金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)作为一种新型的多孔晶体材料,又称多孔配位聚合物或者多孔配位网络结构,是由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键组装形成的具有周期性网络结构的新型分子晶体材料。相比于传统的分子筛及其他无机多孔材料,MOFs具有高的比表面积、可调控的孔结构、相对稳定的骨架结构、永久性的孔道及特殊的物理化学性质。MOFs己经被广泛的用于光学、磁学、电学、催化、传感等领域。迄今,基于MOFs高灵敏的生物分析在气体传感、细胞成像及活体治疗方面也得到了应用,己经成为当前生命科学分析领域的发展趋势。本文围绕MOFs的纳米组装、仿生催化及生物传感器的构建与分析方法,做了以下工作:1.卟啉功能化的MOF多孔碳的仿生催化及其电化学生物传感本工作设计了一种卟啉功能化的MOF炭化多孔碳作为仿生催化信号探针,用于电化学生物传感。首先,沸石型的MOF作为前驱体和模板,将其直接炭化得到多孔碳。采用TEM,N2吸脱附,XRD和XPS对制得的多孔碳进行表征。FeTCPP通过非共价键的方式与制备的多孔碳自组装,形成PorPC复合物,该复合物对O2的还原具有很好的催化性质。然后,结合葡萄糖氧化酶的催化作用,构建了通过消耗02产生信号的葡萄糖生物传感器。该生物传感器具有较宽的检测范围(0.5-18 mM),检测限为0.08mM(n=3)。另外,该传感器可以应用于人血清样品,且具有很好的稳定性和重复性,测得的回收率为97.3%-107.7%。因此该卟啉功能化的MOFs炭化多孔碳为构建生物传感器提供了很好的平台,且在实际样品和临床诊断方面具有很好的应用潜力。2.基于卟啉包裹的金属有机框架复合物的仿生催化及发卡DNA构象变化的DNA电化学传感策略通过一步法合成了卟啉(FeTCPP)包裹的MOF作为信号探针,结合发卡DNA的构象变化设计了一种灵敏的电化学传感器。并在MOF上修饰链霉亲和素(SA)作为识别元素。合成的FeTCPP@MOF复合物可以模拟HRP将邻苯二胺(O-PD)催化成邻偶氮苯胺,产生电化学信号。当目标DNA存在时,就会使得发卡DNA发生构象变化,变成SA的适配体结构。从而,FeTCPP@MOF-SA信号探针可以通过SA与其适配体的特异性识别连到电极表面,产生增强的电化学信号。该信号“开”的电化学传感器可以检测到目标DNA的线性范围为10fM-10 nM。更重要的是,MOF电化学传感器可以对DNA单错配具有很高的选择性,且在复杂的样品中具有很好的可行性。该策略为卟啉功能化的MOF在电化学生物传感中用于信号转换提供了良好的思路。3.基于卟啉金属有机框架探针与DNA三重螺旋结构变化的DNA电化学检测基于卟啉MOF的电催化作用和DNA三重螺旋结构变化诱导产生信号,发展了一种新型DNA电化学传感器。以共价修饰的链霉亲和素(SA)-锆基卟啉MOF(PCN-222@SA)作为信号探针,其对02具有很好的电催化作用。由于较大的位阻效应,信号纳米探针不能与固定在玻碳电极上的生物素标记的DNA三重螺旋结构相互作用。当目标DNA存在时,三重螺旋结构中的辅助DNA链与目标DNA杂交,使DNA三重螺旋发生结构变化。因此,末端修饰的生物素分子远离电极与探针PCN-222@SA结合,使信号探针键合到电极表面,电催化02还原,产生电流信号。同时,由于核酸外切酶Ⅲ的循环放大作用,显著地提高了该传感器的灵敏度。该方法已用于实际样品的检测。由卟啉MOF构筑的传感器可以用于多种分析物质的检测,具有很大的应用潜力。4.金属有机框架封装的Pt纳米粒子用于端粒酶的电化学检测通过一步法将Pt纳米粒子封装在金属有机框架(MOF)UiO-66-NH2中,基于Pt纳米粒子的电催化作用,构造了一种简单快速的电化学传感器用于端粒酶活性的检测。通过共价的方式将捕获DNA(cDNA)修饰到在MOF的表面上,作为信号探针。当端粒酶存在时,电极上的端粒酶引物延长,延长的部分与MOF上的cDNA形成双链,从而将信号探针连到电极的表面上。由于Pt@MOFs对NaBH4的氧化具有很强的电催化作用,该生物传感器具有较宽的检测范围(1毫升中5×102-107个HeLa细胞),通过这种方法计算得到单个HeLa细胞中端粒酶的活性为2.0×10-11IU。因此,这种方法为检测端粒酶的活性提供了很好的平台。5.基于纳米卟啉金属框架及目标撖发构象变化的端粒酶活性检测设计并采用一步法合成了一种以FeTCPP为配体和金属锆为节点的纳米卟啉有金属框架(PorMOF)。采用XRD、SEM和电化学技术对PorMOF进行表征,结果表明其对O2还原具有很好的催化作用。然后,采用链霉亲和素(SA)对其进行功能化作为信号探针用于端粒酶的电化学检测。当有端粒酶存在时,引发辅助DNAl(aDNAl)-辅助DNA2(aDNA2)双链中的aDNAl延长,发生构象变化而形成发卡结构,aDNA2从双链中释放出来,然后与电极上的捕获DNA杂交。PorMOF@SA可以通过生物素和SA的相互作用引入到电极的表面,从而产生电化学信号。该传感器具有较宽的线性范围,检测限为每毫升30个HeLa细胞。采用该方法估算出单个细胞的端粒酶活性为2.2×l0-11 IU,且具有较好的重现性和稳定性。纳米级的卟啉MOFs为电化学信号的转导提供了很好的平台,在生物分子检测和临床应用方面具有很大的应用潜能。6.双功能化的金属有机框架用作一氧化氮的自控催化与指示剂一氧化氮(NO)和其供体的成像在研究NO相关的生理和病理过程中具有很重要的作用。在本工作中,采用Cu基MOF催化亚硝基硫醇(RSNO)产生NO。XRD的数据表明,合成的Cu-MOF在水溶液中仍可以保持很好的结构完整性。在Cu-MOF中Cu2+为顺磁可以猝灭配体三苯胺的荧光,因此Cu-MOF在450nm处发出很微弱的荧光,当Cu-MOF与NO和RSNO反应时,配体的荧光迅速恢复,从而在450 nm处发出较强的荧光。当Cu-MOF与NO结合后,对RSNO的催化能力就会下降,从而表现出自控制的性质。研究表明,该材料可以用于细胞中NO和RSNO的成像。该双功能的MOFs为实时检测NO提供了很好的平台,同时为澄清NO相关的生物过程提供了新的方法学。