本刊推荐 | Western University覃晓丽/丁志峰：MOFs在电化学/电化学发光免疫分析中的应用

背景介绍

本文综述了近年来不同类型的基于MOFs纳米材料的电化学/电化学发光(ECL)免疫传感器的制备及其在免疫分析中的检测应用。MOFs不仅可以作为电极表面修饰的基底、信号探针(包括电活性标记分子和电化学发光发光标记探针) 、催化活性标记物，还可以作为负载各种生物分子、纳米材料的载体，最终可用于灵敏的电化学和ECL检测。此外，本综述还讨论了未来发展功能化MOF纳米材料的挑战和机遇，并为未来设计和制造基于MOFs的高性能免疫传感器提出了一些指导性意见。

设计和研制具有超灵敏、高精度、选择性好的免疫传感器对于疾病的早期诊断和筛查，以及疾病治疗过程的监测具有十分重要的意义。其中，电化学免疫分析法和电化学发光免疫分析法，因它们具有稳定性好、灵敏度高、线性范围宽、可控性好等优点而备受关注，已成为当前的研究热点之一。金属有机框架(MOFs)作为一类新型的多孔晶体材料，由于其具有比表面积大、化学稳定性好、孔径和纳米级骨架结构可调节等优点，在电化学和ECL免疫传感器的制备中得到了广泛的应用。MOFs不仅可以作为固定生物识别分子的敏感平台，还可以用于富集痕量分析物和信号分子来放大分析信号，提高电化学或ECL免疫分析的灵敏度。目前，科研人员已合成各种各样具有不同性能和形貌的MOFs纳米材料，并用于开发高性能的电化学免疫传感器和ECL免疫传感器。

近年来，基于MOF复合材料的兴起，大量论文将MOFs材料用于电化学应用。因此，本文重点介绍近年来基于MOF材料的电化学免疫分析技术的发展，包括单个免疫传感平台和多功能免疫传感平台。此外，还综述了MOFs在ECL免疫分析领域的研究进展。最后，本文对电化学和ECL免疫传感MOF平台的发展及其潜在的临床应用前景进行了展望。

MOFs是一类极具吸引力的结晶多孔材料，丰富了电化学和ECL免疫传感器的设计多样性，在免疫检测中具有重要意义，引起了学术界的广泛关注。研究表明，生物功能化MOF纳米复合材料在扩增免疫识别事件的电化学和ECL信号方面的广泛性，可以显著改变与生物标志物含量相关的电化学或ECL信号。迄今为止，基于MOF材料的电化学和ECL免疫传感器的不同设计和制造策略如下所述。

图文解析

（1）作为发射器或电活性标签与抗体连接，获得ECL或电化学信号。

Fig. 1. Preparation of NiFe complex/Ab1/BSA bioconjugate (A), Ab2/LMOFs/BSA bioconjugate (B), and formation route of the suggested signal-enhanced ECL model (C). Working curve (D) of the signal-enhanced ECL detection model for different concentrations of cyfra21-1 (0.00500, 0.0100, 0.100, 0.500, 1.00, 5.00, 10.0, 20.0, 50.0, and 100 ng mL⁻¹). Selectivity (content of cyfra21-1 and other interferents were 10.0 and 100 ng mL⁻¹, respectively; (E) of the ECL detection model.

（2）作为生物分子(如抗体和酶)、纳米粒子(如AuNPs和AgNPs)、电活性/ECL探针和信号分子(如金属离子、发光分子和电活性分子)的载体。

Fig. 2. (left) Construction steps and mechanism of immunosensor. (right) SWV responses of immunoassay for CA 72-4 in 1 mM PBS (pH 7.5) at concentrations from 1.00 mU mL-1 to 10.0 U mL-1(A); Calibration plot (B) between SWV peak current (0.18 V vs. Ag/AgCl) and logarithm values of CA 72–4 concentrations (the error bars are standard deviations for n = 3).

（3）作为诱导CdS纳米颗粒沉积的催化剂。

Fig. 3. A schematic diagram of immunosensor construction (A) and preparation of CdS@Zn-BTC modified electrode (B).

