利用信号放大的二维Zr-MOFs，通过DNAzyme驱动的电化学方法检测铜离子

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：DNAzyme-driven electrochemical detection of copper ions using signal-amplifying two-dimensional Zr-MOFs

【字体：大中小】 时间：2026年04月29日 来源：Journal of Electroanalytical Chemistry 4.1

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　　彭马|刘鹏城|张博浩|郑青音|王晨|胡文超滨州医学院基础医学院、特殊教育学院、口腔医学院，中国烟台264003摘要铜离子（Cu2+）的超灵敏检测对临床诊断和环境监测至关重要。本研究介绍了一种新型电化学检测方法，利用二维锆基金属有机框架（2D Zr-MOFs）作为电化学信号放大器，

彭马|刘鹏城|张博浩|郑青音|王晨|胡文超

滨州医学院基础医学院、特殊教育学院、口腔医学院，中国烟台264003

摘要

铜离子（Cu²⁺）的超灵敏检测对临床诊断和环境监测至关重要。本研究介绍了一种新型电化学检测方法，利用二维锆基金属有机框架（2D Zr-MOFs）作为电化学信号放大器，并结合Cu²⁺特异性DNA酶进行目标识别。Zr-MOFs独特的二维结构提供了大量的暴露活性位点，从而实现强而稳定的电化学响应。检测机制基于Cu²⁺诱导的DNA酶切割，通过2D Zr-MOFs实现显著的电化学信号放大。所制备的生物传感器具有1.12×10^?12 M的优异检测限，线性检测范围为10^?11至10^?4 M，同时具有出色的选择性和重复性。此外，该生物传感器在真实水样中的表现也证明了其实际应用性。这项工作不仅为Cu²⁺检测提供了一个优越的平台，还开创了一种将MOFs的电化学信号增强特性与DNA酶的识别特异性相结合的通用策略，为下一代高性能电化学传感器的发展铺平了道路。

引言

铜离子（Cu²⁺）是多种生理过程中不可或缺的微量元素，如细胞呼吸、髓鞘形成、免疫反应、伤口愈合和神经递质合成[1]、[2]、[3]、[4]。然而，维持铜的稳态非常重要，因为其失调可能导致不良影响。过量的Cu²⁺会抑制酶活性，破坏代谢途径，并催化活性氧的生成[5]。这种失衡与威尔逊病[6]、肌张力障碍[7]、阿尔茨海默病[8]和癌症转移[9]等严重健康问题相关。因此，快速准确地检测Cu²⁺对于疾病诊断和环境监测至关重要。

传统的Cu²⁺检测方法通常包括原子荧光光谱[10]、阳极剥离伏安法[11]、原子吸收光谱[12]和电感耦合等离子体原子发射光谱[13]。然而，这些方法往往需要复杂的样品制备、昂贵的仪器设备，并且需要专业操作人员，这限制了它们的广泛应用。最近，基于功能性纳米材料和生物传感策略的新型电化学传感平台成为了一个有吸引力的选择，具有成本效益、操作简便、高灵敏度和易于微型化的特点[14]。例如，一种采用双沉积和双剥离方法的电化学系统实现了0.21 nM的Cu²⁺检测限，远低于饮用水标准20 μM[15]。另一个例子中，聚（azure A）修饰电极利用Cu²⁺催化的芬顿反应实现了8.4 nM的显著检测限[16]。这些例子突显了电化学方法在Cu²⁺敏感检测中的实用性。

传统的电化学传感器通常使用二茂铁、亚甲蓝或硫辛酸等小分子作为信号报告剂[17]、[18]、[19]。然而，它们的简单结构往往需要额外的修饰才能引入识别元素，这使得传感器设计和制造变得复杂[20]。最近，金属有机框架（MOFs）作为一种新型电活性信号材料受到了广泛关注，因为它们具有结构可调性、高孔隙率和稳定的电活性[21]、[22]。尽管已经研究了许多三维（3D）MOFs，但它们的电化学效率常常受到内部活性位点访问受限和底物扩散缓慢的限制[23]、[24]、[25]。相比之下，二维（2D）MOFs由于其超薄的二维结构，提供了更大的比表面积、更高的暴露活性位点密度以及显著缩短的质量传输路径，从而提高了电化学性能[26]。例如，Min Qing等人开发了一种使用2D MOFs作为信号生成元件的Hg²⁺生物传感器，该传感器位于一个3D DNA“纳米安全盒”中，其中2D Co-MOFs产生的差分脉冲伏安法氧化峰电流作为分析信号，实现了低至33 fM的检测限[27]。尽管基于MOFs的电化学检测方法越来越受到关注，但将2D MOFs作为Cu²⁺响应性DNA酶生物传感器中的内在电活性信号报告剂的应用仍需进一步探索。

