【Trends Anal.Chem】用于检测癌症生物标志物的电化学发光金属有机框架生物传感材料
用于检测癌症生物标志物的电化学发光金属有机框架生物传感材料
Trends in Analytical Chemistry ( IF 14.908 )
Pub Date : 2022-07-12
DOI: 10.1016/j.trac.2022.116735
Highlights
Signal amplification principle and working of electrochemiluminescence (ECL).
Metal-organic frameworks (MOFs) materials as ECL biosensors to detect cancer biomarkers.
Encapsulation of NPs, inorganic and organic luminophores as ECL enhancers.
Challenges and future trends in MOF as ECL biosensors.
强调
电化学发光（ECL）的信号放大原理和工作原理。
金属有机框架 (MOF) 材料作为 ECL 生物传感器检测癌症生物标志物。
作为 ECL 增强剂的纳米粒子、无机和有机发光体的封装。
MOF 作为 ECL 生物传感器的挑战和未来趋势。
Early detection of severe diseases like cancer is an urgent need for public health and safety. It can determine by using synthesized materials for sensing cancer biomarkers. Electrochemiluminescence (ECL) sensing of cancer biomarkers is getting much more attention these days.
早期发现癌症等严重疾病是公共卫生和安全的迫切需要。它可以通过使用合成材料来检测癌症生物标志物来确定。如今，癌症生物标志物的电化学发光 (ECL) 传感越来越受到关注。
Metal-organic frameworks (MOFs) show excellent ECL properties and are getting much attention for sensing cancer biomarkers. The functionalities present and tunable structure of MOFs provide a great sensing platform.
金属有机框架 (MOF) 显示出优异的ECL特性，并在检测癌症生物标志物方面受到广泛关注。MOF的现有功能和可调结构提供了一个很好的传感平台。
This review summarizes the mechanistic study of detecting cancer biomarkers using MOF materials. Compelling goals such as efficiency, fabrication of MOFs, immobilization or encapsulation by nanoparticles, organic or inorganic lumiphores, and detection range and limit have been studied and described well.
本综述总结了使用MOF材料检测癌症生物标志物的机理研究。已经很好地研究和描述了诸如效率、MOF的制造、纳米粒子、有机或无机发光体的固定或封装以及检测范围和限制等令人信服的目标。
图 4：用于传感分析物的 MOF ECL 传感器概述，例如与糖化血红蛋白 (HbA1c) 相关的分析物，心肌肌钙蛋白 I；ATP 分子，胰岛素; 蛋白激酶 A，CA19-9抗原检测，粘蛋白 1，阳离子检测。
在过去的几十年里，各种由无机和有机材料组成的先进多孔材料，如沸石、多孔有机聚合物、金属有机骨架(MOF)、共价有机骨架(COF)、超分子骨架等，已在众多科技领域得到广泛青睐。其中，MOFs和COFs作为一类新兴且蓬勃发展的有序多孔材料，自Yaghi课题组分别于1995年和2005年首次发现以来，就引起了广泛的研究兴趣和思考MOFs是由有机连接体和过渡金属离子作为二级结构单元（SBUs）通过自组装组成的，是具有周期性网络结构的结晶多孔无机-有机杂化材料。
此外，COF是一类由轻元素（H、B、C、N和O）通过强共价键与有机单体连接的多孔材料。近年来，MOFs和COFs以其突出的灵活设计性、突出的表面积、显着的高热稳定性和拓扑结构多样性等特点，在气体吸附/分离方面显示出广泛的潜在应用，催化，传感，色谱分离和储能。
近来，为了增强原有单一材料的性能，越来越多地关注功能组分的组合以获得核壳或掺杂复合材料，其可以结合单个组分的物理和化学性质和功能。目前，MOFs的大量研究重点已从早期合成转向对其性能和应用的研究。然而，由于一些固有的缺陷，MOFs的应用范围仍然相对有限。
例如，在大多数MOF的实际应用中，配位键的相对强度通常仍然是一个巨大的挑战，特别是在极其恶劣的条件下。为了克服这些问题，研究人员开始将MOFs与其他功能材料结合制备复合材料，如MOFs/二氧化硅、MOFs/聚合物、MOFs/酶、MOFs/碳材料和MOFs/MOFs，它们不仅具有原始组件的结构特征，而且还表现出一些额外的特性以满足实际需要。例如，我们小组最近报道了MOF磁性碳纳米片和核壳MOF/聚合物复合材料，可大大增强样品预处理和色谱分离。
图 6：示意图显示了检测生物标志物的可能机制。
与MOFs类似，COFs的发展也逐渐实现了从合成到应用的转变。与MOFs相比，COFs也有一些固有的局限性，例如微晶COFs粉末在大多数溶剂中的不溶性和分散性差。为了开发基于COFs的杂化材料，包括金属纳米颗粒、碳材料、聚合物、不同的COFs和量子点，已经做出了巨大的努力来装饰COFs与其他功能材料。，从而避免缺陷以改善原始材料的性能。
此外，对于MOFs和COFs，功能组件的组合可以通过相互交叉功能化来实现。一方面，如果将MOFs的SBUs整合到COFs的构建单元中，复合材料将同时表现出MOFs和COFs的性能，这将激发和促进MOFs和COFs的进一步发展，并带来一些新颖的功能，即无法通过单个组件来实现。以金属共价有机框架（MCOFs）的发展为例，COFs缺乏活性金属中心的限制可以通过在高度稳定的COFs中引入单一金属离子或单核金属配合物来解决。
另一方面，为了最大限度地发挥其固有特性并赋予附加功能，将MOFs和COFs材料结合起来以产生协同效应是一个很好的策略。例如，傅等人合成了一类新的COF@MOF复合膜，它超过了用于H2/CO2气体对混合分离的聚合物膜的Robeson上限，是迄今为止报道的最好的气体分离MOF膜之一。此后，MOFs和COFs的结合成为一个新的研究方向，并越来越多地研究以获得不同领域性能优异的MOF/COF复合材料（图1）。
2 . MOF/COF复合材料的合成策略
近年来，各种新策略，包括SERS、SPR等，已被用于构建适体传感器。在本节中，我们总结和描述了适体传感器用于病毒检测的常见检测机制，包括比色法、荧光法、SPR、SERS、电化学检测和场效应晶体管（FET）。
3 . MOF/COF复合材料的分析应用
病毒抗原检测是现场检测的主要方法，对有效预防病毒具有重要意义（见表1）。许多病毒蛋白，包括包膜蛋白（HBV、流感、埃博拉、登革热、SARS-CoV-2等）、衣壳蛋白（HCV、诺如病毒、HPV等）、核蛋白（流感、SARS-CoV-2等）和功能蛋白(HIV)已被用作诊断不同病毒的生物标志物（图2）。
简要总结了这些蛋白质的功能和特征（表2）。这些生物标志物的相应适体也由SELEX程序筛选（表3）。本节将病毒检测按照用于检测病毒体或抗原的适体传感器中适体识别的靶蛋白分为包膜蛋白、衣壳蛋白、核蛋白和功能蛋白检测。
在上述用于病毒检测的适体传感器中，适体具有对病毒颗粒（包膜蛋白、衣壳蛋白、核蛋白或功能蛋白）的特异性识别位点。这些适配体中的大多数使用可溶性纯化蛋白质作为靶标，并通过传统的SELEX程序获得。
然而，随着SELEX技术的发展，也可以使用完整的病毒体作为靶点来筛选特定的适体。这些适体可以特异性识别并结合病毒体，但它们的结合位点是未知的。在本节中，我们回顾了这些适体在病毒检测中的应用。