1,检出限为0.17 fmol·L−1。

3.3 重金属的检测

重金属是原子密度大于或等于5 kg·dm−3的金属,具有高毒性,在人体中积累会引起各种急性或慢性疾病。因此,准确、快速检测重金属离子意义重大。WAN等[46]基于二茂铁羧酸（Fc-COOH）功能化的镍基金属有机骨架（Fc-NH2-Ni-MOFs）材料,构建了一种可同时检测Cu2+、Pb2+和Cd2+的比率电化学传感器。该传感器将Fc作为内参信号,被测金属离子电流I金属离子作为响应信号,I金属离子/IFc随着金属离子浓度的增大而增大。Pb2+、Cu2+和Cd2+的线性范围分别为0.001~2.0 μmol·L−1、0.01~2.0 μmol·L−1、0.01~2.0 μmol·L−1,Cu2+、Pb2+、Cd2+的检出限分别为6.3,0.2,7.1 nmol·L−1。HU等[47]构建了一种检测多种金属离子的比率电化学传感器,以Cu-MOFs为修饰电极,Cu2+电流�Cu2+为内参信号,I金属离子作为响应信号,I金属离子/�Cu2+作为输出信号。当被测金属离子存在时,被测金属离子进入MOFs孔道,通过离子交换反应取代MOFs中的Cu2+,Cu2+电流随之降低,而Pb2+或Cd2+的电流增加,进而实现对Pb2+或Cd2+的检测,线性范围分别为10 nmol·L−1~10 mmol·L−1