对疾病相关生物物质的特异性检测分析是对疾病的早期诊断、病情监测以及疗效评估的重要手段和研究依据,也是进一步理解疾病生物学,管理疾病发展最有力的技术手段之一。随着对疾病机理研究的深入,临床诊断的需求也越来越高,特别是针对非侵入性样本中低丰度生物分子靶标的检测,研发能够简单快速、灵敏便捷的检测分析方法已成为学术界的研究热点。随着生物、化学、材料等学科的不断交叉融合,纳米材料由于其优异的特性在生化分析领域发挥了重要作用。金属有机框架（MOFs）作为新兴的无机-有机杂化多孔纳米材料,由于其独特的物理化学性质,自发现以来,就迅速引起了研究者广泛的关注与兴趣。同时,其独特的多孔结构、高度分散的金属节点、可调节的孔径大小等优点使其在生化分析领域表现出了优异的性能,体现了其巨大的应用价值和发展前景。本论文通过采用不同的修饰方式对MOFs材料进行功能化,使其更加适用于生化分析,通过结合电化学、光学、比色等信号输出手段,建立了若干简单、快速、灵敏的生物传感系统。这些传感系统不仅可以用于临床样本的检测分析,也适用于技术设备有限的地区,有望实现即时检测,为疾病的早期筛查、病程判断、有效治疗提供新的技术支持。具体研究内容如下:1.电活性金属有机框架的制备及恶性胶质瘤外泌体检测分析恶性胶质瘤是大脑中最致命的肿瘤之一,由于致癌多样性和血脑屏障的复杂性,其早期诊断在技术上仍然具有挑战。恶性胶质瘤分泌的特定外泌体可以穿过血脑屏障进入体液循环,并且携带有恶性胶质瘤细胞所具有的生物信息,因此可以作为非侵入性生物标志分子之一用于恶性胶质瘤的早期诊断。在论文本部分工作中,我们构建了一种灵敏、无标记的电化学生物传感系统,通过利用MOFs材料的多孔性,使锆基金属有机框架（Zr-MOFs）具有电活性,表现了恶性胶质瘤分泌的外泌体的特定分析检测。在该传感器中,电极表面固定的肽配体可以通过与恶性胶质瘤分泌的外泌体上过表达的人表皮生长因子受体（EGFR）和EGFR III型突变体（EGFRv III）特异性结合,从而对外泌体进行捕获。同时,通过Zr簇与外泌体外部固有的磷酸基团之间的相互作用,使包裹大量电活性分子的Zr-MOFs结合在外泌体表面,进行信号的转导与放大。通过检测MOFs内部的电活性分子,可以直接进行外泌体浓度的定量分析。该生物传感器可以区分恶性胶质瘤患者与健康人血清样本,证明了其在早期临床诊断应用中的巨大前景。2.导电性金属有机框架的制备及病原菌检测分析由于医疗、农业等领域抗生素的过量使用和滥用,微生物感染特别是耐药病原菌的感染已经成为世界范围内日益严重的问题。因此,建立快速、高效的感染性疾病相关病原菌检测方法,对及时、恰当地临床治疗和指导抗生素的合理使用具有重要意义。本部分工作通过电化学沉积将MOFs薄膜原位生长在玻碳电极上,使MOFs具有良好的导电性,从而构建了简单、有效的电化学传感器,用于微生物的定量分析。在该方法中,构建的传感器不仅可以通过适配体特异性的识别菌体,进行直接的检测,而且可以利用金黄色葡萄球菌特异性分泌的微球菌核酸酶（MNase）进行金黄色葡萄球菌含量的定量分析,通过对菌体以及上清的双重检测,可以更加准确的完成病原菌的检测分析。此外,该传感器不需要加入额外的信号标签,通过电化学的直接信号输出,实现了简单快捷的靶标菌检测。通过在复杂样本中病原菌的实验分析结果,该传感器具有良好的灵敏性、特异性以及实际样本检测的能力,表现了较好的临床应用潜力。此外,由于MNase是金黄色葡萄球菌致病因子之一,因此可以通过MNase含量的测定而分析金黄色葡萄球菌致病性,有望为病原菌的耐药性研究提供新的思路。