综述：基于金属有机框架的电化学发光生物传感技术：设计原理、信号放大策略及性能权衡

《Talanta》：Metal–organic framework–enabled electrochemiluminescence biosensing: Design principles, signal amplification strategies, and performance trade-offs

本文系统分析了MOFs在ECL生物传感器中的应用，探讨其作为纳米反应器、载体和杂合支架的多功能性，评估信号放大策略的性能权衡，并提出设计导向的指导方针以促进实际应用。

　　

朱亚文|朱博文|周小龙|刁宏瑞|周贤书|王进

中国江苏省南通市南通大学化学与化学工程学院，邮编226019

摘要

电化学发光（ECL）是一种高灵敏度的分析技术，适用于痕量生物传感，其优势在于信噪比高、激发可控且背景干扰可忽略不计。然而，实际应用中ECL传感器的性能往往受到界面电子转移缓慢、共反应物利用率低以及发光体稳定性有限等因素的限制。金属有机框架（MOFs）具有可调的孔隙率、模块化结构和多功能化学环境，成为解决这些问题的多功能平台，但同时也引入了新的设计复杂性。本文从传感器设计的角度，系统地评估了基于MOFs的ECL生物传感的最新进展，特别关注了信号放大策略及其相关的性能权衡。我们分析了包括基于核酸的反应级联、自增强ECL系统和共反应物调控策略在内的各种放大方法如何与MOF结构相互作用，从而影响灵敏度、动态范围、重复性和操作稳定性。从分析效益与合成及操作复杂性的角度，评估了MOFs作为纳米反应器、发光体和共反应物载体以及混合导电或催化结构组件的多功能作用。最后，讨论了阻碍实际应用的关键挑战，如信号重复性、制备可扩展性和器件集成问题，并提出了针对特定生物传感任务选择合适MOF结构和放大方案的设计指南，旨在弥合概念验证与实际ECL传感器开发之间的差距。

引言

电化学发光（ECL）是一种通过电化学反应产生激发态物种并随后发射光子的过程。由于其高灵敏度、时间和空间可控性以及较低的背景信号，ECL已成为生物传感、临床诊断和环境监测中痕量检测的强大分析技术[1]、[2]、[3]、[4]。与传统荧光方法不同，ECL不需要连续的外部光激发，从而减少了光漂白和自荧光效应[5]、[6]。尽管具有这些优势，但ECL传感器的实际性能仍常受到界面电子转移动力学缓慢、共反应物利用率低、发射体稳定性有限以及在电极界面上可控且可重复地集成多种功能组件的困难的限制。

为了解决这些问题，人们广泛研究了纳米材料，以增加电极表面的电活性面积、加速电荷传输并富集反应中间体[7]、[8]、[9]。其中，金属有机框架（MOFs）因其晶体结构、周期性孔隙率和化学可调的金属-配体配位环境而受到极大关注[10]、[11]。MOFs的模块化特性使得可以合理控制分子的可及性、局部化学微环境和电子耦合，使其能够作为纳米反应器、发光体和共反应物的载体以及混合支架使用。重要的是，这些多功能特性使MOFs不仅仅是被动信号增强剂，还是影响电荷转移路径、放大效率和整体传感器稳定性的主动设计元素。通过提供富集反应物种的受限空间、缩短扩散路径并促进自由基生成和湮灭过程，MOFs为增强ECL信号提供了独特的机会，但同时也引入了与结构复杂性、合成重复性和操作稳定性相关的性能权衡[12]、[13]、[14]、[15]。

近年来，基于MOFs的ECL平台越来越多地与多种信号放大策略结合使用，包括基于核酸的反应级联、自增强ECL系统和共反应物调控机制。这些方法旨在通过将分子放大过程与MOF促进的电荷和能量传输相结合来实现协同信号增强。此外，MOFs与导电碳材料、贵金属或量子点的结合已被广泛用于提高电子迁移率、催化活性和功能集成，从而开发出具有更复杂结构和优异分析性能的ECL生物传感器。

