金属有机骨架纳米模拟酶的功能化用于构建高选择性生物传感器

Biolactive substances play a very important part in many physiological and pathological processes in living systems. It is thus of great significance to develop simple and fast analytical methods for them to deeply understand the essence of relevant biological process. In this project, we plan to select metal-organic frameworks (MOFs) with natural enzyme-like catalytic activities as biosensing platform and functionalize them with two manners by taking advantage of structural characteristics: one is target-directed modification of ligands before the preparation of MOFs to endow them with specific binding sites; the other is grafting recognition elements toward the targets onto MOFs or integrating them with other nanomaterials. The so-formed highly selective biointerfaces could be used for the construction of biosensors for bioactive substances, and further enable their cell imaging and real-time monitoring in living systems. This strategy will not only provide a promising tool to address the issue of poor selectivity in existing biosensors based on MOF nanozymes, but also broaden the biological applications of MOFs with enzyme-like catalytic activities.

生理活性物质在生物体系内许多生理和病理过程中起着非常重要的作用，对这些物质建立快速简便的分析方法有助于深入认识生命过程的本质，因此具有非常重要的意义。本项目拟通过合理设计和合成，选取具有模拟天然酶催化活性的金属有机骨架作为生物传感平台，充分利用其结构特点，通过两种方式对其进行功能化：一是在合成金属有机骨架前对配体进行有针对性的修饰，使其具有特异性识别位点；另一是通过后合成修饰方法，将与靶标特异性结合的识别单元接枝到金属有机骨架上，或与其他纳米材料复合。由此构筑的高选择性生物分子识别界面可建立针对多种生理活性物质的生物传感器，并进一步实现对实际生物体系内的生理活性物质的细胞成像和实时监测等。本项目的实施不仅有望解决现有此类生物传感器存在的选择性差的突出问题，而且也将拓展金属有机骨架作为纳米模拟酶在生物研究领域中的应用。

生理活性物质在生物体系内许多生理和病理过程中扮演着重要的角色，对这些物质的快速、简便分析检测具有非常重要的意义。本项目基于金属有机骨架（MOFs）的纳米酶性能，针对纳米酶基传感器对靶标分子选择性差的难题，通过合理设计，发展了几种功能化修饰策略，赋予了纳米酶基传感器高的选择性，拓展了纳米酶的分析应用范围，增强了其实际应用前景。首先，发展了两种功能化修饰策略（即利用分子印迹技术和引入核酸适配体）以提高纳米酶对靶标分子特异性识别能力，基于此构建了几种高选择性生物传感器，实现了复杂样品的可视化检测；其次，我们研究了锆基MOFs类磷酸三酯酶的催化降解有机磷神经毒剂类似物的活性。一方面，通过优化配体上的官能团种类和数目，实现了催化效率最优化，且将该方法用于气态神经毒剂类似物的实时可视化监测。另一方面，以锆基MOFs为载体，通过优化Cu单原子的负载量和调节其配位微环境，以简单的制备途径提高了锆基MOFs的类磷酸三酯酶催化性能；最后，以多种发光MOFs为传感平台，利用其优异的荧光性能和对靶标的刺激响应性，发展了一系列高选择性生物分析方法。本项目的实施为纳米酶基高选择性生物传感器的构建提供了新的思路和方法，具有重要的研究意义和潜在应用价值。