本研究提出了一种用于Cu²⁺超灵敏检测的新型电化学生物传感器，该传感器将2D Zr-MOFs作为高效电化学信号报告剂，并结合高特异性的DNA酶作为识别单元（示意图 1）。传感界面是通过将Zr-MOFs固定在玻璃碳电极（GCE）上构建的，然后电沉积金纳米颗粒（AuNPs）以提高导电性并为巯基修饰的基底链（S-DNA）提供锚定位点。用6-巯基-1-己醇（MCH）封闭后，DNA酶链（E-DNA）与S-DNA杂交形成完整的DNA酶[28]。所提出的传感策略依赖于目标物质在电极界面上引起的结构变化。当Cu²⁺引入时，激活的DNA酶会切割S-DNA，使其片段从电极表面解离。这种解离减少了电极表面的空间阻滞效应，促进了电荷转移和来自2D Zr-MOFs层的信号输出。因此，Cu²⁺依赖的切割事件被转化为可测量的电化学电流变化。分析信号来自2D Zr-MOFs本身的电化学氧化电流，而不是来自外部氧化还原标记物。所开发的传感器对干扰离子具有高选择性，线性检测范围为10^?11至10^?4 M，检测限为1.12×10^?12 M。它在海水和自来水等实际水样中的表现也令人满意。2D Zr-MOFs的优秀电活性与DNA酶的识别特异性相结合，为构建高性能电化学生物传感器提供了一种强大的策略。

章节摘录

材料与试剂

S-DNA：(5′-AGCTTCTTTCTAATACGGCTTACCTAC-(CH₂)₆-SH-3′ 和 E-DNA：5′-GTAGGTAAGCCTGGGCCTTTTTCTTTTTAAGAAAGAAC-3′（延长3个核苷酸以减少空间阻碍）由上海Sangon Biotech有限公司合成[29]。CuCl₂·2H₂O、ZrCl₄、CoCl₂、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、6-巯基-1-己醇（MCH）和三乙胺（TEA）购自上海Macklin生化有限公司。2-氨基对苯二甲酸（NH₂-BDC）和三（2-羧基乙基）膦

2D Zr-MOFs的合成与表征

2D Zr-MOFs是通过超声辅助的形态控制方法合成的。在长时间超声处理下，所得Zr-MOFs呈现出类似二维纳米片的形态。这可能是由于超声处理抑制了颗粒聚集和平面外生长[30]。此外，低温（4°C）的使用是为了防止长时间超声处理过程中的热量积累，并可能有助于限制各向同性生长

结论

总之，我们通过创新地将2D Zr-MOFs作为出色的信号放大器与特异性DNA酶集成，成功构建了一种无标记的电化学生物传感器，实现了Cu²⁺的超灵敏和选择性检测。由于2D Zr-MOFs的超薄结构及其丰富的暴露活性位点，它们作为高效电化学信号放大器，增强了信号输出。在Cu²⁺存在下，激活的DNA酶确保了

CRediT作者贡献声明

彭马：撰写——原始草案、实验研究、数据分析。刘鹏城：实验研究、数据分析。张博浩：资源提供、实验研究、数据分析。郑青音：指导、资源提供。王晨：指导、实验研究。胡文超：撰写——审稿与编辑、指导、软件开发、资金申请。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的财务或个人利益。

致谢

国家自然科学基金（编号22204006、22022412、22274076）、山东省教育厅（编号2023KJ258）、深圳市医学研究基金（编号B2402041）以及烟台市“

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引言

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材料与试剂

2D Zr-MOFs的合成与表征

结论

CRediT作者贡献声明

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