3.多肽/金属有机框架的制备及多种病原菌检测分析病原菌的感染会引起的极其严重的后果,因此,快速有效地鉴定病原菌在临床诊断中发挥了重要的作用。然而,微生物是一个复杂的体系,其组成成分的不同可以导致不同的疾病发生,因此,针对多种微生物病原菌的检测比一种特定微生物的鉴定更有意义。本部分工作主要利用病原菌表面具有多种组分的特性,构建了一种基于功能肽结合二维金属有机框架（2D-MOFs）的荧光阵列传感器,进行简单快速地识别、鉴定不同的病原菌。由于MOFs出色的物理和化学特性,二维MOFs片层可以更快地吸附标记荧光基团的肽链,从而快速有效地淬灭其荧光基团。在病原菌存在的情况下,病原菌膜表面的阴离子基团或其它不同的分子组成使其可以与2D-MOFs材料、肽链发生相互的非特异性吸附,标记荧光基团的多肽链可以从MOFs表面释放下来,从而恢复其荧光强度。根据靶标加入前后荧光强度的改变,该传感器可以快速有效地识别不同种类病原菌。该方法可以从尿液中100%的区分不同的病原菌,证明了该传感器在复杂生物样本中的有效性和准确性。此外,该传感器进行病原菌鉴定的过程仅需15分钟,表现了其快速有效的优越性,在及时诊断、临床治疗和快速地监测传染病方面具有巨大的应用价值。4.金纳米颗粒/金属有机框架复合纳米材料的制备及癌胚抗原检测分析蛋白质是生物体内重要的生物组成分子,在生命的许多活动中起着重要的作用,其表达水平的异常往往与某些疾病相关,因此,对相关蛋白质进行检测分析在疾病早期的诊断中具有重要的临床意义。本部分工作中,通过利用二维MOFs片层的模拟酶活性,并在其表面修饰金纳米颗粒（Au NPs）,且进一步在其表面修饰适配体使其具有识别功能,从而制备了一种具有较高模拟酶活性的纳米探针,将其用于蛋白质的定量分析。由于该复合纳米材料具有较强的酶活性和更稳定的分子结构,该传感器表现了很好的稳定性、灵敏性和特异性。以癌胚抗原（CEA）的分析检测为例,临床样本实验结果表明,该传感器能够用于人血清中CEA浓度的检测,实现健康和结直肠癌患者样本的成功区分,表现了很好的临床应用价值。此外,该传感器的信号输出手段依据的是颜色的变化,在不依靠仪器设备的前提下可以简单的进行肉眼观察,实现可视化检测。MOFs材料可以实现大规模生产,而且成本低、使用方便,使得该传感器适用于偏远或资源匮乏地区,在即时检验（POC）中表现了很大的应用潜力。5.DNA/金纳米颗粒/金属有机框架复合体系的制备及多种蛋白质检测分析疾病的生成往往涉及多种蛋白质的表达异常,例如男性不育症,精液中高度丰富的蛋白质与精子的功能具有紧密相关性。因此,快速准确地鉴定精液对于男性不育症的诊断和个性化治疗具有重要的意义,然而精液样本的复杂性和多样性给男性不育疾病的诊断带了了很大的困难。本部分工作通过DNA/Au NPs/MOFs复合体系构建了一种比色阵列传感器,用于多种蛋白质的检测分析,同时,通过对精液样本的鉴别,该传感器可以成功用于男性不育疾病的诊断。具体而言,Zr-MOFs可以通过Zr簇与DNA磷酸骨架之间的相互作用,从而吸附单链DNA进而沉淀ss DNA-Au NP,使得溶液上清颜色变浅,当加入待测蛋白或精液样本,靶标中含有的蛋白质分子会影响Zr-MOFs和ss DNA-Au NP的共沉淀,上清液的颜色将发生变化。该方法可以根据上清颜色的不同进行样本的差异性分析,进而实现多种蛋白的鉴定。实际结果表明,该传感器可以完全鉴别出不同的精液病例样本,证明了其在男性不育诊断中的简便性、可行性和有效性。