卟啉基2D金属有机框架纳米片的制备、生物功能化及生物传感

Two-dimensional metal-organic frameworks (2D MOFs), the promising candidate of new 2D materials, has attracted wide interesting among researchers. 2D MOFs has been highlighted as ideal platforms for the applications in hydrogen evolution reaction and oxygen evolution electronic reaction. However, the development in chemistry and bioanalysis is little exploited. Focusing on the key scientific issues in detection of biomolecules with electrochemical method by using the new 2D nanomaterials, this project aims to synthesize the 2D MOFs with good biocompatibility, high stability and good catalytic performance, and to design the 2D MOFs-based nanoprobes for detecting the biomolecules based on the new achievements of analytical chemistry, nanomaterials chemistry, molecular biology and materials chemistry. The main project includes the research on the binding capacity of 2D MOFs with biomolecules, and construction of multifunctional 2D MOFs nanoprobes for the development of sensing mechanism and methods in the biomolecules. Moreover, the deep investigation on the electrocatalysis theories and principles of porphyrin-based 2D MOFs nanocomposite provides strong foundation for the electrochemical biosensing. This project provides new nanoprobes for the detection sensitivity and simplify operation process of cancer markers and other biomolecules, and plays a positive role in bioanalytical chemistry.

二维金属有机框架（2D MOFs）作为二维材料界冉冉升起的一颗新星，它的研究备受瞩目。目前2D MOFs基本集中应用于电催化产氢或者产氧领域，其化学和生物应用还处于开发阶段。本项目针对新型二维纳米材料在电化学生物检测中的关键科学问题，拟合成生物相容性好、性能稳定、催化性能良好的2D MOFs，将分析化学与纳米科学、分子生物学和材料学等领域新成就相结合，构建2D MOFs纳米探针用于生物分子的电化学检测。主要包括研究2D MOFs与生物分子的结合能力；构筑多功能卟啉基2D MOFs纳米探针用于发展生物分子检测的传感新原理与新方法；深入研究卟啉基2D MOFs纳米复合物的电催化机理，为电化学生物传感提供理论基础。本工作为癌症标志物等生物分子的检测提供高效灵敏且操作方便的新纳米探针，特别是对生命分析化学发展起到积极的推动作用。

该项目主要研究卟啉基2D金属有机框架纳米片（2D Metal-Organic Framework）的制备、生物功能化以及其在生物传感中的应用。2D MOFs与传统的2D纳米材料相比具有很多优点，如超薄的厚度和较大的晶格尺寸使其具有较多的表面活性位点；活性位点暴露在材料的表面，有利于与底物分子进行接触；同时具有较好的灵活性，可以根据需要来调整官能团、表面的电荷、材料的密度和尺寸等。以卟啉作为配体合成的2D MOFs纳米片具有仿生催化的性质，且在生物分析与临床医学检验中具有广阔的应用前景。.在针对目前检测癌症标志物尤其是寿命短、低丰度等生物分子的生物传感器在灵敏度、响应时间和准确度等方面的不足，过去三年我们主要以卟啉基2D MOFs为探针，采用电化学、荧光光谱等技术，发展了一系列高灵敏、快速、稳定、免洗的检测方法。首先在2D MOFs上修饰葡萄糖氧化酶来构建级联反应体系，实现在生理环境下消耗葡萄糖的同时产生一氧化氮气体分子，该工作在肿瘤细胞的饥饿和气体治疗方面有巨大的潜力。直接将2D MOFs作为探针，通过H2S与金属节点的特异性识别，实现了对H2S的检测和1O2可控释放，为实现“诊疗”一体提供了很好的平台。采用2D MOFs为光敏剂，其产生的1O2为模拟酶，实现了对目标物的灵敏检测。.我们还研究了MOFs与纳米粒子形成的复合物模拟多种酶的性能，采用电化学，荧光光谱等手段对催化机理进行了探索。将该复合物作为探针，实现了对端粒酶活性的灵敏检测。.我们将分析化学与材料化学、生物化学相结合，以实现对癌症标志物的简单、快速和稳定检测为主线，采用电化学、荧光等技术构建了一系列癌症标志物检测的新方法。这些工作拓宽了生物分析化学以及材料化学的研究与应用领域，具有潜在的应用价值。