4)作为H2O2、氧、AA等催化还原反应的高效催化标记物。

Fig. 4. Schematic illustration of preparation process of immunoprobes (A) and cascade catalysis-initiated radical polymerization triggered signal amplification for electrochemical detection of CA15-3 (B). (C) EIS response of electrochemical biosensor for target CA15-3 from blank to 100 U mL-1 in buffer solution. (D) The calibration curve of resistance values vs. the concentrations of CA15-3 in buffer solution (■) and human serum (●).

总结与展望

本文综述了不同类型的基于MOF纳米材料的电化学/ECL免疫传感器的制备及其在免疫分析中的检测应用。要获得更高效的基于MOF材料的免疫传感器，我们仍然面临着一些挑战。首先，由于MOFs的导电性较差，在电极表面修饰时会限制电子转移，导致电化学或ECL信号降低。为了获得灵敏度高、精度高的免疫传感器，可以将导电MOFs应用于提高电子传递效率。其次，由于缺乏具有足够催化活性的水稳性MOFs，在传感、治疗或成像方面的应用受到了很大的阻碍。为了在这些应用中实现高性能，探索构建水稳性MOF的新策略已成为MOF研究领域的一个重要方向。第三，抗体或酶分子在MOFs特定位点上的有效和精确固定仍然是一个挑战。因此，需要系统地研究其修饰基团及其形状和尺寸的控制方法，以提高活性区域、功能化效率和准确性。最后，基于MOF材料的电化学和ECL免疫传感器通常并不适合在现场和实际应用，如快速现场疾病筛查和POC诊断。便携式设备的发展为基于MOFs的免疫传感器的广泛应用提供了契机。我们相信，随着科学技术的发展，将会合成出更多高性能的新型MOF纳米材料，并最终促进其工业化应用，包括发展中国家的全球卫生、环境监测、食品安全检测等。

作者介绍

覃晓丽（https://www.x-mol.com/people/lindayier），博士，副教授，硕士生导师。2010年于山西师范大学获学士学位；2016年于湖南师范大学获理学博士学位，导师谢青季教授；2016年-2018年为北京大学化学与分子工程学院全职博士后，合作导师邵元华教授，并获北京大学“博雅博士后”项目支持；2018年就职于湖南农业大学化学与材料科学学院，获得“神农学者青年英才第一层次”人才项目资助。2021年11月-2023年11月获得国家留学基金委资助赴加拿大Western University进行博士后研究工作，合作导师丁志峰教授。已主持国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、中国博士后基金面上项目、湖南省教育厅科学研究项目等科研项目8项。目前主要围绕疾病标志物建立光/电化学生物传感新方法新技术。以第一作者或通讯作者在Anal. Chem., ACS Sensors, Biosens. Bioelectron., Chem. Commun., ACS Appl. Mater. Interfaces, Sci. China: Chem. 等相关领域期刊发表SCI论文20余篇，其中IF>5的17篇，IF>10的4篇。

丁志峰（https://publish.uwo.ca/~zfding/），西安大略大学（Western University）化学系正教授。于东南大学获得化学学士学位，南京大学获得配位化学硕士学位，瑞士洛桑联邦高工获得分析和物理电化学博士学位。在德克萨斯大学奥斯汀分校，与合作导师Allen J. Bard进行博士后研究工作。主要研究方向为扫描电化学显微镜、离子液体电解质、太阳能电池和电化学发光。已发表论文和专著章节200多篇，获批美国和中国专利5项。荣获2014年科学杰出研究教授奖，2015年大学教师学者表彰，2017年加拿大化学学会McBryde分析化学奖章，2018年Ertl奖和2023年西安大略大学杰出化学科研奖。

关于本文

本文已在网络优先出版，将收录于《电化学》期刊的《电化学界面与分析传感专辑》。

引用格式：
覃晓丽, 詹子颖, Sara Jahanghiri, Kenneth Chu, 张丛洋, 丁志峰. 金属有机框架材料在电化学/电化学发光免疫分析中的应用[J]. 电化学, doi: 10.13208/j.electrochem.2218003.

Xiao-Li Qin , Zi-Ying Zhan , Sara Jahanghiri , Kenneth Chu , Cong-Yang Zhang, Zhi-Feng Ding . Metal-Organic Frameworks for Electrochemical and Electrochemiluminescent Immunoassay[J]. Journal of Electrochemistry, doi: 10.13208/j.electrochem.2218003.

DOI：

10.13208/j.electrochem.2218003

http://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.2218003

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