基于生物燃料电池（BFC）的自供电生物传感器存在生物酶稳定性有限的困境。来自青岛农业大学李峰、盖盼盼课题组的研究人员利用双金属有机框架（MOF）作为生物酶和电活性探针的载体构建了基于BFC的自供电生物传感器，增强了稳定性和灵敏度，并可以检测复杂生物样品中源自肿瘤细胞的外泌体。该研究发表于Biosens Bioelectron杂志上。基于生物燃料电池（BFCs）的自供电生物传感器是一种功率输出与目标浓度直接相关的生物燃料电池，由于其固有的独特优势（无需外部电源且易于小型化）而引起了人们的极大兴趣。自供电生物传感器已被广泛用于癌症标志物、有毒污染物和食品添加剂等的检测。但是，稳定性差和灵敏度低仍然是主要的瓶颈问题，其源于生物酶的稳定性低和生物传感器的不良性能。因此，开发高效的基于BFC的自供电生物传感器同时具有强稳定性和灵敏度是非常重要且具有挑战性的。金属有机框架（MOF）由于其较大的比表面积、孔隙率和可调框架结构而受到了广泛的关注，在光动力疗法、催化、传感器和药物递送中广泛应用。重要的是，MOF为改善生物酶的稳定性和催化活性做出了杰出贡献。例如，通过将漆酶laccase包封在ZIF-8中，构建了laccase @ ZIF-8复合物，其在20天后的残留活性是游离漆酶的2倍。MOF复合酶的原位合成也有报道，与游离酶相比，其酶活性显着提高了251％。除此之外，MOF还可以用于富集电活性材料。例如，锆金属有机骨架（Zr-MOF）可以通过Zr–O–P键的形成与磷酸基团选择性结合。在这方面，在MOF的协助下，可以开发具有出色稳定性和出色灵敏度的基于BFC的自供电生物传感器。外泌体是一种体外分泌的、纳米级（30-150 nm）的囊泡，由磷脂双层构成，携带大量特定的蛋白质和遗传信息，并参与细胞间的通讯。越来越多的证据表明，生物体液中的高水平外泌体与癌症或其他病理密切相关，从而使其成为许多疾病的强大且无创的生物标记物。量化、分离、浓缩外泌体的常规方法主要包括动态光散射（DLS）、流式细胞仪、透射电子显微镜（TEM）、纳米颗粒跟踪分析（NTA）和酶联免疫吸附测定（ELISA）。然而，这些方法中的绝大多数都存在特异性低、灵敏度低、设备昂贵和操作复杂的缺点。考虑到以上考虑因素，以外泌体作为模型分析物，借助MOFs，构建了一种基于“信号” BFC的自供电生物传感器，用于外泌体检测，具有出色的稳定性和出色的灵敏度。在此设计中，阳极使用葡萄糖脱氢酶ZIF-8（GDH @ ZIF-8）复合材料来提高GDH的催化活性和稳定性。此外，负载有电活性K3 [Fe（CN）6]分子（命名为[Fe（CN）6] 3- / UiO-66）的Zr-MOFs为纳米富集载体被加载到阴极上以接受来自阳极氧化的电子，从而产生电能。在外泌体存在的情况下，外泌体可以被修饰在阴极上的CD63抗体捕获。考虑到外泌体的外表面富含亲水性磷酸基团，[Fe（CN）6] 3- / UiO-66复合材料将通过Zr–O–P键的形成而被固定在阴极表面。在这种情况下，纳米富集载体[Fe（CN）6] 3- / UiO-66可以接受更多的GDH @ ZIF-8催化氧化产生的电子，从而产生高电压。在没有外泌体的情况下，由于缺乏外泌体的连通性，[Fe（CN）6] 3- /UiO-66无法固定在阴极表面以接受电子。更重要的是，电压值与外泌体浓度呈正相关。因此，借助双MOF成功地实现了基于BFCs的自供电生物传感器，并且具有出色的稳定性以及对外泌体检测的高灵敏度。
参考文献：Highly sensitive and stable self-powered biosensingfor exosomes based on dual metal-organic frameworks nanocarriers. BiosensBioelectron. 2020 Dec 17:112907.