尽管取得了显著进展，现有的综述主要集中在特定的MOF材料或单一放大策略上，而对设计选择如何影响分析性能、稳定性和实际应用性的关注相对较少。特别是，放大效率、合成复杂性和操作重复性之间的权衡尚未得到充分研究。本文采用传感器设计的视角，系统地分析了基于MOFs的ECL生物传感系统，重点探讨了MOFs作为纳米反应器、载体、促进剂和混合支架的功能。我们研究了这些多功能角色如何调节电子转移路径、自由基生成和信号放大效率，从而影响灵敏度、动态范围、稳定性和器件集成。如图1所示，MOFs在ECL系统中可以扮演多种角色，每种角色对信号生成和分子识别都有不同的贡献。因此，本文的结构如下：第2节从传感器设计的角度比较了主要的MOF辅助放大策略；第3节讨论了纳米材料在基于MOFs的ECL系统中的协同集成；第4节重点介绍了MOFs作为调节界面过程的合理设计平台；第5节总结了新兴的结构、合成和数据驱动的设计策略；第6节讨论了实际挑战，并概述了面向应用的基于MOFs的ECL生物传感器的未来发展方向。

ECL生物传感器中的信号放大策略

信号放大被广泛用于提高ECL生物传感器的灵敏度和检测限；然而，越来越复杂的放大架构也可能引入与系统复杂性、信号重复性和实际应用相关的额外挑战[16]、[17]、[18]。从传感器设计的角度来看，有效的放大策略应平衡信号增强与操作稳定性和结构简化。

集成在ECL生物传感中的纳米材料

纳米材料在基于MOFs的ECL生物传感系统中发挥着支持性和关键作用，作为催化增强剂、电极修饰剂和信号载体。它们与MOFs的结合通过加速电子转移、稳定反应中间体和提高信号转导效率来实现协同放大。除了增加表面积外，纳米材料还与MOF框架相互作用，调节局部反应物

MOFs在ECL应用中的设计相关特性

MOFs为ECL生物传感提供了独特的设计灵活性，这得益于对孔隙几何形状、表面化学和金属-配体配位的精确控制[82]、[83]、[84]。MOFs不仅仅是被动支撑结构，还能实现反应物限制、电子/能量传输路径和界面反应动力学的结构导向调控[85]、[86]、[87]。关键的结构参数包括孔径分布、框架刚性和配体功能

MOF结构的合理设计

MOFs的合理结构设计为在分子层面调控ECL过程提供了基本手段。通过调节孔径分布、缺陷密度和配体功能，MOFs可以直接调控反应自由基中间体的可及性、寿命和碰撞概率，从而控制ECL系统中的电子和能量传输效率[13]。对孔径尺寸的精细控制有助于局部富集发光体和共反应物，促进

信号重复性和操作稳定性

尽管基于MOFs的ECL生物传感取得了显著进展，但要实现可靠传感应用中的可重复和稳定的信号输出仍是一个关键挑战。温度、pH值和离子强度的变化会改变MOF孔内的微环境，从而影响共反应物的扩散、自由基寿命和发光体发射效率。此外，非均匀负载、部分发光体泄漏和框架逐渐降解可能导致重复实验中的信号漂移

结论

MOFs已成为电化学发光生物传感的多功能且有效的平台，作为纳米反应器、发光体和共反应物的载体以及混合支架，共同增强了信号强度、灵敏度和选择性。将MOFs与多种信号放大策略（包括基于核酸的级联反应、自增强系统和共反应物促进剂）相结合，通过空间限制和反应物调控实现了ECL的协同增强

CRediT作者贡献声明

王进：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。周贤书：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。朱亚文：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念构思。周小龙：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。朱博文：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化。刁宏瑞：撰写——审稿与编辑、可视化、监督

数据可用性

本文研究未使用任何数据。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：21665029、22101144）和江苏省研究生研究与实践创新计划（编号：KYCX24_3546、KYCX25_3668）的财政支持。