基于MOF-on-MOF结构的复合酶级联传感器，用于实时监测体液中的尿酸含量

《Talanta》：MOF-on-MOF multi-enzyme cascade sensor for visual monitoring of uric acid in body fluids

检测尿酸的双模MOF-on-MOF荧光传感系统构建及其在体液检测中的应用

　　在现代医学与健康监测领域，生物标志物的检测扮演着至关重要的角色。它不仅有助于疾病的早期诊断，还能为精准医疗和环境健康监测提供重要的依据。近年来，随着人们对健康状况评估和疾病发展跟踪需求的增加，开发快速、可靠且高灵敏度的生物标志物检测技术成为科研的重点方向之一。本文介绍了一种基于金属有机框架（MOF）结构的超灵敏检测系统，该系统由MIL-100(Fe)@MOF-Tm构成，能够用于检测尿酸（UA），这是一种在人体内常见的嘌呤代谢产物。尿酸在健康人群中的血清浓度范围是男性150-480 μM，女性90-360 μM。然而，过量的嘌呤摄入或体内过量生成可能导致尿酸水平升高，进而引发多种疾病，如痛风性关节炎、尿毒症和高尿酸血症。另一方面，尿酸也具有天然抗氧化功能，有助于抵御神经退行性疾病的负面效应。

为了满足对尿酸检测的高效、便捷和精准需求，研究人员探索了多种方法，包括液相色谱（HPLC）、比色分析、电化学分析等。尽管这些方法在某些情况下已被广泛应用，但它们仍存在一些明显的局限性。例如，HPLC方法需要昂贵的仪器和复杂的样品预处理步骤，而电化学方法则受限于血液中多种生物标志物共存带来的干扰。此外，传统的比色和荧光方法虽然具有操作简便、灵敏度高和选择性好的优点，但往往需要额外的便携式紫外灯，限制了其在实际应用中的便利性。因此，设计一种便携、可靠且适用于体液中尿酸定量检测的传感器显得尤为重要。

本文提出了一种创新性的双模式检测方法，该方法基于MIL-100(Fe)@MOF-Tm结构，结合了比色和荧光检测技术。这种传感器在检测尿酸时，能够通过两种不同的方式表现出反应：在紫外线下，其荧光颜色从蓝色变为黄色；而在自然光下，颜色则从无色变为深黄色。这种双模式的响应机制使得传感器不仅具有更高的灵敏度，还能提供更直观的检测结果。通过这种结构，研究人员成功地实现了尿酸的低浓度检测，其检测限达到了3 nM，这一水平远低于传统方法的检测限，表明该传感器在灵敏度方面具有显著优势。

该研究的核心在于构建MOF-on-MOF异质结构，这种结构不仅提升了尿酸检测的效率，还增强了传感器的稳定性和可重复使用性。MOF-on-MOF结构由两个或多个不同的MOF材料耦合而成，其高孔隙率和大的表面积为酶的负载提供了丰富的结合位点，从而最大化了酶促反应的效果。此外，MOF材料表面的金属位点可能在催化反应中起到关键作用，进一步提高了检测的灵敏度和效率。为了验证这一结构的有效性，研究人员首先合成了MIL-100(Fe)和MOF-Tm两种MOF材料，然后通过磁力搅拌和水浴加热的方式将它们结合，最终获得了MIL-100(Fe)@MOF-Tm纳米探针。

为了确保检测系统的性能，研究人员对关键参数进行了优化，包括反应的pH值和时间。在模拟人体生理环境的pH范围内，他们发现pH值为7.5时，传感器的荧光强度和紫外吸收值达到最大。这表明在该pH条件下，尿酸与尿酸酶的反应最为有效。此外，他们还研究了不同pH值对检测性能的影响，并确定了最佳的反应条件。在反应时间方面，他们发现，当尿酸浓度为100 μM时，荧光强度和紫外吸收值在2分钟内迅速上升并趋于稳定，这说明检测系统具有快速响应的特点。

为了进一步验证该传感器的性能，研究人员进行了选择性和抗干扰性测试。他们将尿酸与其他常见的生物分子（如维生素C、葡萄糖、甘露糖）以及可能的干扰物质（如甘氨酸、钾离子、钠离子、碘离子、氯离子、硫酸根离子、尿素等）同时引入检测系统，观察其对尿酸检测的影响。结果显示，这些干扰物质对尿酸的检测几乎没有影响，说明该传感器具有良好的选择性和抗干扰能力。这一特性使其在复杂的生物样本中依然能够提供准确的检测结果。

此外，为了确保该检测方法在实际应用中的可行性，研究人员在真实样本中测试了尿酸的检测效果。他们使用了医院提供的尿液样本和人工合成的汗水样本，验证了该传感器在实际应用中的稳定性。在尿液样本中，尿酸的检测结果与高效液相色谱-质谱联用技术（HPLC-MS/MS）的检测结果一致，进一步证明了该方法的可靠性。同时，该传感器还被用于汗水中的尿酸检测，显示出良好的检测效果。通过将尿酸检测探针与纸基传感器和水凝胶传感贴片结合，研究人员开发了一种便携且适用于现场检测的平台。

为了提高检测的便捷性，研究人员还开发了一种基于智能手机的检测系统。通过将检测探针滴加到非荧光纸条上并进行干燥处理，他们构建了一种便携的尿酸检测平台。该平台利用智能手机作为图像采集设备，结合紫外灯进行激发，并通过颜色识别软件提取图像中的RGB值以实现定量分析。这种检测方法不仅操作简便，而且能够提供直观的检测结果，有助于在日常健康监测中广泛应用。

在水凝胶传感贴片的开发方面，研究人员通过溶解聚乙烯醇（PVA）并加入检测探针，形成了具有高孔隙率的水凝胶材料。这种水凝胶贴片在自然光下呈现透明颜色，而在接触含有不同浓度尿酸的汗水后，颜色会从浅黄色转变为深黄色。这种颜色变化不仅可以通过肉眼观察，还能通过智能手机拍照并使用颜色识别软件进行定量分析。水凝胶贴片在30天的存储稳定性测试中表现良好，其检测结果的重复性误差低于5%，说明该材料具有良好的稳定性和重复使用性。

综上所述，本文提出了一种基于MOF-on-MOF结构的双模式尿酸检测系统，该系统不仅具有超高的灵敏度和选择性，还具备良好的稳定性和可重复使用性。通过结合纸基传感器和水凝胶贴片，研究人员开发了一种便携且适用于现场检测的平台，能够满足日常健康监测和疾病早期诊断的需求。这种创新性的检测方法为尿酸的定量分析提供了新的思路，并为开发新型个人医疗传感器开辟了新的途径。未来，随着相关技术的进一步发展，该检测系统有望在临床和日常健康监测中发挥更大的作用。