金属有机骨架纳米结构比率型荧光探针的构建及其在生物传感中的应用

Two-dimensional materials (e.g., graphene oxide and MoS2) have been attracting tremendous interest as nanoprobes due to their selective adsorption affinity toward single-stranded DNA (ssDNA) and good fluorescence quenching capability. However, these materials usually have problems such as poor biodegradability. Metal-organic framework (MOF) nanosheets (2D-NMOFs) with structural diversity, good biodegradability and low toxicity, as compared to traditional two-dimensional materials, exhibit unique fluorescence quenching properties. It was found that the fluorescence quenching or recovery is determined by the charge properties (positive or negative) of the dyes. For fluorescent microRNA sensing, the present project will synthesize a series 2D-NMOFs with controllable structure and surface charges as the nanoprobe supports. After assembly of two dye-labelled DNA with different emission wavelength and charges, ratiometric sensing and imaging of microRNA in single cells will be performed. The results of the project will promise the construction of bio-safety nano-sensors with high performance.

二维纳米材料（如氧化石墨烯、MoS2等）因其优越的单链DNA 吸附性能和荧光猝灭性质，在生物传感领域具有重要的应用前景，但该类材料多存在生物可降解性差等问题。二维金属有机骨架（Metal-organic framework nanosheets, MOF nanosheets或2D-NMOFs）作为一种新型的纳米材料，具有结构多样、易被生物降解和毒性低的优点，同时还表现出与其他二维纳米材料不同的荧光传感特性：即荧光分子荷电类型决定了2D-NMOFs的荧光"猝灭/恢复"行为。本项目拟设计合成结构和荷电性可控的2D-NMOFs作为纳米载体，通过组装所带电荷类型与发射波长均不同的两种荧光分子标记的发夹型核酸适体，构建新型2D-NMOFs比率型荧光传感器；结合杂交链式反应技术，无酶放大检测信号，将构建的传感器应用于体外和细胞内microRNA的检测与成像，为发展更为安全、灵敏的纳米探针开辟新方法。

纳米级金属有机框架（Nanoscale metal-organic frameworks, NMOFs）作为荧光传感载体，具有合成条件较温和、形貌可调及结构多样等特点。NMOFs表面通常含有未完全配位的金属离子，与客体荧光分子相互作用后，可表现出多样的荧光传感行为。本项目利用柔性配体和镧系离子制备了不同的二维NMOFs。研究发现二维NMOFs边缘的金属离子，可吸附负电荷荧光分子（如FAM）标记的核酸适配体。当FAM和带有正电荷的TAMRA分别标记的适配体吸附于二维NMOFs后，对目标核酸的荧光传感行为表现出相反的信号变化。该相反的荧光信号变化可用于设计microRNA分子的比率型荧光传感器。我们进一步对一些经典NMOFs进行表面改性，用于microRNA分子的比率传感。利用镧系离子对ZIF-8表面进行二维镧系NMOFs的修饰（即核壳修饰），得到CS-ZIF-8。分别以FAM和TAMRA标记的适配体可与CS-ZIF-8组装比率传感器。在目标物microRNA存在条件下，带有负电荷的FAM与带有正电荷的TMARA表现出相反的荧光变化趋势。同理，带有负电荷的Cy5和带有正电荷的Texas red与CS-ZIF-8组装的比率传感器也表现出比率传感行为。此外，考察了MIL-101, MIL-88和MIL-100等NMOFs为载体的microRNA荧光传感性质，可通过设计不同功能化核酸适配体，实现microRNA的富集与高灵敏检测。 本项目的研究结果，促进了NMOFs在生物传感领域的应用，有希望得到基于NMOFs的microRNA检测试剂盒。